## Analisis desain stamping die menggunakan FTI forming suite

## Nanang Ali Sutisna, Vicky Gufron Afandi
Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Presiden Jl. Ki Hajar Dewantara, Jababeka Education Park, Cikarang, Bekasi 17550 Email korespondensi: nanang.ali@president.ac.id

## Abstrak
Kajian ini dilakukan pada desain stamping die untuk salah satu komponen bodi mobil menggunakan perangkat lunak FTI Forming Suite. Pada umumnya, proses rancang bangun stamping die yang terdapat di perusahaan, diamati  melibatkan  tujuh  hingga  sepuluh  percobaan  sebelum  mendapatkan  die  yang  dapat  diterima,  yang akibatnya  meningkatkan  biaya  die.  Dengan  menggunakan  perangkat  lunak,  diharapkan  jumlah  percobaan berkurang karena desain dianalisis terlebih dahulu untuk mengidentifikasi cacat yang tidak diinginkan dalam proses stamping, seperti kerut, robek, dan springback. Tahapan kajian dimulai dengan membandingkan komponen hasil  stamping  dengan  desainnya.  Dengan  menggunakan  pemindai  3D,  geometri  komponen  diperoleh  dan dibandingkan  dengan  model  CAD  3D  asli  untuk  memeriksa  penyimpangan  komponen  dari  desain  aslinya. Perbandingan  antara  komponen  hasil  stamping  dengan  desain  asli  menunjukkan  ketidaksesuaian.  Hal  ini kemungkinan  besar  karena  desain  telah  dimodifikasi  untuk  mencegah  cacat  stempel.  Selanjutnya,  desain  asli disimulasikan dengan menerapkan gaya blank holder sebesar 109,7 kN. Simulasi pertama pada komponen desain asli menunjukkan bahwa thickness strain sebesar -14,4% dan memiliki kecenderungan kerutan yang kuat. Oleh karena itu, desain dimodifikasi, kemudian dilakukan simulasi lagi pada desain komponen yang dimodifikasi ini. Modifikasi terutama difokuskan pada radius sudut yang diperlukan, juga pada gaya blank holder menjadi 129,2 kN untuk mencegah kerutan dan mengurangi springback. Simulasi kedua menghasilkan formability yang baik, ditunjukkan dengan forming limit diagram (FLD), zona aman, dan springback yang lebih baik, meskipun thickness strain  minimum  meningkat  menjadi  -19,2%.  Jadi,  dengan  menggunakan  simulasi  perangkat  lunak,  geometri cetakan yang benar dapat diperoleh sebelum pembuatan cetakan untuk menghindari biaya modifikasi die yang tidak  perlu  selama  proses  percobaan.  Selain  itu,  jumlah  percobaan  dapat  diminimalkan,  sehingga  lead  time produksi stamping dies menjadi lebih singkat.
Kata kunci : komponen bodi mobil, desain, software simulasi, stamping.

## Abstract
This study was conducted on stamping die design for one of the car body parts using the FTI Forming Suite software. In general, the design process of existing stamping dies in the observed companies involves seven to ten trials before obtaining an acceptable die, which consequently increases the cost of the die. By using the software, it is expected that the number of trials will be reduced because the design is analyzed first to identify unwanted defects in the stamping process, such as wrinkles, splits, and springbacks. The study begins by comparing the stamped parts with  the design. Using a 3D scanner, the geometry of the parts is obtained and  compared to a original 3D CAD model to check for deviations of the parts from the original design. Comparison between the stamped  parts  and  the  original  design  shows  discrepancies.  This  is  most  likely  because  the  design  has  been modified to prevent stamping defects. Furthermore, the original design is simulated by applying a blank holder force of 109.7 kN. The first simulation on the original design showed that the thickness strain was -14.4% and had a strong wrinkling tendency, therefore the modified design was then simulated again on this modified part design. Modifications mainly focused on the essential corner radius, as well as on the blank holder force to 129.2 kN to prevent  wrinkling  and  reduce  springback.  The  second  simulation  produces  good  formability  as  shown  by  the forming  limit  diagram  (FLD),  safety  zone,  and  better  springback,  even  though  the  minimum  thickness  strain increases to -19.2%. Thus, by using simulation software, the correct die geometry can be obtained prior to die making to avoid unnecessary die modification costs during the trial run. In addition, the number of trials can be minimized so that the lead time for stamping dies production is shortened.
