## Rancang Bangun Mesin Uji Universal Untuk Pengujian Tarik dan Tekuk Bertenaga Hidrolik
Nanang Ali Sutisna 1, a , Sigit Winardi 2,b and Agung Suhartono 3,c
1,2,3 Program Studi Teknik Mesin, Universitas Presiden,
Jababeka Education Park, Cikarang Timur, Bekasi, Indonesia
a nanang.ali@president.ac.id, b winardi605@gmail.com, c agung.Suhartono@mane.com

## Abstrak.
Mesin Uji Universal atau UTM (Universal Testing Machine) adalah mesin pengujian material yang memiliki lebih banyak dari satu jenis pengujian material. Tujuan penelitian ini adalah perancangan dan analisis kekuatan konstruksi UTM untuk uji tarik dan uji tekuk. Mesin ini menggunakan dongkrak hidrolik sebagai sumber daya untuk memberikan beban yang diperlukan. Desain dibatasi pada beban 1,4  ton  sedangkan  beban  konstruksi  maksimum  adalah  5  ton  sesuai  kapasitas  dongkrak  hidrolik. Metoda yang dilakukan dalam penelitian ini diawali dengan perancangan dengan menggunakan CAD dan kemudian dianalisis dengan metoda elemen hingga.
Dari  hasil  analisis  dan  evaluasi,  alat  yang  dirancang  dapat  digunakan  dengan  aman  sesuai  dengan spesifikasi yang digunakan. Hasil penelitian menunjukkan  bahwa dari hasil percobaan pada spesimen uji tarik dan uji tekuk, kedua pengujian berhasil dilakukan. Uji tarik dilakukan dengan material SUS 304 dan SS400 dengan ketebalan berbeda dengan dimensi sesuai standar ASTM E8, sedangkan uji tekuk  dilakukan  pada  material  ASTM  A36  dengan  ukuran  200  x  40  x  6  mm.  Setelah  pengujian dilakukan, konstruksi mesin diperiksa terhadap kemungkinan cacat akibat pengujian, yaitu clamp atas dan  bawah,  punch  dan  dies,  serta  rangka  mesin.  Sebagai  kesimpulan,  setelah  dilakukan  pengujian ternyata pada semua bagian yang diperiksa tidak ditemukan kerusakan atau cacat..
Kata kunci . Rancang bangun, Mesin Uji Universal, Uji Tarik, Uji Tekuk .

## Abstract.
Universal Testing Machine or UTM (Universal Testing Machine) is a material testing machine that has more than one type of material testing. The purpose of this research is to design and analyze the strength of the UTM construction for tensile and bending tests. This machine uses a hydraulic jack as a power source to provide the required load. The design is limited to a load of 1.4 tons while the maximum construction load is 5 tons according to the hydraulic jack capacity. The method used in this study begins with a design using CAD and then analyzed with the finite element method.
From the results of the analysis and evaluation, the designed tool can be used safely in accordance with the specifications used. The results showed that from the experimental results on the tensile and bending test specimens, both tests were successfully carried out. The tensile test was carried out with SUS 304 and SS400 with different thicknesses with dimensions according to ASTM E8 standards, while the bending test was carried out on ASTM A36 material with a size of 200 x 40 x 6 mm. After the test is carried out, the construction of the machine is checked for possible defects due to the test, namely the upper and lower clamps, punches and dies, and the engine frame. As a conclusion, after testing, it turns out that no damage or defects were found in all the parts examined.
Keywords: Design and  Fabrication, Universal Testing Machine, Tensile Test, Bending Test

