## Manutech :
Jurnal Teknologi Manufaktur
Vol. 12, No. 01, (2020) p-ISSN : 2089-5550 e-ISSN : 2621-3397
Analisis Kekuatan Miniatur Sasis Bus Hasil Teknologi Fused Deposition Modelling Dengan Metode Elemen Hingga (Braam Delfian Prihadianto)

## ANALISIS KEKUATAN MINIATUR SASIS BUS HASIL TEKNOLOGI FUSED DEPOSITION MODELLING

## DENGAN METODE ELEMEN HINGGA
Braam Delfian Prihadianto 1 , Ari Reza Koswara 2
1 Departemen Teknik Mesin, Sekolah Vokasi Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta
2 Mahasiswa Departemen Teknik Mesin, Sekolah Vokasi Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta braam.delfian@ugm.ac.id

## Abstract
Replica is an imitation of an object that is scaled down to a specified scale. Replica manufacturing can be done by layer manufacturing technology so that it is more efficient and gets products similar to the originals. At present, the information about the results of the experimental testing process by computers on replica 3D models is still very limited. It is important to know that the replica have the expected quality. This study was conducted to determine the replica strength of the Hino RN 285 bus chassis 1:19 scale with PLA and AISI 1020 material. The calculations included stresses and deflections that occurred on the replica bus chassis due to the load from the replica cabin of 25.506 N. The study was conducted using Solidworks 2018 application for static load simulation process and for knowing the maximum stress and deflection that occurred. The simulation results obtained a maximum strenght value of 9,628 MPa. Deflection occurs at the front overhang, wheel base, and rear overhang with a maximum value occurs at the rear overhang of 0.7696 mm and causes stress distribution on the chassis frame of the rear overhang at 2.407 MPa. The maximum  stress  of  the  test  results  has  a  value  smaller  than  the  yield  stress  of  the  material  and  the deflection that occurs is below the critical deflection range, so it can be concluded that the replica model of the bus chassis is safe.
Keywords : finite element , solidworks , PLA, fused deposition modelling , plastic deformation

## Abstrak
Miniatur  adalah  tiruan  dari  objek  yang  diperkecil  dengan  skala  yang  ditentukan.  Pembuatan miniatur dapat dikerjakan dengan teknologi layer manufacturing sehingga lebih efisien dan memperoleh produk  mendekati  aslinya.  Saat  ini  informasi  tentang  hasil  dari  proses  pengujian  eksperimental  oleh komputer pada model 3D miniatur masih sangat terbatas. Hal tersebut penting untuk diketahui supaya miniatur  yang  dibuat  memiliki  kualitas  yang  diharapkan.  Penelitian  ini  dilakukan  untuk  mengetahui kekuatan miniatur sasis bus model Hino RN 285 skala 1:19 dengan material Polyactic Acid dan AISI 1020. Perhitungan  yang  dilakukan meliputi  tegangan  dan  defleksi  yang  terjadi  pada  miniatur sasis  bus  akibat beban dari kabin miniature sebesar 25,506 N. Penelitian dilakukan menggunakan aplikasi Solidworks 2018 untuk proses simulasi beban statis serta mengetahui tegangan maksimum dan defleksi maksimum yang terjadi. Hasil simulasi diperoleh nilai tegangan maksimum sebesar 9,628 MPa. Defleksi terjadi pada bagian front overhang , wheel base , dan rear overhang dengan nilai maksimum terjadi pada bagian rear overhang sebesar 0,7696 mm dan menyebabkan distribusi tegangan pada frame sasis bagian rear overhang sebesar 2,407  MPa.  Tegangan  maksimum  hasil  pengujian  memiliki  nilai  lebih  kecil  dari  tegangan  luluh  material dan defleksi yang terjadi berada dibawah batasan defleksi kritis, sehingga dapat disimpulkan model 3D miniatur sasis bus tersebut aman.
Kata kunci : finite element , solidworks , PLA, fused deposition modelling , deformasi plastis

