Choirotin, dkk./ ROTASI, Vol. 22  No. 4  (Oktober  2020) Hal. 260-265
Analisis Desain Cetakan Straight Parallel Bipolar Plate pada Proses Pembentukan Superplastis dengan Metode Simulasi Numerik
Ismi Choirotin a, *, Unung Lesmanah a , Moch. Agus Choiron b
a Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Islam Malang Jl. Mayjen Haryono 193 Malang, Jawa Timur 65144
b Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Brawijaya Jl. Veteran, Malang, Jawa Timur 65145 *E-mail: ismichoirotin@gmail.com

## Abstract
As the most important component of fuel cell, bipolar plate has developed by many researcher to get it best  performance.  Some  considerations  have  been  made  including  the  type  of  material,  the  forming process and the geometric design to obtain bipolar plates which produce efficient renewable energy. The objective of this study was to obtain the best bipolar plate geometry in straight parallel microchannel types by varying the corner radius value.The superplastic forming process was analyzed by numerical simulation method using ANSYS software. The investigation exhibit that the microflow channel of bipolar plate with maximum depth  of 6.64 mm was produced by 2.0 mm corner radius. An increased corner radius will rise the thickness reduction percentage, however an even thickness distribution was resulted.
Keywords: bipolar plate; superplastic; corner radius; straight parallel; numerical simulation

## Abstrak
Memegang  peranan  penting  sebagai  bagian  dari fuel  cell ,  penelitian  tentang bipolar  plate banyak dikembangkan untuk mendapatkan performa terbaik. Banyak pertimbangan dalam pembuatan bipolar plate yang menentukan performa fuel cell dalam menghasilkan energi, diantaranya jenis material, proses pembentukan dan desain geometrinya. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mendapatkan geometri bipolar  plate terbaik  pada  tipe  saluran straight  parallel dengan  memvariasikan  nilai corner  radius . Metode  yang  digunakan  ada  penelitian  ini  adalah  simulasi  numerik  pada  proses  pembentukan superplastis dengan menggunakan software ANSYS. Dari hasil analisis yang telah dilakukan, didapatkan saluran bipolar plate dengan kedalaman maksimal sebesar 6,64 mm pada variasi corner radius cetakan terbesar yaitu 2,0 mm. Peningkatan harga corner radius akan meningkatkan persentase pengurangan ketebalan  material  akan  tetapi  ketebalan  yang  dihasilkan  juga  lebih  merata  jika  dibandingkan  harga corner radius yang lebih rendah.
Kata kunci: bipolar plate ; superplastis; corner radius ; straight parallel ; simulasi numerik

## 1. Pendahuluan
Saat  ini pengembangan energi terbarukan sebagai  pengganti bahan bakar fosil menjadi menarik objek penelitian yang menarik bagi para ilmuwan. Salah satu jenis energi terbarukan yang dikembangkan adalah fuel cell . Fuel cell ini banyak dikembangkan memiliki beberapa keunggulan seperti efisiensi yang tinggi, berpotensi dalam konservasi energi, keamanan dan ramah lingkungan [1]. Fuel cell ini menjadi kandidat kuat dalam menggantikan mesin pembakaran dalam ( internal  combustion  engine )  untuk  diaplikasikan  pada  sarana  transportasi  [2-3].  Teknologi fuel  cell ini  memiliki keunggulan jika dibandingkan dengan mesin pembakaran dalam, teknologi ini lebih ramah lingkungan terutama dari segi emisi gas buang.
Bipolar  plate adalah part penting  dari fuel  cell , karena  memiliki  fungsi  utama  yaitu  sebagai  rangka  dan  tempat dihasilkannya energi listrik. Selain peranannya yang sangat penting, biaya pembuatan bipolar plate adalah 50% dari total biaya produksi fuel cell , sehingga banyak penelitian dilakukan untuk mendapatkan performa terbaik dari bipolar plate ini. Bipolar plate dianggap memiliki performa baik jika efisiensi yang dihasilkan tinggi, memiliki resistivitas listrik yang baik, konduktivitas termal tinggi, resistensi terhadap korosi tinggi dan densitas yang rendah [4].