## Journal of Mechanical Engineering and Mechatronics 2021

## Pendahuluan
Pada  industri  rekayasa  teknik,  kebutuhan  terhadap  variasi  material  sangat  penting  untuk menunjang adanya inovasi dan perubahan pada produk-produk yang dihasilkan maupun pembuatan mesin-mesin  baru.  Material  tersebut  perlu  diverifikasi  sifat  fisik  dan  non-fisiknya  agar  dapat dipertanggung  jawabkan.  Untuk  mengetahui  sifat  fisik  suatu  material  dilakukan  melaui  tahapan pengujian  yang  banyak,  salah  satu  pengujiannya  adalah  uji  mekanis.  Pengujian  mekanis  adalah pengujian  material  yang  dapat  diklasifikasikan  menjadi  pengujian  merusak  ( destructive  test )  dan pengujian tidak merusak ( non-destructive test ). Secara umum pengujian  merusak digunakan untuk mengetahui sifat mekanis suatu material antara lain tensile, fatigue, bending dan lain-lain, sedangkan pengujian tidak merusak digunakan untuk mengetahui cacat suatu material tanpa merusak material yang diuji.
Salah satu alat yang digunakan untuk melakukan pengujian mekanis adalah Mesin Uji Universal ( Universal Testing Machine atau UTM). UTM adalah suatu mesin uji mekanis terhadap material yang dapat  digunakan  untuk  melakukan  lebih  dari  satu  metode  pengujian.  Jenis  pengujian  yang  bisa dilakukan pada mesin ini adalah uji tarik [1], uji bending ( Bending Test ) [2,3], dan pengujian kekuatan geser.
Mesin uji universal sudah banyak diproduksi dengan bermacam-macam sistem kerja dan memiliki beragam kapasitas. Secara umum, Mesin uji universal menggunakan sistem kerja hidrolik dan motor listrik sebagai daya penggerak untuk melakukan pengujian. Sistem kerja dengan kekuatan hidrolik lebih mudah diaplikasikan [4], biaya sistem dan instalasi yang lebih murah, dan testing range lebih luas karena tenaga yang dihasilkan lebih besar. Sedangkan mesin dengan sistem kerja motor listrik diaplikasikan pada material tertentu yang tidak membutuhkan kekuatan uji yang besar. Berdasarkan latar belakang yang telah dipaparkan, disini penulis bermasud untuk membuat rancang bangun Mesin Uji Universal untuk pengujian tarik dan tekuk menggunakan sistem hidrolik dengan memanfaatkan dongkrak hidrolik ( bottled jack ).

## Metodologi
Rancang  bangun  Mesin  Uji  Universal  ini  dilakukan  dengan  tahapan-tahapan  sebagaimana diperlihatkan dalam diagram alir pada Gambar 1 di bawah ini.
Gambar 1. Diagram alir rancang bangun Mesin Uji Universal

## Pertimbangan Perancangan Alat
Pertimbangan  perancangan  alat  didasarkan  dari  konseptual  rancangan  yang  diinginkan  seperti  rupa, fungsi dan inovasi  yang dipakai. Mesin Uji Universal (UTM) ini terdiri atas mesin  uji tarik dan mesin tekuk yang tertanam pada satu sistem dan penggerak mesin  untuk penggerak punch dan clamps adalah dongkrak  hidrolik  yang  memiliki  kapasitas  desain  5  ton.  Pertimbangan  rancangan  secara  rinci  adalah sebagai berikut:
1. UTM  terbuat  dari  1023  Carbon  Steel  Sheet  (SS)  dengan  referensi  sifat  mekanis  material  dari aplikasi Solidworks.
2. Mesin  tekuk  plat  dirancang  untuk  melakukan  uji  tarik  dan  penekukan  pada  material  jenis  pelat menggunakan sebagian kapasitas kerja hidrolik dari dongkrak, yaitu  sebesar 1400 kg, mengingat ketersedian komponen hidrolik yang ada di pasaran.
3. Dimensi spesimen uji tarik berdasarkan kepada standar ASTM E8 [5]
4. Dimensi spesimen uji tekuk memiliki lebar 40 mm dan panjang 200 mm, mengacu kepada standar ASTM E-290 [6], dengan material terbuat dari ASTM A36
5. Mekanisme penekukan menggunakan gaya dari sistem hidrolik (bottle jack).
6. Bentuk punch dan die yang digunakan dibuat sendiri.
7. Sistem clamping, punch dan dies dirancang dan dibuat sendiri.
Spesimen uji tarik yang dipakai adalah spesimen plat ( rectangular cross-section specimen ). Ketebalan spesimen disesuaikan ketentuan lebar plat dari standar dan nilai area uji tarik di atas, yaitu disesuaikan dengan standar ASTM E8 sebagaimana terlihat pada Gambar 2.