## 1. PENDAHULUAN
Industri  kreatif  merupakan  industri  yang  berasal  dari  keterampilan,  hasil  kreativitas,  serta  bakat individu untuk menciptakan suatu hobi dan lapangan pekerjaan melalui hasil daya kreasi dan daya cipta individu.  Di  era  modern  saat  ini,  industri  kerajinan  kreatif tidak  hanya  mengandalkan  kreatifitas  secara manual  tetapi  semakin  berkembang  dan  meluas  hingga  pengaplikasian  teknologi  dalam  proses pembuatannya.  Salah  satu  sektor  industri  kerajinan  kreatif  berbasis  teknologi  yang  saat  ini  sedang berkembang  adalah  sektor  permainan  dengan  maraknya  pembuatan  miniatur.  Miniatur  adalah  potret atau lukisan dan patung berukuran kecil yang dibuat di atas berbagai permukaan dengan aneka ragam bentuk [1]. Sedangkan pengertian miniatur secara umum menurut Kamus Besar Bahasa Indonesia adalah tiruan  sesuatu  dalam  ukuran  yang  sangat  diperkecil [2].  Terdapat  berbagai  macam  miniatur,  seperti miniatur kendaraan, miniatur gedung, hingga miniatur action figure . Pembuatan miniatur tentunya harus dibuat semirip mungkin dengan objek aslinya sesuai skala yang sudah ditentukan. Selama ini pembuatan miniatur  sasis  bus  masih  menggunakan  teknik  manual  dengan  material  plat  aluminium  atau  kayu. Miniatur sasis bus dengan material plat aluminium atau kayu memiliki kekurangan antara lain kesulitan dalam  pembuatan  pada  bagian  detail,  kesulitan  dalam  melakukan  modifikasi  desain  serta  profil  yang sesuai,  dan kekuatan  sasis  miniatur  yang  dihasilkan.  Seiring  dengan  perkembangan  zaman,  pembuatan miniatur tidak lagi harus dilakukan secara manual tetapi dapat diproduksi dengan bantuan teknologi.
Salah satu teknologi yang dapat digunakan dalam proses produksi miniatur adalah teknologi Rapid Prototyping atau lebih dikenal dengan Layer Manufacturing . Jenis layer manufacturing yang digunakan untuk proses percetakan miniatur sasis bus adalah Fused Deposition Modelling (FDM) atau sering disebut 3D Printing. Fused Depositiom Modeling merupakan salah satu teknik rapid prototyping tipe additive [3]. Sistem kerja dari FDM adalah dengan cara membentuk part secara lapis demi lapis menggunakan material thermoplastic yang telah dipanaskan menjadi semi liquid. Cairan ini akan dialirkan melalui nozzle menuju form  base untuk  membangun part yang  diinginkan  sesuai  dengan  desain. Nozzle pada  sistem  FDM berfungsi  untuk  mengalirkan  material  secara  statis  serta  dapat  bergerak  dinamis  secara  horisontal maupun vertikal mengikuti lintasan ( path ) yang dibaca dari file. Lintasan pertama pada suatu layer selesai dikerjakan,  kemudian nozzle akan  bergerak  naik  ke  atas  dan  seterusnya  hingga  obyek yang  diharapkan terbentuk. Detail proses dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Fused Deposition Modelling [4]
Penggunaan  teknologi 3D  printing dalam  pembuatan  miniatur  dapat  menghemat  waktu  serta memperoleh  hasil  yang  mendetail.  Penggunaan 3D  printing merupakan  solusi  dalam  pengembangan produk khususnya untuk memecahkan permasalahan lead time design process [5].