Keywords: autobody part, design, software simulation, stamping.

## 1. Pendahuluan
Seiring  dengan  berkembangnya  industri  otomotif  di Indonesia,  permintaan  akan  industri  suku  cadang mobil  semakin  meningkat,  termasuk  suku  cadang kendaraan  bermotor.  Namun,  banyak  perusahaan
stamping bodi  mobil  di  Indonesia  melakukan pengujian langsung di mesin stamping selama analisis formabilitas  saat  menguji  cetakan  baru.  percobaan bisa  mencapai  tujuh  sampai  sepuluh  kali.  Setiap percobaan biasanya membutuhkan  tiga hingga tujuh kali  untuk  mengetahui  apakah  ada  cacat,  yang memakan waktu tiga hingga lima hari, tidak termasuk
waktu untuk modifikasi cetakan, yang mengakibatkan biaya,  waktu,  dan  sumber  daya  yang  lebih  tinggi. Cacat  umum  seperti  kerutan,  retak,  penipisan berlebihan, springback ,  dan  cacat  pembentukan lainnya  sering  terjadi  [1].  Geometri die memainkan peran  penting  dalam  mencegah  cacat,  khususnya radius  sudut  [1],[2].  Demikian  pula  parameter stamping seperti  gaya blank  holder berpengaruh signifikan terhadap hasil stamping [3]-[5]. Pengaruh variabel gaya blank holder pada sifat mampu bentuk telah dikaji sebelumnya [6].
Kajian  ini  dilakukan  untuk  mengetahui  model geometri CAD yang tepat untuk desain stamping die dengan memeriksa kemampuan bentuk menggunakan dua  model  geometri yang berbeda,  yaitu desain  asli dan  desain  yang  dimodifikasi.  Modifikasi  desain terutama  dilakukan  pada  sudut  radius.  Simulasi perangkat  lunak  dilakukan  pada  kedua  model  untuk memeriksa  terjadinya  cacat  dan  menemukan  cara untuk mencegahnya.

## 2. Metode
Tahapan  kajian  ini  dimulai  dengan  pemindaian  3D terhadap komponen hasil stamping untuk dibandingkan  dengan  model  asli  CAD  3D  dan dianalisis  penyimpangan.  Komponen  hasil stamping yang dipindai adalah komponen yang telah melewati proses quality  control ,  sehingga  tidak  ada  cacat. Langkah selanjutnya adalah melakukan simulasi pada model 3D  asli,  kemudian menganalisis sifat mampu bentuknya.  Jika  hasil  simulasi  menunjukkan  masih terdapat  cacat  sobek  atau  kerut  maka  komponen tersebut  selanjutnya  akan  dimodifikasi  dengan mengacu pada data geometri yang telah dipindai, dan disimulasikan  kembali  hingga  diperoleh  hasil  yang baik  tanpa  cacat  seperti  digambarkan  pada  diagram alir pada Gambar 1.
Gambar 1. Diagram alir.
Komponen  yang  digunakan  dalam  kajian  ini  adalah Backdoor  Reinforcement  Part (Gambar  2), menggunakan  material soft  steel SPCC440  ( Steel Plate Cold Coil ) dengan spesifikasi 1,60 x 496 x C x 209,5.  Ukuran  tersebut  menunjukkan  bahwa komponen  tersebut  memiliki  ketebalan  sebesar  1,6 mm dan lebar sebesar 496 mm dengan bentuk material gulungan dan jarak pitch adalah 209,5 mm.
Komponen  itu  dipindai  menggunakan 3D  scanner Einscan  Pro  2X.  Proses  pemindaian  dimulai  secara bertahap  dan  perlahan-lahan  berfokus  pada  area tertentu saat memindai seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 (c) berikut.
(a)
(b) (c)
Gambar 2 . Desain (a) komponen jadi, (b) komponen asli, dan (c) hasil pemindaian 3D.