## Gambar 2. Spesimen uji tarik sesuai standar ASTM E8
Sedangkan spesimen uji tekuk memiliki lebar 40 mm dan panjang 200 mm. Adapaun ketebalan material uji/spesimen dicari berdasarkan kapasitas baben rancangan yaitu 1400 kg, maka ketebalan pelat spesimen dapat dihitung sebagai berikut [7]:
F maks = K 𝑈𝑇𝑆 𝑥 𝐿 𝑥 𝑇 2 𝑊 atau T = √ 𝐹 𝑚𝑎𝑘𝑠 𝑥 𝑊 𝐾 𝑥 𝑈𝑇𝑆 𝑥 𝐿
dimana:
UTS   : Ultimate tensile strength material ASTM A36 = 400 N/mm2 L : Lebar benda kerja maksimum = 40 mm T : Tebal benda kerja maksimum
Fmax  : Gaya maksimum dari beban 1400 kg = 14000 N K : Konstanta = 1 W : Die opening = 50 mm

## Journal of Mechanical Engineering and Mechatronics 2021
Sehingga T = √ 1400 𝑥 50 1 𝑥 400 𝑥 40 = 6.5 mm,
maka  tebal  pelat  ditetapkan  6  mm  sesuai  yang  tersedia  di  pasaran.  Dimensi  spesimen  lengkapnya adalah panjang 200 mm, lebar 40 mm, dan teal 6 mm.

## Perancangan Alat
Rancangan Mesin Uji Universal ini dibuat dengan menggunakan Solidworks dengan komponen- komponen  frame,  dongkrak  hidrolik,  bagian  uji  tarik,  dan  bagian  uji  tekuk,  seperti  terlihat  pada Gambar  3  di  bawah  ini.  Ketinggian  mesin  UTM  ini  dirancang  untuk  melakukan  pengujian  secara berdiri sehingga memudahkan operator dalam  mengoperasikan dongkrak.
Gambar 3. Konstruksi mesin UTM

## Analisis Konstruksi Alat Menggunakan Simulasi Solidworks
Analisa yang dilakukan adalah analisa ketahanan konstruksi alat terhadap gaya/beban yang terjadi saat mesin bekerja menggunakan fungsi simulasi di Solidworks. Tahap pertama adalah melakukan validasi ukuran elemen ( mesh study ) untuk menentukan ukuran elemen  yang tepat agar hasil simulasi memiliki tingkat akurasi yang baik, hal ini terkait dengan seberapa kecil suatu elemen harus dibuat untuk  memastikan  agar  hasil  analisis  tidak  terpengaruh  oleh  perubahan  ukuran  mesh  ( mesh convergence )  [8].  Gambar  4  menunjukan  hasil  studi  pengaruh  perubahan  ukuran  elemen  mesh terhadap Von Mises yang terjadi. Perubahan ukuran elemen dari 8 mm ke 5 mm menghasilkan Von Mises  yang tidak terlalu besar sehingga dianggap elemen dengan ukkuran 5 mm telah konvengen, untuk selanjutnya ukuran elemen 5 mm akan digunakan dalam analisis elemen hingga pada konstruksi mesin UTM ini.
Gambar 4. Mesh study, ukuran mesh 5 mm sudah dapat mewakili konvergensi
Keterangan: 1. Frame 2. Dongkrak Hidrolik
3. Uji tarik ( Tensile test)
4. Uji tekuk ( Bending test )