Metode elemen hingga atau Finite Element Analysis (FEA) digunakan untuk memprediksi persoalan statik  dan  dinamik.  Dalam  bidang  struktur,  metode  ini  memudahkan  para  insinyur  untuk  memprediksi tegangan, regangan, deformasi, dan kegagalan pada produk yang akan diuji, sehingga dapat mengurangi biaya  pengujian  produk  secara  eksperimen  dan  mengoptimalkan  produk  sebelum  diproduksi  dan diimplementasikan  [6].  Metode FEA merupakan  salah  satu  metode  persoalan  numerik  untuk menyelesaikan  berbagai  permasalahan  di  bidang engineering dengan  membagi-bagi  benda  menjadi bentuk elemen-elemen yang berhingga dan saling berhubungan. Secara umum metode ini memiliki tiga tahapan yaitu pre - processing , analysis , dan post - processing .
Pengaplikasian teknologi 3D printing di Indonesia  sudah sangat banyak, tetapi  informasi terkait hasil proses pengujian eksperimental oleh komputer pada model 3D printing sebelum dilakukan proses produksi masih sangat minim. Yang dilakukan selama ini dalam pembuatan miniatur sasis bus yang dicetak oleh 3D printing adalah menguji sasis miniatur dengan beban dalam jangka waktu tertentu. Hal tersebut membutuhkan waktu yang lama dan tidak dapat dianalisis secara pasti. Dengan perkembangan teknologi khususnya  pengaplikasian  metode  elemen  hingga,  model  3D miniatur  sasis  bus  dapat  kita  uji  terlebih dahulu sebelum diproduksi dan diimplementasikan.
Penelitian  terkait  3D printing dan  aplikasi  metode  elemen  hingga  telah  dilakukan  pada  material polylactic  acid (PLA)  dengan  menggunakan  software  Siemens  NX  dengan  modul  Nastran.  Dengan spesifikasi  specimen  berdasarkan  standart  PN-EN  ISO  178:2011  dilakukan  analisis  terhadap  tegangan lentur dan regangan yang terjadi. Perbedaan hasil uji lentur dengan hasil analisis menggunakan metode elemen  hingga  diperoleh  perbedaan  nilai  tegangan  sebesar  1,7%.  Penggunaan  metode  elemen  hingga pada  penelitian  ini  juga  digunakan  dalam  mengoptimalisasi  desain  tuas  rem  motor.  Hasil  analisis menggunakan metode elmen hingga menunjukkan bahwa infill pattern dan density berpengaruh terhadap berat dan biaya hingga sebesar 50% dengan nilai kekuatan yang sama  [7]. Penelitian lain yang dilakukan terkait analisis metode elemen hingga adalah pembuatan pigeon house model. Model yang dihasilkan lalu dilakukan  analisis  terhadap  perubahan  temperatur  pada  siang  hari  dan  analisis  struktural  yang  terjadi pada  model  3D printing tersebut.  Analisis  menggunakan  metode  elemen  hingga  merupakan  salah  satu cara untuk menjembatani antara hasil digital  dengan produk 3D printing .  Hal tersebut mudah dilakukan karena adanya kesamaan file yang digunakan dan biaya yang relatif murah  [8].
Berdasarkan  latar  belakang  dan  penelitian  yang  telah  dilakukan,  penelitian  ini  dilakukan  untuk mengetahui nilai tegangan maksimum dan defleksi yang terjadi pada miniatur sasis bus dengan material polylactic  acid (PLA)  hasil  proses  3D printing dan  material  AISI  1020  yang  digunakan  pada  komponen berulir.  Pengujian  metode  elemen  hingga  dilakukan  dengan  menggunakan  aplikasi Solidworks untuk mengetahui titik kritis maksimum yang terdapat pada model 3D miniatur sasis bus.