Penelitian yang dikembangkan saat ini fokus untuk mendapatkan bipolar plate terbaik dengan memvariasikan jenis material, proses fabrikasi dan geometri bipolar plate . Saat ini ada tiga jenis material bipolar plate yang umum digunakan, yaitu:  (1)  Grafit,  (2)  Komposit  polimer-karbon,  dan  (3)  logam. Bipolar  plate dengan  material  komposit  memiliki ketahanan korosi dan resistivitas listrik yang baik, akan tetapi biaya produksi dari bipolar plate komposit tergolong tinggi, karena proses produksinya masih menggunakan permesinan konvensional seperti bubut. Selain itu bipolar plate komposit memiliki  sifat  mudah  pecah  karena  karakteristik  materialnya  yang  rapuh. Bipolar  plate dengan  material  komposit polimer-karbon memiliki masalah sendiri dengan kerumitan proses fabrikasinya. Dari keseluruhan jenis material bipolar
plate , bahan logam mendapatkan perhatian khusus dari para ilmuwan karena memiliki karakteristik mekanik, kelistrikan dan termal yang unggul [4].
Bipolar plate logam dari stainless steel memiliki kemampuan bentuk yang sangat baik, biaya material yang rendah, tahan  terhadap  korosi  dan  memiliki  resistivitas  elektrik  yang  baik.  Akan  tetapi  dalam  kondisi  pengoperasian,  apabila logam ini telah terlapisi oksida, akan sangat berpengaruh pada sifat ketahanan korosi dan resistivitas elektriknya. Dengan pertimbangan  tersebut  maka  saat  ini  logam  alumunium  lah  yang menjadi  material bipolar  plate yang  unggul,  karena memiliki stabilitas ketahanan korosi daan resistivitas elektrik. Selain sifat tersebut, alumunium juga memiliki keunggulan densitas yang lebih rendah jika dibandingkan dengan dengan logam stainless steel. Proses manufaktur dari bipolar plate juga banyak diinvestigasi oleh para peneliti untuk menentukan proses mana yang paling efisien,  dalam artian proses yang dapat  memproduksi bipolar plate secara presisi  dan biaya produksinya terjangkau. Beberapa proses pembentukan seperti hydroforming [5], stamping [6] dan rubber pad forming [7-8] telah dianalisa  secara  eksperimental  dan  numerik  oleh  para  ahli.  Proses hydroforming dapat  menghasilkan bipolar  plate stainless steel dengan aspect ratio ( rasio perbandingan kedalaman dan lebar saluran) sebesar 0,31 yang membutuhkan tekanan  sebesar  85  MPa. Bipolar  plate paduan  alumunium  dengan aspect  ratio sebesar  0,164  dihasilkan  oleh  proses rubber pad forming dan membutuhkan tekanan sebesar 42 MPa. Hasil proses pembentukan tersebut memperlihatkan bahwa dibutuhkan tekanan yang besar untuk mendapatkan bipolar plate dengan kedalaman saluran alir mikro ( micro flow channel ) yang diinginkan.
Proses  pembentukan  superplastis  adalah  salah  satu  proses  pembentukan  lembaran  logam  dengan  memanfaatkan perilaku alir material pada temperatur dan tekanan tertentu. Beberapa keuntungan dari proses pembentukan superplastis ini adalah tidak adaanya tegangan sisa dan efek springback diakhir proses, tekanan yang dibutuhkan relatif kecil, mampu menghasilkan benda kerja dengan bentuk yang rumit. Pada proses pembentukan superplastis, didapatkan bipolar plate alumunium paduan dengan aspect ratio sebesar 0,591 dan hanya memerlukan tekanan yang relatif rendah yaitu 1 MPa [9].