## Journal of Mechanical Engineering and Mechatronics 2021
Selanjutnya  dilakukan  simulasi  pada  saat  dilakukan  uji  tarik  dengan  beban  tarik  1,4  kN  yang menghasilkan tegangan Von Mises maksimum 114 MPa (lihat Gambar 5). Jika dibandingkan dengan kekuatan  luluh  ( yield  strength )  yaitu  sebesar  282  MPa  maka  konstruksi  bagian  uji  tarik  memiliki faktor keamanan  2,47.
Gambar 5. Von Mises stress yang terjadi saat simulasi uji tarik
Kemudian dilakukan simulasi ketahanan konstruksi saat uji tekuk. Hasil simulasi saat uji tekuk dapat dilihat pada Gambar 6 di bawah ini. Gambar 6a memperlihatkan besaran tegangan Von Mises saat terjadi proses uji tekuk, sedangkan Gambar 6b memperlihatkan besarnya perpindahan.
Simulasi  saat  terjadi  uji  tekuk  dengan  beban  sebesar  1,4  kN  menghasilkan  tegangan  lentur ( bending  stress )  maksimum  sebesar  0.9  Mpa  sebagaimana  terlihat  pada  Gambar  5.  Sedangkan Gambar 6 memperlihatkan perpindahan ( displacement ) maksimum sebesar 0,15 mm. Kedua hal ini mengindikasikan  bahwa  konstruksi  mesin  UTM  ini  aman  terhadap  beban  yang  terjadi  akibat percobaan tekuk.
Gambar 6 a. Von Mises stress yang terjadi saat simulasi uji tekuk (bending)

## Journal of Mechanical Engineering and Mechatronics 2021

## Gambar 6 b. Perpindahan (displacement) yang terjadi saat simulasi uji tekuk (bending)

## Pengujian Alat
Setelah Mesin Uji Universal ini dibuat, maka selanjutnya dilakukan pengujian terhadap alat yang telah dibuat dengan melakukan uji tarik dan uji tekuk menggunakan spesimen standar sebagaimana telah diuraikan sebelumnya pada bagian Pertimbangan Perancangan.
Berikut  dibawah  ini  terlihat  pada  Gambar  7a  kondisi  spesimen  dengan  ketebalan  3  mm  sebelum percobaan uji tarik, sedangkan Gambar 7b memperlihatkan kondisi spesimen setelah dilakukan uji tarik.
( a )
Sebelum uji tarik

## Gambar 7. Kondisi spesimen sebelum dan sesudah uji tarik
Percobaan  uji  tarik  dilakukan  pada  spesimen  dengan  material  dan  ketebalan  berbeda,  hasil pengujian  dapat  dilihat  pada  Tabel  1.  Karena  mesin  ini  dioperasikan  secara  manual  maka  tidak memungkinkan untuk memantau berapa besarnya gaya penarikan atau penekanan pada saat terjadi pertambahan panjang, sehingga tidak dapat digambarkan hubugan antara tegangan dan regangan.
Tabel 1. Hasil uji tarik pada spesimen denagn tebal dan material yang berbeda
Material SUS 304 SS 400 Ketebalan Spesimen, t (mm) 1.5 2 1.6 3.2 2.3 Panjang Awal Spesimen, l0 (mm) 200 200 200 200 200 Panjang Spesimen Setelah Uji Tarik, li (mm) 248 235 225 220 220 Perubahan panjang, Δl (mm) 48 35 25 20 20 Elongation (mm) 24% 17.5% 12.50% 10% 10%
Percobaan  uji  tarik  tersebut  menujukkan  bahwa  mesin  UTM  dapat  menguji  spesimen  dengan material  berbeda  dan  ketebalan  yang  berbeda.  Mesin  UTM  dapat  digunakan  secara  versatil  untuk menguji berbagai jenis material. Akan tetapi karena penekanan dilakukan dengan dongkrak hidrolik yang dioperasikan secara manual dan belum dilengkapi dengan load cell untuk memantau besarnya gaya yang diberikan maka tidak dapat digambarkan hubungan antara tegangan dan regangan.
Adapun hasil bending pada pengujian material ASTM A36 dapat dilihat pada gambar 8 di bawah ini. Gambar 8 (1) memperlihatkan awal penekukan di saat alat penekan menyentuh pelat spesimen, kemudaian penekanan diteruskan hingga pelat uji mulai tertekuk seperti terlihat pada Gambar 8(2).
Selanjutnya  penekukan  dilanjutkan  sampai  pelat  mendekati  batas  alas  dan  akhirnya  berakhir setelah pelat uji menyentuh batas alas mesin penguji, seperti digambarkan pada Gambar 8 (3) dan (4),
Dari gambar di atas, dapat dilihat bahwa spesimen berhasil ditekuk menggunakan  UTM. Dapat disimpulkan bahwa UTM bekerja dengan baik sesuai fungsi kerjanya untuk pengujian tarik maupun penekukan spesimen. Sama seperti halnya pada uji tarik, pada mesin UTM ini belum bisa mengukur gaya maksimum penekukan sehingga belum bisa memperlihatkan tegangan lentur secara langsung.
( b )
Sesudah uji tarik

