Journal of Mechanical Design and Testing 2(1), (2020), 37-45 DOI: http://dx.doi.org/10.22146/jmdt.v2i1.53510 e-ISSN: 2685-8029, ISSN: 2716-1293
Studi Eksperimental Micro Deep Drawing Sistem Pneumatik dan Analisis Cacat Pada Material Brass 70/30
R. Diwihagso * dan M. Mahardika
Departemen Teknik Mesin dan Industri, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada Jalan Grafika No. 2 Yogyakarta 55281 Telp. +62-274-521673 E-mail: * 1 montevinar@gmail.com

## Abstrak
Microforming adalah merupakan  salah satu  teknologi  kunci  untuk  tren  miniaturisasi  produk  di bidang industri. Teknologi Micro deep drawing memiliki banyak keunggulan seperti kemampuan untuk mengolah logam dengan potensi produksi masal, kualitas produk yang tinggi dan fabrikasi produk logam 3D yang lebih rumit. Penelitian ini bertujuan untuk membuat cup dari material brass untuk  dianalisis  kedalaman cup dan  cacat  akibat  di  pengaruh  besarnya  tekanan  dan kecepatan punch dalam proses micro deep drawing . Studi eksperimental ini meliputi tahap persiapan material brass C26000  yang  berupa  lembaran  dipotong  menjadi  strip  untuk  dibuat blank , pembuatan specimen untuk tensile test dan mikrostruktur, membuat desain punch dan die untuk di manufaktur, eksperimen proses micro deep drawing dari blank menjadi bentuk cup dan analisis cacat, data kedalaman cup , prosentase penipisan dinding cup dari hasil eksperimental. Dalam studi ini telah dilakukan ekperimental dengan variasi tekanan kompresor angin sebesar 2, 4, 6 Bar dan kecepatan drawing sebesar 20 mm/s, 40 mm/s, 60 mm/s. Kesimpulan studi eksperimental ini adalah    proses micro  deep  drawing telah  dilakukan  telah  menghasilkan cup dengan  kedalaman optimum pada tekanan 2 bar dengan kecepatan 40 mm/s didapatkan Hl = 2,595 mm dan Hs =2,265 mm. Hasil tersebut merupakan hasil terbaik karena tidak terdapat cacat pada sisi dinding maupun bawah cup .
Kata kunci : micro deep drawing, punch dan die, tekanan dan kecepatan.

## Abstract
Microforming is one of the key technologies for product miniaturization trends in the industrial field. Micro deep drawing technology has many advantages such as the ability to process metals with mass production potential, high product quality and fabrication of more complicated 3D metal products. This study aims to make a cup from brass material to be analyzed for cup depth and defects due to the influence of the amount of pressure and punch  velocity  in  drawn  blanks.  This  experimental  study  includes  the  preparation  phase  of  C26000  brass material  in  the  form  of  sheets  cut  into  strips  to  be  made  blank,  making  specimens  for  tensile  tests  and microstructures,  making  punch  and  die  designs  for  manufacturing,  experimenting  with  micro  deep  drawing processes from blanks to cup shapes and defect analysis, cup depth data, percentage of cup wall depletion from experimental results. In this study, an experimental variation of angina compressor pressure of 2, 4, 6 Bar and drawing velocity of 20 mm/s, 40 mm/s, 60 mm/s has been carried out. The conclusion of this experimental study is that the process of micro deep drawing has been carried out to produce a cup with optimum depth at 2 bar pressure with a velocity of 40 mm / s obtained Hl = 2.595 mm and Hs = 2.265 mm. These results are the best results because there are no defects on the sides of the wall or under the cup.
Keywords : micro deep drawing, punch dan die, pressure dan velocity.