Selain  dari  segi  material  dan  proses  pembentukannya,  performa bipolar  plate juga  ditentukan  oleh  parameter desainnya. Kegagalan atau cacat proses pembentukan bipolar plate sering kali terjadi karena desain cetakan yang tidak optimal. Kerusakan bipolar plate yang sering kali terjadi adalah kerut, sobek atau retak di area ujung atau sudutnya. Hasil investigasi menyatakan bahwa dibutuhkan desain geometri radius pada area sudut cetakan, sehingga tidak terjadi cacat pada  hasil  akhir  benda  kerja  [10].  Analisa  pada  desain  cetakan  sederhana  proses  pembentukan bipolar  plate dengan metode  pembentukan  superplastis  dilakukan  untuk  mengetahui  pengaruh  besar  radius  pada  sudut  cetakan.  Dari  hasil simulasi numerik didapatkan bahwa cetakan tanpa corner radius mengakibatkan cacat berupa kerut dan sobek pada benda kerja [11].
Dengan latar belakang tersebut  maka pada  penelitian ini akan dilakukan analisa desain corner radius pada  pola aliran straight parallel bipolar plate dengan proses pembentukan superplastis. Pola aliran straight parallel bipolar plate ini menunjukkan desain aktual dari saluran mikro pada bipolar plate jika dibanding dengan desain yang disederhanakan. Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode simulasi numerik, dengan menggunakan software ANSYS 18.1. Penggunaan metode simulasi numerik pada proses optimasi desain diharapkan dapat menjadi solusi desain yang efisien dalam segi waktu dan biaya.

## 2. Material dan metode penelitian
2.1. Material
Dalam penelitian ini, spesifikasi material benda kerja dan cetakan ( dies) adalah, Benda Kerja : Aluminum Alloy A5052 Cetakan : Baja AISI H-13
Komposisi kimia dan siat mekanik dari benda kerja (Alumunium A5052) seperti yang ditunjukkan oleh Tabel 1 dan Tabel 2
Tabel 1. Komposisi kimia Alumuniun A5052 Fe Mg Si Cr Zn Mn Cu Other Al < 0,4 2,2 – 2,8 < 0,25 0,15 – 0,35 0,1 < 0,1 < 0,1 < 0,15 RE
Tabel 2. Sifat mekanik Alumunium A5052
Kekuatan tarik (N/mm 2 ) Kekuatan yield
(N/mm 2 ) Elongation (%) Kekuatan Fatik (N/mm 2 ) 260 215 10 125
Benda kerja dimodelkan seperempat model dari bentuk aktual, dengan asumsi hasil akhir sudah mencakup kondisi minimum  dan  maksimum  pemodelan.  Dimensi  benda  kerja  adalah  80  x  100  x  0,5  mm  (  panjang  x  lebar  x  tebal). Sedangkan bentuk dan dimensi cetakan adalah seperti ditunjukkan Gambar 1 dan Tabel 3.
Choirotin, dkk./ ROTASI, Vol. 22  No. 4  (Oktober  2020) Hal. 260-265
Gambar 1 . Bentuk geometri cetakan
Tabel 3. Dimensi cetakan Keterangan Simbol Dimensi Lebar Saluran S 8 mm W 12 mm Kedalaman saluran h 7 mm Corner Radius R 0,5°; 1,0°; 2,0° Radius Dalam r 1° Draft Angel α 20°

## 2.2. Metode Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode simulasi  numerik, dimana software yang digunakan adalah ANSYS 18.1, sedangkan analisa hasil simulasi menggunakan software LS-PrePost. Proses verifikasi dilakukan dengan membandingkan hasil simulasi dengan hasil eksperimental penelitian terdahulu. Proses verifikasi ini diperlukan untuk mengetahui kebenaran hasil simulasi. Parameter setting dalam simulasi seperti diperlihatkan Tabel. 4.