Sebelum melakukan simulasi, gaya blank holder ( F bh ) perlu  diestimasi,  karena  diperlukan  untuk  input  ke perangkat lunak simulasi Forming Suite . Gaya blank holder ditentukan  secara  eksperimental  sebelumnya [7],  yang  merupakan  34%  dari  gaya  pembentuk. Koefisien gesekan dan jarak ruang ( clearance ) model seperti  yang  disarankan  [1],  tidak  termasuk  dalam perhitungan ini.
Gaya pembentukan dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan (1) berikut [8].
F p = Pl . t (σ y ) . sin θ (1) Persamaan  (1)  menunjukkan bahwa F p adalah  Gaya pembentukan  ( Forming  force ), Pl adalah  keliling blank , t adalah tebal pelat, σ y adalah kekuatan luluh, θ adalah sudut kontak antara plat dan profil die.
Keliling  ( Pl )  dihitung  dari  ukuran blank  sheet yang ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Blank sheet.
Berdasarkan  desain  yang  telah  tersedia,  yang  telah diulas sebelumnya, ketebalan material ( t ) adalah 1,6 mm. Material yang digunakan adalah SPCC 440 yang memiliki  kekuatan  luluh  ( σ y )  sebesar  245  MPa  dan kekuatan ultimate sebesar 440 MPa [9].
Karena  kerumitan  bentuknya,  diasumsikan  bahwa pembentukan  diterapkan  pada  seluruh  bagian komponen  dan  sudut  kontak  ( θ )  diambil  yang terbesar.  Oleh  karena  itu,  gaya  pembentuk  ( F p ) dihitung  menggunakan  Persamaan  (1)  dengan  luas yang ditunjukkan pada Gambar 3 dan sudut ( θ ) dari Gambar  4,  sehingga  gaya  pembentuk  ( F p )  didapat sebesar 322,91 kN.
Dengan demikian, gaya blank holder ( F bh ) yang akan digunakan  dalam  simulasi  dengan  perangkat  lunak Forming  Suite dihitung  berdasarkan  34%  dari  gaya pembentuk yaitu 109,7 kN.
Gambar 4. Gaya pembentuk F p (forming force).

## 3. Hasil dan Pembahasan
Pemindaian dilakukan
untuk memeriksa penyimpangan  antara  data  yang  dipindai  dan  data referensi yang merupakan model CAD 3D asli.
Sebelum  melakukan  analisis  deviasi,  yang  perlu dilakukan  adalah  melakukan  penjajaran  antara komponen  referensi  dan  komponen  yang  dipindai. Untuk memudahkan menemukan titik referensi, mesh hasil  pindaian  harus  diubah  menjadi  model permukaan ( surface model ) terlebih dahulu.
Analisis  deviasi  dilakukan  pada  perangkat  lunak CATIA  V5.  Pada  hasil  analisis  deviasi  (Gambar 5), terlihat  bahwa  deviasi  terbesar  adalah  sebesar  3,56 mm, deviasi part ini berasal dari scan part produksi aktual  di  perusahaan.  Dari  data  tersebut  dapat dikatakan  bahwa  geometri  komponen  aktual  (biru) dan gambar aslinya (kuning) berbeda.
Gambar 5 . Hasil analisis deviasi.
Penyimpangan  terbesar  terjadi  terutama  pada  lereng (lingkaran  putih)  yang  diduga  merupakan  hasil  dari springback .  Penyimpangan  terbesar  kedua  adalah pada  bagian  sudut  (lingkaran  merah),  di  mana komponen  aktual  memiliki  radius  sudut  yang  lebih besar,  yang  seharusnya  merupakan  modifikasi  dari desain awal untuk mengatasi keretakan atau kerutan selama uji coba.
Simulasi  analisis  pembentukan  pada  komponen  ini dilakukan  dalam  beberapa  tahap  yakni  Diagram forming  limit ,  Zona  aman, Thickness  strain ,  dan Springback [10].
Ringkasan atau summary laporan simulasi pada model asli  yang  dikeluarkan  oleh  perangkat  lunak  setelah simulasi selesai dapat dilihat pada Tabel 1 di bawah ini.