## 1. PENDAHULUAN
Pasar  global  untuk  sistem  mikro-elektromekanis,  yang  mencakup  produk-produk seperti airbag system , display system dan kartrid inkjet berjumlah $ 62 juta pada tahun 2006 menurut Global MEMS / Microsystems Markets and Opportunities , sebuah laporan penelitian dari SEMI dan diperkirakan akan mencapai $ 138 juta pada 2019. Dalam beberapa tahun terakhir permintaan akan  komponen  mikrometalik  terus  menerus  meningkat  bersamaan  dengan  pesatnya perkembangan mikroelektronika, teknologi mikrosistem, energi baru, dan biomedis.
Gambar 1. Perkiraan pasar produk tertentu dengan komponen mikro (sumber : https://semiengineering.com/health-growth-ahead-in-mems, 17 juni 2019)
Menurut  Fu  dan  Chan  (2013)  perkembangan  cepat  miniaturisasi  produk  telah mendorong  penelitian  signifikan  di  bidang microforming ,  terutama  dalam  produksi  komponen mikro untuk mengurangi berat dan volumenya. Berbeda dari proses pembentukan dalam skala makro, perilaku deformasi material dalam proses pembuatan mikro tidak dapat hanya dipahami dengan  pengetahuan  tradisional  karena  efek  skala  mikro.  Karena  itu,  untuk  memberikan pemahaman  yang  mendalam  tentang  perilaku  material  dalam  deformasi  plastis  dalam  skala mikro banyak upaya  telah  dilakukan  dalam proses microforming khas  seperti micro deep  drawing, blanking, bulging, stamping, forging .
Menurut Sridhar dkk (2015) faktor penting dalam proses pembentukan mikro adalah Blank holder force (BHF) dan optimisation BHF, Punch force dan Punch  velocity , Friction, Blankshape, Forming Limits, Stress dan Strain Distribution, Thickness variation, Defects. Kekuatan blank holder yang optimal  sangat penting  dalam pembentukan produk micro  deep  drawing dengan  kualitas  tinggi. Kerutan dan fraktur akan terjadi ketika gaya blank holder yang diberikan terlalu kecil atau terlalu tinggi untuk kecepatan drawing yang diberikan. Batas atas awal tekanan yang diijinkan blank holder meningkat dengan meningkatnya kecepatan punch . Koefisien gesekan dalam micro deep drawing menurun dengan meningkatnya kecepatan punch seperti yang diketahui pada deep drawing makro sehingga  pengaruh  koefisien  gesekan  tergantung  kecepatan punch (Vollertsen  dkk,  2004). Misalnya,  dalam pembentukan tembaga, tepi cup akan berkerut ketika BHF kurang dari 4,2 N dan ketika BHF lebih tinggi dari 5,6 N  bagian bawah cup akan retak. Dalam penelitian Irthiea dkk (2014) pengaruh kondisi gesekan dipelajari melalui simulasi numerik dengan menggunakan
model  gesekan  Coulomb  dengan  nilai  yang  berbeda  secara  terpisah  untuk  setiap  koefisien gesekan  pada  bagian antarmuka blank/holder, blank/rubber  dan blank/contact  punch  . Mengenai efek koefisien gesekan (µBH) pada antarmuka blank/holder , nilai-nilai 0 dan 0,25 didefinisikan untuk koefisien gesekan pada bagian blank/rubber dan antarmuka blank/punch . Pada penelitian Saotome  dkk  (2001) tentang drawability dilakukan  menggunakan  baja  lembaran  sangat  tipis dengan ketebalan 0,05, 0,1, 0,2 dan 1,0 mm. Diameter punch Dp berkisar 0,5 hingga 40 mm. Diameter punch relatif terhadap ketebalan Dp/t dipilih sebagai parameter eksperimental penting dan dipilih dari 10 hingga 100. Drawability dievaluasi, dan hukum kesamaan dalam deep drawing adalah telah  diperiksa. Dan hasilnya adalah sebagai berikut: (1) dalam rentang dari Dp / t = 10 hingga 100, LDR β = Ds / Dp berkurang dengan meningkatnya Dp/t, (2) hukum persamaan dari deep drawing logam tipis adalah diadaptasi dalam kisaran di atas Dp / t = 40. Mekanisme drawing di bawah Dp / t = 20 harus berbeda dari Dp/t di atas 40., (3) Untuk Dp / t = 10 dan Rd / t = 5,0, yang dominan adalah bending mekanisme pembentukan karena efek tekanan blank holder pada drawability ditemukan  minimal  dan  tekanan  tidak  berpengaruh  pada  kerja  materi selama paruh kedua proses drawing.
Untuk menghasilkan komponen mikro dengan fitur yang lebih kompleks dan standar kualitas dan fungsionalitas yang tinggi di perlukan penelitian dan  pengembangan proses micro forming yang terbaru dan inovatif sehingga  dapat memenuhi permintaan pasar.