## 2. METODE PENELITIAN

## 2.1.   Objek Penelitian
Objek penelitian ini adalah miniatur sasis bis tipe Hino RN  285 dengan  skala 1:19 produksi RRM Handycraft yang  dibuat  dengan  metode 3D  printing .  Gambaran  umum  miniatur  sasis  terlihat  pada Gambar  2  dengan  spesifikasi  sasis  Hino  RN  285  dan  miniatur  sasis  Hino  RN  285  skala  1:19  tersaji  pada Tabel 1.
Table 1. Dimensi Sasis Hino RN 285 Bagian Dimensi Sasis Hino RN 285 (mm) Dimensi Miniatur Sasis Hino RN 285 (mm) FOH WB ROH OL OH OW FR Tr RR Tr 2380 6000 3290 11670 2020 2450 2040 1820 125,26 315,79 173,16 614,21 55,49 123,69 101,00 82,00

## 2.2.   Peralatan Penelitian
Peralatan yang dibutuhkan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:

## 2.2.1.  Laptop
Laptop  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  untuk  melakukan  desain  dan  simulasi  model  3D miniatur  sasis  bus  skala  1:19  memiliki  spesifikasi  Intel  Core  i5-6200U  2.3GHz with  Turbo  Boost  up  to 2.8GHz dengan RAM 8 GB DDR 4 dan VGA NVIDIA GeForce 940MX with 2 GB Dedicated VRAM.

## 2.2.2. Solidworks 2018
Pembuatan model 3D miniatur sasis bus skala 1:19 menggunakan aplikasi Solidworks 2018 Model 3D yang telah dibuat oleh aplikasi Solidworks digunakan sebagai data untuk proses pengujian selanjutnya.

## 2.2.3. Solidworks Simulation
Solidworks  Simulation digunakan  untuk  proses  pengujian  FEA  pada  model  3D  miniatur  sasis  bus skala  1:19. Import  geometry ,  pengaturan  jenis  material,  proses mesh ,  penentuan  tumpuan  serta pembebanan dapat dilakukan pada fitur ini sehingga memudahkan kita untuk melakukan proses analisis terhadap produk yang akan kita uji. Hasil simulasi akan  menunjukkan nilai berupa tegangan von mises , displacement , dan safety factor dalam bentuk gradasi warna yang berbeda sehingga akan lebih mudah dipahami. Berikut merupakan tampilan dari Solidworks Simulation ditunjukkan seperti Gambar 3.
Gambar 3. Solidworks Simulation

## 2.3.   Alur Penelitian
Diagram alir penelitian yang dilakukan tersaji  pada Gambar 4.
Gambar 4. Diagram Alir Penelitian

## 2.3.1.  Pengumpulan Data
Data-data yang diperlukan pada penelitian ini meliputi data model, material, dan berat miniatur diperoleh dari RRM Handycraft, Solidworks Toolbox, dan melakukan pengukuran langsung pada miniatur. Tipe miniatur bus yang digunakan dalam penelitian ini adalah model Jetbus 2 produk RRM Handycraft dan hasil dari pengukuran diperoleh  data berat kabin bus sebesar 2,6 kg. Data tersebut dijadikan acuan untuk menganalisis beban yang diterima oleh rangka sidemember sasis. Proses  pengukuran berat kabin miniatur bus dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar 5. Proses Pengukuran Berat Miniatur

## 2.3.2.  Proses Simulasi
Proses  simulasi  FEA  dilakukan  pada  model  3D  miniatur  sasis  bus  skala  1:19  menggunakan Solidworks Simulation dengan pembebanan statis.  Tahapan awal yang dilakukan dalam proses  simulasi adalah  menggambar  miniatur  sasis  bus  yang  dengan  menggunakan  aplikasi Solidworks 2018.  Dalam pembuatan  gambar  tersebut,  geometri frame sasis  yang  digunakan  mengacu  pada  data  hasil  studi literatur dan pengamatan langsung pada miniatur frame sasis yang ada. Material yang digunakan dalam pembuatan  miniatur  sasis  bus  ini  adalah PLA dan  untuk  komponen  berulir  menggunakan  material  AISI 1020. Pada proses simulasi menggunakan tumpuan pada titik roda miniatur dengan pembebanan pada dua sidemember , posisi tumpuan dan pembebanan terlihat Gambar 6.