Tabel.4 Parameter simulasi Keterangan Benda Kerja Cetakan ( dies ) Material Properties (setting) - Tipe Material Sensitif rate power law Rigid - Tipe Elemen SHELL 163 SHELL 163 - Densitas [kg/m3] 2599,52 7860 - Modulus Elastisitas [GPa] 16,87 207 - Poisson Ratio 0,3 - Konstanta material [Mpa] 44,33 - Strain rate sensitivity exponent 0,28 Meshing size [m] 0,0002 0,0005 Temperatur [ ᵒ C] 450 450 Tekanan [Mpa] 1,0
Gambar 2 . Sketsa proses pembentukan superplastis
Sketsa  proses  pembentukan  superplastis  adalah  seperti  yang  ditampilkan  pada  Gambar  2.  Pada  gambar  tersebut terlihat bahwa benda kerja yang berupa lembaran logam diletakkan diatas cetakan dan ditahan oleh holder / blank holder (Gambar 2 (a)) . Benda kerja yang telah dipanaskan terlebih dahulu pada temperatur 450 ᵒ C, diberi tekanan sebesar 1 MPa. Dengan adanya tekanan lembaran logam akan terdorong dan mengisi profil cetakan (Gambar 2 (b)).
R r W S α h

## 3. Hasil dan pembahasan
Verifikasi  dilakukan  dengan  membandingkan  hasil  simulasi  proses  pembentukan  superplastis  dengan  hasil eksperimental. Kedalaman saluran bipolar plate dari proses simulasi dengan desain cetakan awal (tanpa corner radius ) dibandingkan  dengan  hasil  eksperimental.  Hasil perbandingan  menunjukkan  bahwa  kedalaman  saluran  hasil  simulasi memiliki  tren  yang  sama  dengan  hasil  eksperimental  dengan  tingkat  kesalahan  sebesar  2,3%.  Dari  keseluruhan  hasil simulasi  dapat  disimpulkan  bahwa  tidak  ada  perbedaan  hasil  yang  signifikan,  sehingga  parameter  simulasi  ini  dapat digunakan lebih lanjut dalam penelitian.
Gambar 3. Menunjukkan bipolar plate hasil simulasi komputer dengan harga corner radius (R) sebesar 0,5 mm. Data yang dianalisa berupa kedalaman saluran dan pengurangan ketebalan dari benda kerja. Dari hasil simulasi, untuk menentukan perbandingan kedalaman saluran, maka diambil data kedalaman dari saluran di bagian tengah benda kerja. Pengambilan data di saluran bagian tengah (Gambar. 3) benda kerja dikarenakan pada posisi tersebut kedalaman saluran bernilai maksimum. Perbandingan kedalaman saluran antara benda kerja dengan desain cetakan divariasikan nilai corner radius nya (R) dapat dilihat pada  Gambar 4. Gambar separuh dari saluran micro flow channel dianggap sudah mewakili karena benda kerja dianggap simetris.
Gambar 3 . Kontur permukaan bipolar plate, hasil simulasi komputer dan area pengambilan data kedalaman saluran maksimum (R = 2,0 mm).
Perbendaan hasil kedalaman saluran antara cetakan dengan corner radius 0,5; 1,0 dan 2,0, ditunjukkan oleh Gambar 4. Dari Gambar tersebut dapat dilihat bahwa semakin besar radius corner (R), maka kedalaman saluran pada cetakan akan semakin meningkat. Hal ini terjadi karena semakin besar nilai corner radius, maka volume material yang masuk ke celah  saluran  akan  semakin  besar,  sehingga  saat  diberi  tekanan  pada  proses  pembentukan  arah  aliran  material  akan semakin besar masuk kecelah dan kedalaman saluran meningkat. Pada cetakan dengan variasi corner radius sebesar 0,5 mm dan 1,0 mm, didapatkan kedalaman celah saluran bipolar plate sebesar 5,33 mm dan 5,97 mm. Sedangkan kedalaman saluran maksimum diperoleh cetakan dengan corner radius 2,0 mm, yaitu sebesar 6,64 mm.
Gambar 4. Grafik kedalaman saluran pada bipolar plate dengan variasi besar corner radius pada cetakan.