## Journal of Mechanical Engineering and Mechatronics 2021

## Gambar 8. dokumentasi uji bending dari mulai (1) hingga berakhir (4)

## Kondisi Penjepit Sesudah Uji Tarik
Clamp terdiri  atas  sepasang,  yaitu clamp atas  ( fixed )  yang  menahan  spesimen  dan clamp bawah ( moving )  yang  bergerak  menarik  spesimen.  Gambar  9  berikut  ini  menunjukkan  kondisi clamp atas sebelum dan sesudah percobaan uji tarik. Dari gambar tersebut, dapat dilihat bahwa tidak ada kecacatan yang terjadi pada clamp, baik rangka clamp maupun baut clamp untuk clamp atas dan clamp bawah.

## Gambar 9. Kondisi clamp atas dan bawah sebelum dan sesudah uji tarik

## Kondisi Punch dan Die Sesudah Uji Tekuk
Berikut ini adalah pemeriksaan punch dan die setelah melakukan uji tekuk. Gambar 10 di bawah ini adalah kondisi punch dan die sebelum dan setelah melakukan penekukan benda kerja. Dari gambar

## Journal of Mechanical Engineering and Mechatronics 2021
10 tersebut, dapat dilihat bahwa tidak ada kerusakan/cacat yang terjadi pada punch dan die dengan membandingkan keadaan sebelum dan sesudah UTM melakukan uji tekuk. Maka dapat disimpulkan bahwa punch dan die kokoh dan aman melakukan fungsinya sesuai dengan beban kerja UTM
Gambar 10. Kondisi punch dan die sebelum dan sesudah uji tarik

## Kondisi Rangka Sesudah Uji Tarik dan Tekuk
Selanjutnya rangka diperiksa dari kemungkinan cacat setelah digunakan uji tarik dan uji tekuk. Dari  gambar  11  di  bawah,  dapat  dilihat bahwa  tidak  ada  kecacatan  yang  terjadi  pada  keseluruhan rangka  UTM,  terbukti Waterpass yang  terletak  diatas  rangka  alat  menunjukkan  bahwa  alat  tidak mengalami kemiringan.