## Gambar 6. Titik Tumpuan (atas) dan Pembebanan (bawah)

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Langkah  pertama  yang  dilakukan  dalam  penelitian  ini  adalah  menghitung  beban  yang  akan diterima oleh miniatur sasis bus, dimana hasil pengukuran diperoleh data bahwa massa  kabin miniatur sebesar 2,6 kg sehingga load kabin miniatur yang akan digunakan dalam perhitungan sebesar 25,506 N yang ditumpu oleh dua buah side member atau sebesar 12,753 N tiap side member . Pengujian dilakukan menggunakan aplikasi Solidworks 2018 dengan mengasumsikan beban yang diterima oleh miniatur sasis bus adalah beban merata. Dalam pengujian ini, struktur miniatur sasis bus didiskritisasi  menjadi 98071 nodal dan 52487 elemen. Dari hasil pengujian diperoleh hasil distribusi tegangan pada miniatur sasis bus seperti terlihat pada Gambar 7.
Gambar 7. Hasil Analisis Tegangan Von Mises
Hasil pengujian yang dilakukan pada miniatur sasis bis didapatkan nilai yang tegangan maksimum sebesar  9,628  MPa  terjadi  pada part  screw M4x0.7x35  yang  terletak  pada  bagian  belakang  sasis  yang berfungsi  untuk  menyambung frame dengan  dudukan  bawah  yang  ditunjukkan  pada  Gambar  8a. Distribusi  tegangan  maksimum  pada  struktur  rangka frame sasis  akibat  beban  vertikal  y  terjadi  pada rangka frame sasis bagian rear overhang sebesar 2,407 MPa seperti tersaji pada Gambar 8b. Komponen screw M4x0.7x35 yang digunakan dalam miniatur menggunakan material AISI 1020 steel yang memiliki tegangan luluh sebesar 351,571 MPa sehingga tegangan yang terjadi pada part screw memiliki nilai lebih kecil  dibandingkan  tegangan  luluh  materialnya.  Selain  itu  komponen screw M4x0.7x35  memiliki  nilai factor  of  safety sebesar  36,51.  Sedangkan  material  pada frame sasis  terbuat  dari  material  PLA  yang memiliki tegangan luluh sebesar 70 MPa. Tegangan yang bekerja pada frame sasis lebih kecil dari nilai tegangan luluh PLA dengan nilai factor of safety sebesar 29,08.
Gambar 8.(a) Daerah Tegangan Maksimum, (b) Tegangan Pada Frame Sasis
Desain sidemember sasis tipe ladder frame yang digunakan pada miniatur sasis bus menggunakan channel bentuk C ( open channel section ) sehingga sangat baik dalam hal kekuatan lentur dan kekakuan ( bending strength dan stiffness ) sehingga distribusi tegangan yang terjadi sangatlah kecil. Nilai factor of safety yang  dihasilkan  oleh  komponen screw M4x0.7x35  dan frame sasis  sebesar  36,51  dan  29,08 membuktikan  bahwa  desain  dan  material  yang  digunakan  dalam  pembuatan  miniatur  sasis  bus  dapat dikatakan aman, karena suatu desain dapat dikatakan gagal jika factor of safety < 1  [9] . Pada  struktur  rangka frame sasis  menerima  tegangan  juga  mengalami  defleksi  akibat  beban vertikal yang diberikan oleh miniatur kabin bus. Bagian yang terdefleksi terjadi pada rangka frame sasis bagian front overhang , wheel base , dan rear overhang. Nilai defleksi maksimum terjadi pada rangka frame sasis terjadi pada bagian rear overhang sebesar 0,7696 mm yang ditunjukkan pada Gambar 9. Sedangkan nilai defleksi terjadi pada bagian front overhang (δFOH) sebesar 0,1283 mm dan pada bagian wheel base (δWB) sebesar 0,1924 mm.
Gambar 9. Defleksi Maksimum Pada Rear Overhang
Kekauan  miniatur  sasis  bus  dengan  bahan  PLA  bisa  dikatakan  cukup  baik,  hal  ini  ditunjukkan dengan  nilai  defleksi  yang  terjadi  pada  masing-masing  bagian frame sasis  tidak  begitu  besar.  Selain pemilihan profil rangka berbentuk C ( open channel section ) juga menunjang kekuatan frame sasis karena memiliki kekakuan yang cukup baik. Disisi beban dan tegangan yang diterima, miniatur casis bus hanya menerima beban kabin sebesar 25,506 N dengan tegangan maksimum sebesar 2,407 MPa. Hal ini sesuai dengan teori bahwa faktor yang mempengaruhi terjadinya defleksi pada suatu batang adalah kekakuan batang dan nilai beban yang diberikan  [10].
Berdasar  hasil  pengujian  yang  telah  dilakukan  dapat  dijadikan  dasar  sebagai  acuan  dalam melakukan  perbaikan  dan  modifikasi  selanjutnya,  baik  terkait  beban  yang  diterima  maupun  modifikasi desain  miniatur  sasis  bus.  Miniatur  sasis  bus  yang  diuji  merupakan  desain  dasar,  dimana  hanya diasumsikan menerima beban dari kabin yang ditopang. Selanjutnya akan dikembangkan miniatur sasis bus dengan menggunakan motor penggerak atau remote control sehingga miniatur sasis akan menerima
beban yang bervariasi. Hasil pengujian juga digunakan sebagai dasar pengembangan miniatur sasis bus hasil 3D printing dengan material thermoplastic selain PLA.