Hasil simulasi menunjukkan bahwa desain komponen ini memiliki kecenderungan berkerut yang tinggi. Hal ini  juga  ditunjukkan  pada  Diagram forming  limit (Gambar 7 (a)), di mana terdapat area besar dengan kecenderungan  kerutan  yang  kuat  (warna  biru)  dan area zona aman yang kecil (warna hijau). Oleh karena itu,  perlu  dilakukan  modifikasi  model  yang  akan menjadi acuan pembuatan dies .
Tabel 1. Ringkasan laporan simulasi.

## Summary
Safety (Safe/Marginal/Fail) Strong Wrinkle Tendency Minimum Thickness Strain -14,428 Eng. (%) Friction Coefficient 0,15 Tipping Vector 0,000, 0,000, 1,000
Mempertimbangkan  fakta  bahwa  komponen  hasil stamping yang  diproduksi  oleh  perusahaan  telah dimodifikasi  dari  desain  aslinya  seperti  yang diilustrasikan  pada  Gambar  5,  maka part untuk simulasi  akan  dimodifikasi  berdasarkan  temuan bahwa modifikasi akan dilakukan  pada radius sudut yang esensial.
Gambar  6  menunjukkan  perbandingan  antara komponen desain asli dan yang dimodifikasi, mereka saling  tumpang  tindih.  Perbedaan  antara  desain  asli dan komponen yang dimodifikasi ditampilkan dalam warna biru.
Gambar 6 . Desain part yang telah dimodifikasi.
Perubahan penting lainnya pada simulasi kedua juga terjadi  pada blank  holder  force ( F bh ).  Untuk mengurangi wrinkle dan springback ,  gaya blank holder ditingkatkan dari 34% menjadi 40% dari gaya Punch , jadi sekarang F bh menjadi 129,2 kN.
Diagram forming limit adalah salah satu ukuran yang paling  penting  dalam  menganalisis  hasil  simulasi stamping .
(a) (b) Gambar 7 . FLD desain part (a) orisinal dan (b) telah dimodifikasi.
Diagram forming  limit dari  komponen  desain  asli (Gambar  7  (a))  menunjukkan  sebagian  besar kecenderungan  kerut  yang  kuat,  sedangkan komponen  yang  dimodifikasi  (Gambar  7  (b)) didominasi  oleh  zona  aman  (warna  hijau)  dan  area kecenderungan kerutan yang lebih kecil (warna biru). Ada  juga  zona  penipisan  yang  sangat  kecil  (warna ungu) yang sampai batas tertentu dapat diabaikan.
Sesuai dengan diagram forming limit , plot zona aman mengonfirmasi  hasil  diagram forming  limit. Zona aman komponen desain asli ditunjukkan pada Gambar 8  (a)  dan  zona  aman  komponen  yang  dimodifikasi ditunjukkan  pada  Gambar  8  (b).  Komponen  yang dimodifikasi menunjukkan area yang lebih kecil pada zona Strong  Wrinkle  Tendency (warna  biru) dibandingkan dengan komponen desain aslinya.
Karena terjadinya tegangan pada material dan aliran material selama proses pembentukan, mengakibatkan penipisan atau penebalan material. Terlihat dari hasil rendering pada  Gambar  9,  ketebalan  material  dapat dibedakan dari warna, dengan warna hijau ketebalan material normal, sedangkan warna jingga kemerahan mengalami  pengurangan  ketebalan  material  secara ekstrim.
Thickness strain minimum pada komponen desain asli adalah  -14,4%,  sedangkan  pada  komponen  desain yang  dimodifikasi  adalah  -19,2%.  Oleh  karena  itu, ketebalan  minimum  komponen  yang  di- stamping berturut-turut adalah 1,37 mm dan 1,30 mm.
(a) (b) Gambar 8 . Hasil simulasi safety zone pada desain (a) orisinal dan (b) telah dimodifikasi.
Gambar 9 . Hasil simulasi thickness strain.
Untuk  memeriksa  penipisan  zona  tertentu  dari komponen  tersebut,  pengukuran  dilakukan  pada potongan dari komponen stamping aktual dari pabrik yang ditunjukkan pada Gambar 10.