## Gambar 2. Micropart industri
Teknologi micro  deep  drawing memiliki  banyak  keuntungan  seperti  kemampuan  untuk mengolah logam metal dengan potensi produksi masal, kualitas produk yang tinggi dan fabrikasi produk logam 3D yang lebih kompleks.
Metode pembentukan logam mikro dengan material lembar tipis dengan sistem pneumatik belum banyak  dilakukan.  Proses micro deep drawing dari logam tipis  dapat  diekstrusi pada suhu ruangan tanpa mengurangi kualitas permukaan cup dengan proses micro deep drawing pneumatik. Selama proses micro deep drawing pneumatik dengan kondisi tekanan dan kecepatan drawing sangat berpengaruh terhadap perilaku deformasi brass . Penelitian ini bertujuan untuk membuat cup dari material brass untuk dianalisis kedalaman cup dan cacat akibat di pengaruh besarnya tekanan dan kecepatan punch dalam proses micro deep drawing .

## 2. METODE PENELITIAN
Tahapan  studi  ini  adalah  persiapan  dan  pemilihan  material brass yang  digunakan, kemudian dilanjutkan dengan proses pembuatan blank , proses pembuatan spesimen untuk di uji tarik, dan proses pembutan cup dengan mesin micro deep drawing pneumatik . Material brass yang digunakan  adalah  berupa  lembaran brass 70/30  ( Yellow  brass  sheet dari  Nilaco  Corp)  dengan ketebalan 300 μm sesuai dengan ASTM B 36/B 36M – 06.
Tabel 1. Komposisi material brass ASTM B 36/B 36M – 06 UNS No. Copper Lead Iron Zinc C26000 68,5-71,5   0,07 max 0,05 max remainder
Lembaran brass dipilih yang baik dengan tidak tertekuk dan tergores. Brass kemudian di potong menjadi strip-strip dilanjutkan dengan proses pembuatan blank dengan diameter 6 mm. Pembuatan blank dilakukan  dengan  mesin micro  punching pneumatik.  Kemudian  dilakukan penyotiran kembali guna memilih blank yang tidak terdapat kerusakan maupun cacat tekukan maupun berbentuk oval yang disebabkan karena proses blanking .
Gambar 3. (a) blank baik , (b) blank rusak
Selain membuat blank juga dilakukan pembuatan specimen untuk pengujian tarik . Uji tarik material Brass 70/30 dilakukan untuk untuk mendapatkan mechanical properties, antara lain nilai UTS (Ultimate Tensile Strength ) material yang akan dilakukan proses drawing . Nilai pengujian tarik ini akan digunakan untuk perhitungan menentukan tegangan maksimum yang dibutuh pada proses drawing . Selain itu untuk mendapatkan nilai regangan yang terjadi akibat uji tarik untuk menentukan kedalaman drawing maksimun.
Gambar 4. (a) specimen uji tarik , (b) diagram hasil uji tarik
a b
Dari pengujian diagram uji tarik didapatkan hasil seperti pada Tabel 2. berikut :
Tabel 2. Hasil uji tarik material brass dengan ketebalan 300 µm
No  Kode Teg. Luluh  y (MPa) Teg. Max  u (MPa)  Regangan  (%) 1. T0.3-1 224,90 408,11 34,52 2. T0.3-2 230,42 409,64 38,28 3. T0.3-3 226,36 391,96 29,12 Rerata   227,22 403,23 33,97 * T0.3-1 adalah kode uji tarik sampel ke-1 dengan tebal 0,3 mm Proses micro deep drawing di awali dengan meletakkan blank pada die . Dengan tekanan dan kecepatan tertentu punch turun kebawah mendekati blank dan kemudian blank holder menekan blank dan punch mendorong tengah bagian blank sehingga membentuk sebuah cup . Setelah cup terbentuk punch ditarik keatas oleh gaya tarik dari pneumatik. Kemudian cup dianalisis dengan mengukur  tinggi cup maksimum  dan  minimum  serta  cacat  yang  terjadi  akibat  proses drawing dengan  menggunakan  kamera  dinolite.  Proses  ini  dapat  di  ilustrasikan  dengan  6  tahapan skematis seperti Gambar 6 berikut ini :
Gambar 5. Mesin micro deep drawing pneumatik
Gambar 6. (a) Skema micro deep drawing (Jiang, 2016) (b) Peletakan blank pada die SC 160 x 100 R Punch Die Connector Frame Spring Guide Blank Springs Blank Holder Die Punch a b
Gambar 7. Cup hasil proses micro deep drawing pneumatik
Pada  ekperimen  ini  tidak  memakai chussion/pad dan mengunakan  kombinasi  tekanan dengan kecepatan punch dalam mendorong blank untuk menghasilkan cup. Kombanasi variabel tekanan 2 bar dengan kecepatan 20 mm/s, 40 mm/s, 60 mm/s, tekanan 4 bar dengan kecepatan 20 mm/s, 40 mm/s, 60 mm/s dan tekanan 4 bar dengan kecepatan 20 mm/s, 40 mm/s, 60 mm/s.
Tabel 3. Kondisi ukuran saat penelitian Kondisi Material Brass 70/30 Satuan Tebal blank 300 µm Diameter Punch 3,15 mm Diameter Die 3,94 mm Diameter Blank 6,00 mm Drawing Ratio 1,90 Gaya blank holder 67,88 N Suhu die and blank holde r Suhu ruangan °C Tekanan 2 4 6 Bar Kecepatan punch 20 40 60 mm/s