Selain kedalaman saluran pada bipolar plate, hasil keseragaman tebal benda kerja juga sangat menentukan performa dari bipolar plate. Semakin seragam ketebalan bipolar plate, maka beban yang nantinya akan ditanggung oleh bipolar plate yang berfungsi sebagai rangka fuel cell akan semakin merata dan meminimalisir pemusatan tegangan. Dari Gambar 5, dapat dilihat bahwa prosentase rata – rata pengurangan ketebalan akan semakin meningkat dengan meningkatnya harga
Choirotin, dkk./ ROTASI, Vol. 22  No. 4  (Oktober  2020) Hal. 260-265
corner radius. Pada variasi corner radius 0,5 mm, harga pengurangan ketebalan rata-rata sebesar 17,7% dari ketebalan awal.  Sedangkan  pada  variasi corner  radius 2,0  mm  didapatkan  rata-rata  pengurangan  ketebalan  sebesar  20,5%  dari ketebalan awal. Akan tetapi jika dilihat dari range pengurangan ketebalan maksimum dan minimum, variasi corner radius 0,5 mm menghasilkan pengurangan ketebalan lebih  tidak merata yaitu sebesar 10% jika dibandingkan dengan variasi corner radius 2,0 mm yang hanya sebesar 8,6% (Gambar 5). Pengurangan ketebalan optimum terjadi pada desain dengan corner radius 1,0 mm dimana range ketebalan minimum dan maksimum hanya sebesar 8,2%.
Gambar 5. Grafik pengurangan ketebalan benda kerja dengan variasi corner radius pada cetakan
Masalah yang sering ditemui pada proses pembentukan superplastis adalah ketebalan benda kerja yang tidak merata. Distribusi  ketebalan  sepanjang  arah  melintang  dari  saluran bipolar  plate dapat  diprediksikan  dengan  proses  simulasi numerik seperti yang ditunjukkan oleh gambar 6. Untuk mendefinisikan karakteristik distribusi ketebalan, area saluran alir dapat dibagi menjadi tiga area yaitu: area dalam dari saluran (A), area corner radius (B) dan area luar dari saluran (C).  Dari  grafik  dapat  dilihat  bahwa  dengan  memvariasikan  besar corner  radius akan  memberikan  perubahan kecenderungan distribusi ketebalan. Pada desain cetakan dengan corner radius 0,5 mm perbedaan distribusi ketebalan lebih besar jika dibanding desain cetakan dengan corner radius lebih tinggi, hal ini disebabkan pada corner radius rendah jumlah material yang masuk kedalam cetakan lebih rendah sehingga akan terjadi perbedaan regangan plastis yang tinggi.
Gambar 6. Distribusi ketebalan pada saluran bipolar plate.
Hasil prediksi simulasi numerik pada Gambar 6 menunjukkan bahwa distribusi ketebalan terbaik yang didapat dengan memvariasikan corner radius, terjadi pada desain cetakan dengan harga R = 1,0 mm. Hal ini juga ditunjukkan oleh grafik pada Gambar 5, dimana meskipun harga pengurangan ketebalan rata-rata pada desain cetakan dengan R=1,0 mm lebih tinggi dari desain cetakan dengan R=0,5 mm, akan tetapi range atau perbedan ketebalan maksimum dan minimum pada desain cetakan dengan R=1,0 mm adalah yang paling rendah diantara ketiga desain cetakan.

## 4. Kesimpulan
Choirotin, dkk./ ROTASI, Vol. 22  No. 4  (Oktober  2020) Hal. 260-265
Dari  keseluruhan  penelitian  dapat  disimpulkan  bahwa  besar  nilai corner  radius akan  berpengaruh  pada  besar kedalaman  saluran bipolar  plate. Semakin  besar  harga corner  radius, maka  kedalaman  saluran bipolar  plate yang dihasilkan juga akan semakin meningkat. Kedalaman saluran bipolar plate maksimum didapatkan sebesar 6,64 mm yaitu pada variasi corner radius 2,0 mm. Akan tetapi perlu diingat bahwa investigasi ini hanya dalam batasan dimensi benda kerja yang dihasilkan, tanpa mempertimbangkan pengaruh corner radius terhadap performa pola aliran dalam fuel cell. Dengan meningkatkan harga corner radius, ketebalan benda kerja akan lebih merata jika dibanding pada variasi corner radius kecil, ketebalan dangan distribusi optimum terjadi pada desain cetakan dengan corner radius sebesar 1,0 mm.

