## Rancang bangun prototipe mesin gravir laser berbasis mikrokontroler arduino
Nanang Ali Sutisna 1 , Harist Fauzi 1
1 Program Studi Teknik Mesin, Universitas President Jababeka Education Park, Jl. Ki Hajar Dewantara, Mekarmukti,Cikarang Utara, Bekasi 17550 Email korespondensi: nanang.ali@president.ac.id

## Abstrak
Penggunaan dan kebutuhan mesin gravir laser saat ini mengalami peningkatan diantaranya untuk kegiatan produksi dan praktikum di beberapa sekolah kejuruan dan universitas teknik di Indonesia. Namun harga mesin gravir  laser  yang  dipasaran  masih  cukup  tinggi.  Oleh  karena  itu  perlu  adanya  langkah  mencari  solusi  untuk mengatasi  hal  tersebut  diantaranya  dengan  merancang  bangun  mesin  gravir  laser  yang  dikhususkan  untuk keperluan praktikum dengan harga terjangkau. Sistem kontrol pada mesin gravir laser dirancang menggunakan mikrokontroler  CNC  2  axis  berbasis  kontroler  ATmega328  Arduino  Nano,  dengan  penggerak  tiga  buah  motor stepper sebagai aktuator, untuk menggerakkan mesin terhadap sumbu x, y, z dan modul laser dengan daya 2.500 mW.  Untuk  mencegah  kerusakan  jika  ada  kesalahan  pergerakan,  mesin  dilengkapi  tombol  emergency  stop. Penggunaan sistem kontrol dengan mikrokontroler CNC 2 axis berbasis ATmega328 Arduino nano dipilih pada Mesin  gravir  laser  karena  termasuk  open  source  dan  lebih  terjangkau.  Diharapkan  dengan  diterapkannya mikrokontroler  berbasis  ATmega328  Arduino  nano  sebagai  prototipe,  kedepannya  sistem  kontrol  dapat dikembangkan  lebih  lanjut  agar  sistem  kontrol  lebih  stabil.  Dari  hasil  pengujian  mesin  gravir  laser  dengan menggunakan parameter jarak laser, daya laser dan kecepatan gerak laser, didapat nilai parameter mesin gravir terbaik yang dijadikan sebagai standar parameter.
Kata kunci : gravir laser, ATmega328 arduino nano, mikrokontroler CNC 2 axis.

## Abstract
Nowaday, the use and demand of laser engraving machines is increasing for production and practical activities in vocational schools and engineering faculty in Indonesia. However, the price of laser engraving machine in the market is still quite high. Therefore there is a need to find a solution to overcome this problem by designing a laser engraving  machine that is devoted for practical  purposes at  affordable prices. The control  system  on the laser engraving  machine  is designed using  an Arduino Nano-based 2-axis CNC controller,  with three stepper motor drive actuators, to drive the machine on the x, y, z axes and laser axis with 2500 mW of power. To prevent damage if there is a movement error, the machine is equipped with emergency stop button. The use of a control system with an Arduino nano-based 2-axis CNC microcontroller is selected on the Laser engraving machine because it is open source and more affordable. It is expected that by implementing Arduino nano ATmega328 microcontroller as a prototype, in the future the control system can be developed further so that the control system is more stable. From the results of laser engraving machine testing using laser distance parameters, laser power and laser speed motion, obtained the value of the best engraving machine parameters to be used as standard parameters.
Keywords: laser engraving, ATmega328 arduino nano, CNC 2 axis microcontroller.