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Tinggi cup dalam  proses micro  drawing dapat  disebabkan  oleh  adanya  kecepatan  dan tekanan punch . Tumbukan yang terjadi antara punch dengan blank. Untuk menghentikan laju punch yang  bergerak  maka blank timbul  gaya  yang  cukup  untuk  untuk  menghilangkan  energi kinetiknya,  sehingga  memperpanjang  ketinggian cup yang  didorong punch selama  tumbukan sehingga mengurangi gaya tumbukan rata-rata. Bentuk cup yang terjadi adalah bentuk redaman dari energi kinetik yang terjadi. Bertambahnya kecepatan akan menghasilkan energi kinetik yang lebih besar dan semakin besar gaya yang dibutuhkan untuk menghentikannya, sehingga akibat yang  ditimbulkannya  semakin  dalam cup. Hasil  dari  penelitian  ini  dapat  dilihat  pada  grafik Gambar 8, 9, dan 10.

## Gambar 8. Grafik kecepatan tehadap kedalaman pada tekanan 2 bar
Kondisi final pada pengujian micro deep drawing memenuhi kriteria apabila kedalaman cup lebih dari setengah dari diameter cup . Pada Gambar 8 saat tekanan 2 bar kecepatan drawing 20 mm/s didapatkan Hl = 2,620 mm dan Hs = 2,116 mm, kecepatan 40 mm/s didapatkan Hl = 2,595 mm dan Hs =2,265 mm  dan kecepatan 60 mm/s didapatkan Hl = 2,519 mm dan Hs = 2,089 mm. Berdasarkan hasil Gambar 8 pada tekanan 2 bar maka kecepatan optimum untuk menghasilkan cup yang baik adalah kecepatan 40 mm/s.
Gambar 9. Grafik kecepatan tehadap kedalaman pada tekanan 4 bar
Pada Gambar 9 saat tekanan 4 bar kecepatan drawing 20 mm/s didapatkan Hl = 2,542 mm dan Hs = 1,915 mm, kecepatan 40 mm/s didapatkan Hl = 2.539 mm dan Hs =  1,832 mm  dan kecepatan 60 mm/s didapatkan Hl = 2,614 mm dan tinggi cup Hs = 2,007 mm. Hasil Gambar 9 menunjukan bahwa untuk tekanan 4 bar kecepatan optimum untuk menghasilkan cup yang baik adalah kecepatan 60 mm/s
2.116 2.620 2.265 2.595 2.089 2.519 1.70 1.90 2.10 2.30 2.50 2.70 2.90 10 20 30 40 50 60 70 K edal am cu p (m m ) Kecepatan (mm/s) Hs Hl 1.915 2.542 1.832 2.539 2.007 2.614 1.50 1.70 1.90 2.10 2.30 2.50 2.70 2.90 10 20 30 40 50 60 70 K edal am cu p (m m ) Kecepatan (mm/s) Hs
Hl