## Ucapan Terima Kasih
Penelitian ini dapat terlaksana dengan pendanaan Hibah Institusi Universitas Islam Malang (HI-ma).

## Daftar Pustaka
[1]  M. Belali-Owsia, M. Bakhshi-Jooybari., S. J. Hosseinipour., A. H. Gorji., 2015, “A new process of forming metallic bipolar plates for PEM fuel cell with pin- type pattern,” Int. J. Adv. Manuf. Technol. , vol. 77, no. 5 – 8, pp. 1281 – 1293, doi: 10.1007/s00170-014-6563-3.
[2]  H. Tawfik, Y. Hung., D. Mahajan., 2007, “Metal bipolar plates fo r PEM fuel cell- A review,” J. Power Sources , vol. 163, no. 2, pp. 755 – 767, doi: 10.1016/j.jpowsour.2006.09.088.
[3]  Y. Liu., L. Hua., 2010, “Fabrication of metallic bipolar plate for proton exchange membrane fuel cells by rubber pad forming,” J. Power Sources , vol. 195, no. 11, pp. 3529 – 3535, doi: 10.1016/j.jpowsour.2009.12.046.
[4]  H. J. Kwon, Y. P. Jeon., C. G. Kang., 2012, “Die design of aluminum bipolar plate fabrication by stamping process and its investigation,” Adv. Mater. Res. , vol. 445, pp. 108 – 113, doi: 10.4028/www.scientific.net/AMR.445.108.
[5]  M. Koc., 2007, “Feasibility investigations on a novel micro -manufacturing process for fabrication of fuel cell bipolar plates : Internal pressure -assisted embossing of micro-channels with in-die mechanical bondin g,” vol. 172, pp. 725– 733, doi: 10.1016/j.jpowsour.2007.05.089.
[6]  Q. Hu., D. Zhang., H. Fu., K. Huang., 2014, “ScienceDirect Investigation of stamping process of metallic bipolar plates  in  PEM  fuel  cell  d  Numerical  simulation  and  experiments,” Int.  J.  Hydrogen  Energy ,  pp.  1 – 7,  doi: 10.1016/j.ijhydene.2014.01.201.
[7]  W. Hongyu., W. Zhen., T. Fei., Z. Pengchao., S. Juncai., J. Shijun., 2019, “Numerical simulation and experiment research on forming of two- step channel based on rubber pad pressing,” Int. J. Adv. Manuf. Technol. , vol. 101, no.
5 – 8, pp. 2175 – 2189, doi: 10.1007/s00170-018-3091-6.
[8]  M. Elyasi., H. T. Ghadikolaee., M. Hosseinzadeh., 2017, “Fabrication of metallic bipolar plates in PEM fuel cell using  semi- stamp  rubber  forming  process,” Int.  J.  Adv.  Manuf.  Technol. ,  vol.  92,  no.  1 – 4,  pp.  765 – 776,  doi: 10.1007/s00170-017-0206-4.
[9]  I. Choirotin., 2018, “Defect Prediction at the Superplastic Forming Process of the Bipolar Plate by Simulation,” J. Energy, Mech. Mater. Manuf. Eng. , vol. 3, no. 1, pp. 49 – 54, [Online]. Available: http://ejournal.umm.ac.id/index.php/JEMMME/article/view/5884/0.
[10]  T. Chen., 2011, “Bipolar Plates Channel,” pp. 597– 602.
[11]  I.  Choirotin.,  M.  Basjir.,  2019, “Analisis  Desain  Cetakan  Sederhana  Bipolar  Plate  Pada  Proses  Pembentukan Superplastis,” Flywheel J. Tek. Mesin Untirta , vol. V, no. 1, [Online]. Available:
http://jurnal.untirta.ac.id/index.php/jwl/article/view/4444.