## 4. SIMPULAN
Berdasarkan  hasil  penelitian  yang  telah  dilakukan  pada  komponen  miniatur  sasis  bus  dengan metode elemen hingga diperoleh kesimpulan bahwa tegangan maksimum pada miniatur sasis bus terjadi pada  bagian screw M4x0.7x35  sebesar  9,628  MPa  dengan  material  AISI  1020 steel dan  tegangan  yang terjadi  pada frame sasis  dengan  material Polylactic  Acid sebesar  2,407  MPa.  .  Sedangkan  defleksi maksimum pada miniatur sasis bus terjadi pada bagian sidemember sasis bagian rear overhang sebesar 0,7696 mm.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]. M. Susanto, Diksi Rupa, Yogyakarta: Kanisius, 2002.
[2].   Poerwadarminta, Kamus Besar Bahasa Indonesia, Jakarta: Balai Pustaka, 1993.
[3].   D. Yagnik, "Fused Deposition Modeling – A Rapid Prototyping Technique for Product Cycle Time," IOSR Journal of Mechanical and Civil, pp. 62-68, 2014.
[4].   F. Gorski, W. Kuczko and R. Wichniarek, "Impact Strength of ABS Parts Manufactured Using," Archieves of Mechanical Technology and Automation, vol. 34, no. 1, pp. 3-12, 2014.
[5].   K. S. Putra and U. R. Sari, "Pemanfaatan Teknologi 3D Printing Dalam Proses," in Seminar Nasional Sistem Informasi dan Teknologi Informasi 2018 , Pontianak, 2018.
[6].   N. Ghazaly, "Applications of Finite Element Stress Analysis of Heavy Truck Chassis: Survey and Recent Development," Journal of Mechanical Design and Vibration, vol. II, no. 3, pp. 69-73, 2014.
[7].   P. Zur,  A. Kolodziej, and A. Baier, "Finite Elements Analysis of PLA 3D-printed Elements and Shape," European Journal of Engineering Science and Technology, vol. II, no. 1, pp. 59-64, 2019.
[8].   S.  Killi  and  A.  Morrison,  "Fea  and  3D  Printing,  the  Perfect  Match," International  Journal  of Mechanical Systems Engineering, vol. I, pp. 1-7, 2016.
[9].   Z. Abidin and B. R. Rama, "Analisa Distribusi Tegangan Dan Defleksi Connecting Rod Sepeda Motor 100 CC Menggunakan Metode Elemen Hingga," Jurnal Rekayasa Mesin, vol. XV, no. 1, pp. 30-39, 2015.
[10]. Basori,  Syafrizal  and  Suharwanto,  "Analisis  Defleksi  Batang  Lentur  Menggunakan  Tumpuan  Jepit Dan Rol Pada Material Alumunium 6063 Profil U Dengan Beban Terdistribusi," Jurnal Konversi Energi dan Manufaktur UNJ, vol. I, pp. 50-58, 2015.