## Gambar 11.  Mesin tidak mengalami kemiringan setelah pengujian tarik dan tekuk

## Kesimpulan
Mesin Uji Universal atau Universal Testing Machine (UTM) yang dibuat terdiri atas uji tarik ( tensile test) dan uji tekuk ( bending test ) plat besi, dan telah diuji operasinya untuk melakukan uji tarik dan uji tekuk, dan dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:
Waterpass
1. Kapasitas beban pada mesin UTM ini adalah 5000 kg untuk konstruksi, namun untuk uji tarik dan uji tekuk hanya dapat dilakukan dengan beban 1400 kg karena ketersediaan komponen hidrolik di pasaran.
2. Perancangan  mesin  UTM  dengan  fitur  uji  tarik  dan  uji  tekuk  telah  memenuhi  kebutuhan  atau ketentuan perancangan alat disertai dengan analisis elemen hingga pada rancangan alat tersebut.
3. Analisis UTM menggunakan software Solidworks dengan menggunakan metode elemen hingga dan asumsi keadaan statis menunjukkan tegangan tarik maksimum yang terjadi adalah 114 Mpa dan tegangan lentur maksimum 0,9 Mpa dengan nilai perpindahan maksimum sebesar 0.15 mm, menunjukkan bahwa UTM aman digunakan untuk beban kerja yang ditentukan.
4. Tidak  hanya  berdasarkan  hasil  analisis,  pengujian  aktual  UTM  dilakukan  dan  hasilnya menunjukkan UTM mampu melaksanakan uji tarik dan uji tekuk dengan baik dan kokoh sesuai beban kerja yang ditentukan tanpa kecacatan atau kemiringan.
5. Untuk uji tarik, spesimen yang dipakai adalah material SS 400 dan SUS 304 dengan penampang specimen berbentuk persegi panjang (rectangular cross-section) dan mempunyai variasi tebal yang berbeda. Sedangkan untuk uji tekuk menggunakan material ASTM A36 dengan ukuran 200 x 40 x 6 mm.
Adapun saran untuk penelitian lebih lanjut adalah sebagai berikut:
1. Pengujian tarik dengan mesin UTM hanya  direkomendasikan untuk material dengan elongation 50%.
2. Perlu ditambahkan alat untuk mengukur pertambahan panjang specimen saat pengujian tarik.
3. Untuk melakukan tracing data yang menunjukkan reaksi spesimen terhadap pengujian, load cell dapat dipasang untuk data beban yang lebih akurat.
4. Bending test dengan metode three-point bending dapat dilakukan dengan UTM ini dengan cara modifikasi punch dan reposisi pada die.
5. Clamp  UTM  dibuat  hanya  untuk  melakukan  pengujian  material  plate.  Jika  ingin  melakukan pengujian dengan shape yang lain dapat dioptimalisasi dengan mengubah desain clamp yang baru agar mampu mencengkram spesimen tersebut dengan kuat dan menghindari slip.

## Daftar Pustaka
[1] D.R. Askeland. The Science and Engineering of Material, Alternate Edition, PWS Engineering, Boston, USA, 1985.
[2] L.Anggraini, R. Yamamoto, K. Hagi, H. Fujiwara and K. Ameyama, “Improving Mechanical Properties of Ceramic Composites by Harmonic Microstructure Control”. Advanced Materials Research. Vol. 896 (2014) 570-573.
[3] L. Anggraini and Sugeng, “Analysis of Porosity Defects in Aluminum as Part Handle Motor Vehicle  Lever  Processed  by  High-pressure  Die  Casting”.  IOP  Conference  Series:  Materials Science and Engineering, Vol. 367, No. 1 (2018), 012039.
[4] A. Muchta. Prinsip Kerja Hidrolik. Available: https://www.autoexpose.org [28 Oktober 2019]
[5] American  Society  for  Testing  and  Materials  (ASTM).  Standard  Test  Methods  for  Tension Testing of Metallic Materials. ASTM International, 2013.
[6] American Society for Testing and Materials (ASTM). Standard Test Methods for Bend Testing of Material for Ductility. ASTM International, 2015.
[7] A.G. Putra. Pengaruh Variasi Proses Peregangan Terhadap Sifat Mekanik dan Struktur Mikro Baja  St.  37  Pada  Proses  Roll  Bending,  Fakultas  Teknik  Universitas  Jenderal  Achmad  Yani, 2010.
[8] N.A.  Sutisna  and  M.F.A.  Akbar.  “FEM  Simulation  of  Electric  Car  Chassis  Design  with Torsional Bar Technology”. Journal of Mechanical Engineering and Mechatronics, Vol. 3, No. 2 (2018) 97-117.