Gambar 10. Perbandingan ketebalan part aktual dengan hasil simulasi.
Ketebalan komponen aktual diukur dan dibandingkan dengan hasil simulasi dan deviasi rata-rata dari kedua nilai tersebut adalah 3,85%, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel  2. Perbandingan  perubahan  ketebalan  pada  part aktual dan hasil simulasi.
Area No. Pengukur an ( mm ) Simulasi ( mm ) Deviasi ( mm ) Deviasi dari tebal awal 1 1,61 1,51 0,10 6,25% 2 1,59 1,58 0,01 0,63% 3 1,53 1,40 0,13 8,13% 4 1,50 1,49 0,01 0,63%
5 1,59 1,42 0,03 1,88% 6 1,45 1,37 0,08 5% 7 1,44 1,37 0,07 4,38% Deviasi rata-rata 0,06 3,85% S pringback ini terjadi akibat adanya gaya balik yang disebabkan oleh pengaruh elastisitas bahan pelat yang mengalami proses pembentukan [11]-[13]. Besarnya gaya balik ditentukan oleh modulus elastisitas bahan
[14],[15].  Dalam  proses  pembentukan  ini,  gaya springbac k  harus  diperhatikan.  Besarnya  defleksi springbac k  ditunjukkan  pada  Gambar  11.  Hasil springback pada  komponen  desain  awal  seperti terlihat pada Gambar 11 (a), menunjukkan terjadinya springback pada bidang miring dan bidang tekukan. Namun,  pada  komponen  yang  dimodifikasi,  area springback jauh lebih sedikit.
(a) (b)
Gambar 11. Hasil simulasi springback pada desain (a) orisinal dan (b) telah dimodifikasi.

## 4. Kesimpulan
Setelah  dianalisis  dengan  menggunakan  perangkat lunak,  terdapat  beberapa  kesimpulan  yang  dapat diambil  dari  hasil  analisis  dan  simulasi.  Data pemindaian  dari  komponen  hasil stamping aktual menunjukkan  bahwa  geometri  komponen  tersebut menyimpang dari model CAD asli. Ini menunjukkan bahwa telah terdapat satu atau lebih modifikasi yang dilakukan  pada stamping  die untuk  mendapatkan geometri komponen akhir yang diperlukan. Geometri akhir dies diperoleh setelah beberapa percobaan yang memakan waktu tiga sampai lima hari.
Simulasi  pada  model  CAD  asli  dengan  gaya blank holder sebesar  109,7  kN  menunjukkan  adanya kecenderungan  kerutan  yang  kuat  dengan  regangan ketebalan  minimum  -14,4%.  Oleh  karena  itu, diperlukan  simulasi  lain  pada  model  yang dimodifikasi.  Modifikasi  model  CAD  dilakukan dengan mengacu pada data hasil scan dari komponen hasil stamping aktual. Part yang  dimodifikasi disimulasikan dengan kekuatan blank holder sebesar 129,2  kN  untuk  mencegah  kecenderungan  kerutan yang kuat dan mengurangi springback . Hasil simulasi menunjukkan  hasil  yang  baik,  ditunjukkan  oleh diagram forming  limit , safety  zone ,  dan springback yang lebih baik, meskipun thickness strain minimum lebih besar -19,2%.
Dengan  melakukan  simulasi,  percobaan  dan modifikasi  geometri  dari  model  dilakukan  pada program  komputer,  sehingga  lebih  cepat  dan  tidak membutuhkan  bahan  baku.  Singkatnya,  desain stamping  die dapat  dibuat  lebih  cepat,  biaya  lebih rendah  dan  sumber  daya  lebih  sedikit,  jika menggunakan  simulasi  sebelum  membuat  cetakan baru.
Disarankan  agar  metode  uji  coba  saat  ini  di perusahaan mempertimbangkan untuk memanfaatkan perangkat lunak dan teknologi yang tersedia saat ini. Untuk  membuatnya  lebih  mudah  dan  lebih  cepat untuk menganalisis dan merancang cetakan baru.

## Daftar Pustaka
[1] P. Wu, Y. Wang, P. Wan, "Study on Simulation of  Stamping  Process  and  Optimization  of Process  Parameters  of  Fender",  Advances  in Materials  Science  and  Engineering,  Volume 2019, pp. 1-9.