## Gambar 10. Grafik kecepatan tehadap kedalaman pada tekanan 6 bar
Pada Gambar 10 saat tekanan 6 bar kecepatan drawing 20 mm/s didapatkan Hl =  2,666 mm dan Hs =  2,040 mm, kecepatan 40 mm/s didapatkan Hl =  2,607 mm dan Hs = 2,133 mm dan kecepatan 60 mm/s didapatkan Hl =  1,925 mm dan Hs = 2,007 mm. Berdasarkan hasil Gambar 10 bahwa untuk tekanan 6 bar kecepatan optimum untuk menghasilkan cup yang baik adalah kecepatan 20 mm/s.
Dari hasil pengamatan dapat dibuat tabulasi cacat yang di sebabkan oleh proses micro deep drawing . Dari semua benda uji tidak terdapat wrinkling dan tearing hal ini disebabkan karena tebal blank adalah 300 µm.
Tabel 4. Kondisi cup setelah proses micro deep drawing
Tekanan (Bar) Kecepatan (mm/s) Defect Wrinkling Earing Tearing 2 bar 20 × × × 40 × × × 60 × × × 4 bar 20 × × × 40 × o × 60 × o × 6 bar 20 × o × 40 × o × 60 × o × × = tidak terjadi O =  terjadi
2.040 2.666 2.133 2.612 1.925 2.607 1.70 1.90 2.10 2.30 2.50 2.70 2.90 10 20 30 40 50 60 70 K edal am cu p (m m ) Kecepatan (mm/s) Hs Hl

## 4. KESIMPULAN
Dari hasil pengujian dapat disimpulkan bahwa kecepatan dan tekanan sangat berpengaruh terhadap kedalaman cup . Perpaduan tekanan dan kecepatan dapat menghasilkan bentuk cup yang baik pada kondisi tekanan 2 bar dengan kecepatan 40 mm/s  dengan kedalaman maksimum 2,595 mm  dan kedalaman minimum 2,265 mm sehingga selisihnya 0,33 mm sehingga relatif lebih rata. Cup yang baik adalah tidak terdapat kerusakan pada dinding dan bagian bawah cup . Radius punch sangat  berpengaruh  sekali  terhadap  kerusakan  yang  akan  terjadi  pada radii  cup . Kerusakan akibat dari proses drawing terjadi akibat blank holder force terlalu rendah sehingga blank yang dibentuk menjadi cup menjadi earing. Kondisi paling kritis terjadi pada daerah radii dari cup , karena di daerah tersebut terdapat dua kombinasi tegangan radial dan tegangan tangensial yang harus dijaga secara seimbang.

## 5. DAFTAR PUSTAKA
Fu, M. W., Chan. W. L,. 2013 A review on the state-of-the-art microforming technologies, Int J Adv Manuf Technol 67:2411 – 2437. Https://semiengineering.com/health-growth-ahead-in-mems, 17 juni 2019 Irthiea,  Ihsan  Khalaf  (2014)  Process  analysis  and  design  in  micro  deep  drawing  utilizing  a flexible die. PhD thesis.
Luo.L, Jiang.Z, Wei.D, . Manabe. K.I, Sato.H, He.X, Li.P., 2015, An experimental and numerical study of micro deep drawing of SUS304 circular cups.
Saotome.Y, Yasuda.K, Kaga.H., 2001, Microdeep drawability of very thin sheet steels, Journal of Materials Processing Technology 113, page 641-647.
Sridhar R., Inbarasan S., Ramkumar R., Shankar S., Review on micro deep drawing process for thin foil materials, International Journal of Innovations in Engineering and Technology (IJIET). Vollertsen,F., Hu,Z., Niehoff,H. , Schulze,H., Theiler,C., vol. 151, pp. 70-79, 2004, State of the art  in  micro  forming  and  investigations  into  micro  deep  drawing, Journal  of  Materials Processing Technology .