[2] P.  Venkateshwar  Reddy,  S.  Hari  Prasad,  P.J Ramulu,  S.  Battacharya,  ,  &  D.S.  Guptha. “Effect of Geometries of Die/Blank Holder and Punch Radii in Angular Deep-Drawing Dies on DP Steel Formability.” Applied Mechanics and Materials, vol. 813–814, Trans Tech Publications, Ltd., Nov. 2015, pp. 269–273.
[3] H.  Gharib,  A.S.  Wifi,  M.  Younan,  A.  Nassef. Optimization  of  the  blank  holder  force  in  cup
drawing.  Journal  of  Achievements  in  Materials and  Manufacturing  Engineering  Volume  18, Issue 1-2, 2006, pp. 291-294
[4] M. Ahmetoglu, T.R. Broek, G. Kinzel, T. Altan. “Control  of  Blank  Holder  Force  to  Eliminate Wrinkling  and  Fracture  in  Deep-Drawing Rectangular  Parts”.  CIRP  Annals,  Volume  44,
Issue 1, 1995, pp. 247-250.
[5] Y.  Feng,  Z.  Hong,  Y.  Gao.  “Optimization  of variable  blank  holder  force  in  deep  drawing based  on  support  vector  regression  model  and trust  region”.  Int  J  Adv  Manuf  Technol  105,
2019, pp. 4265–4278
[6] W.Y.  Ma,  J.W  Yang,  Y.  Yao,  Y.Q.  Zhang,  J. Zhang.  “The  Analysis  on  the  Stamping Formability  of  High  Strength  Steel.”  Key Engineering  Materials,  vol.  885,  Trans  Tech
Publications, Ltd., May 2021, pp. 3–9
[7] S.  Thiruvarudchelvan,  and  W.  G.  Lewis,  Deep
Drawing With Blank Holder Force-
Approximately Proportional to the Punch Force, ASME, Vol. 112, August 1990, pp. 278-285
[8] S  Candra,  I  M  L  Batan,  W  Berata  and  A  S Pramono,  “Modeling  of  the  minimum  variable blank  holder  force  based  on  forming  limit diagram  (FLD)  in  deep  drawing  process”.  IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 273 012014, 2017.
[9] “Cold  Rolled  Steel  Sheet”.  JFE  Steel Corporation.  July 16, 2021 [Online]  Available: https://www.jfe-steel.co.jp/en/products/sheets/ catalog/b1e -002.pdf.
[10] “Fastform  Advance”.  Hexagon  Forming Technologies.  July  08  2021  [Online].  . Available:  https://www.forming.com/products/ formingsuite/fastform-advanced,
[11] Z.C.Xia  and  J.  Cao.  “Springback”.  The International
Academy for Production
Engineering,  Laperrière  L.,  Reinhart  G.  (eds) CIRP Encyclopedia of Production Engineering. Springer, Berlin, Heidelberg, 2014.
[12] Hama, Takayuki & Nagata, Takashi & Teodosiu, C. & Makinouchi, Akitake & Takuda, Hirohiko. “Finite-element  simulation  of  springback  in sheet metal forming using local interpolation for tool  surfaces”.  International  Journal  of Mechanical Sciences. 2008, pp.  175-192.
[13] A. Fallahiarezoodar, “Prediction And Reduction Of  Defects  In  Sheet  Metal  Forming”.    Ph.D. dissertation, Graduate Program in Industrial and Systems Engineerin, The Ohio State University,
USA, 2018.
[14] Mustahfirin, “Analysis of Springback
Phenomenon  On  Tailor  Welded  Blank  (TWB) stainless in U–Bending Process”. Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik., Universitas Muhammadiyah Surakarta, Surakarta, Indonesia, Februari 2016, pp. 1-2 .
[15] V.G.  Hai,  N.T.H.  Minh  and  D.T.  Nguyen,  “A Study On Experiment And Simulation To Predict The Spring-Back Of SS400 Steel Sheet In Large
Radius  Of  V-Bending  Process”.  Material Research Express 7 016562, 2020