## 1. Pendahuluan
Seiring  dengan  kemajuan  ilmu  pengetahuan  dan teknologi,  aplikasi  laser  telah  banyak  digunakan dalam  berbagai  bidang.  Penerapan  aplikasi laser processing dapat  berupa laser  engraving , laser marking dan laser cutting [1,2]. Aplikasi gravir laser pada material merupakan teknologi yang telah banyak digunakan dewasa ini khususnya dalam bidang proses manufaktur.  Keunggulan  teknik  gravir  dengan menggunakan  laser  dibanding  dengan  metode konvensional adalah ketepatan pengerjaan lebih baik, proses  gravir  lebih  presisi,  karena  dikontrol  secara otomasi  menggunakan  sistem Computer  Numerical Control (CNC)  [3].  Pada  proses  gravir  dengan menggunakan  laser  diperlukan  adanya  parameter
yang  tepat  pada  sistem  kontrol  untuk  menjalankan mesin  laser  agar  dapat  beroperasi  dengan  baik  dan benar [4]. Berdasarkan hal tersebut, untuk mendapatkan  kualitas  yang  baik  perlu  adanya kombinasi  pada  proses  gravir  laser,  antara  lain  jenis laser, daya laser, kecepatan laser dan jarak fokus atau laser  head dengan  benda  kerja  [5,6].  Jenis  laser menentukan  material  yang  dapat  di  proses  gravir metal  dan  non-metal,  Daya  pada  laser  berpengaruh pada kemampuan gravir terhadap material, kemudian jarak laser head pada mesin gravir laser berpengaruh terhadap  titik  fokus  yang  dihasilkan  pada  proses gravir  [7].  Sedangkan  kecepatan  gerak  laser berpengaruh  pada  kekasaran  hasil  gravir  pada permukaan  benda  kerja  [8].  Sehingga  dengan
menggunakan parameter  yang tepat pada suatu jenis material,  maka  dapat  mengurangi  kerugian  akibat cacat  atau  kerusakan  yang  akan  timbul  pada  hasil proses  gravir  laser  [9].  Kajian  dengan  pengujian kekasaran permukaan, menganalisa hasil gravir laser atau mengukur diameter dari laser yang ditembakkan ke material sangat diperlukan [10]. Dengan kajian ini diharapkan  dapat  menghasilkan prototype mesin gravir laser yang sederhana dengan harga terjangkau, serta  mendapatkan  standar  parameter  pengoperasian mesin  yang  terbaik  [11,12].  Mesin  ini  terutama dirancang  sebagai  sarana  praktikum  di  lingkungan kampus atau sekolah menengah kejuruan. Menguraikan  secara  jelas  tentang  latar  belakang umum  kajian;  studi  pustaka  secara  singkat  tentang penelitian-penelitian terkait untuk memastikan kebaruan  artikel  ini  (harus  ada  rujukan  ke  jurnal  10 tahun  terakhir); gap  analysis berupa  pernyataan kesenjangan, kebaruan (novelty statement) atau beda unik pada  kajian  ini dibandingkan dengan penelitian terdahulu, permasalahan yang harus dijelaskan secara eksplisit  serta  hipotesis  bila  diperlukan,  metode pendekatan  penyelesaian  masalah,  kontribusi  ilmiah atau tujuan dalam artikel ini.

## 2. Metode
Kajian ini dibatasi antara lain mencakup tentang: jenis laser yang digunakan adalah jenis laser dioda dengan daya  2500  mW;  material  yang  digunakan  untuk proses gravir adalah non-metal, misalnya kertas, kain, kayu,  plastik,  mdf; parameter mesin gravir laser yang digunakan  adalah  daya  laser,  jarak laser  head dan kecepatan  pergerakan  laser;  program  kontroler menggunakan library yang sudah ada; sistem kontrol menggunakan  perangkat  lunak  Arduino  IDE  dan Laser  GRBL  [13].  Konstruksi  mesin  diasumsikan aman  karena  beban  yang  dipikul  relatif  ringan  dan kecepatannya  rendah  [14].  Tahapan  yang  dilakukan pada  kajian  rancang  bangun  prototipe  mesin  gravir laser  dengan  mikrokontroler  CNC  2  axis  berbasis arduino  nano  adalah  sebagaimana  diperlihatkan dalam Gambar 1.
Gambar 1. Diagram alir perancangan.
Prototipe  mesin  gravir  laser  ini  bekerja  dengan mekanisme  2  sumbu  dan  sistem  kontrol  pada  mesin gravir  laser  menggunakan  mikrokontroler.  Jenis sistem  kontrol  mesin  gravir  laser  pada  perancangan ini  adalah loop terbuka.  Dengan  menggunakan mikrokontroler  berbasis  arduino  nano,  sebagai penerjemah  G-Code  menjadi  pulsa  yang  dikirim  ke driver aktuator  dan driver laser  (mosfet  IRF5305S). Blok  diagram  kontrol  sistem  ditunjukkan  pada Gambar 3.
Gambar 3. Skema sistem kontrol.
Perancangan  sistem  kontrol  aktuator  pada  mesin gravir  laser  menggunakan motor  stepper sebagai penggerak  terhadap  sumbu  X,  Y  dan  Z.  dengan menggunakan driver  stepper  type  A4988 dengan skema rankaian seperti pada Gambar 4.
Gambar 4. SIstem kontrol aktuator.
Untuk  menggerakan motor  stepper ,  kita  harus memberikan  pulsa  5  V  tegangan  pada  4  pin motor stepper dengan  pola  urutan  tertentu.  Satu  urutan tertentu tersebut akan menggerakan satu step (1.8 O). Memutar satu putaran penuh motor stepper (360 O), dilakukan dengan mengulang 1 step tersebut sebanyak 200 kali dari perhitungan berikut (360 O/1.80 O = 200 step ),  untuk  menggerakan  satu step maka  4  pin  itu harus  dikasih  pulsa  dengan  empat  langkah  seperti pada Tabel 4.
Tabel 4. Urutan langkah.
Step Pin 1 Pin 2 Pin 3 Pin 4 #1 #2 #3 #4 LOW HIGH HIGH LOW LOW LOW HIGH HIGH HIGH LOW LOW HIGH HIGH HIGH LOW LOW
Perancangan sistem kontrol gravir laser menggunakan mosfet  IRF5305S  sebagai  saklar  on/off  dengan dengan input PWM pada Gate maka akan mengontrol tegangan yang lewat melalui Source ke Drain . Besar kecil nya tegangan yang di lalui Source dan Drain ini ditentukan besar kecil nya nilai PWM yang di input di Gate dari  controller.  Skema  rangkaian  seperti  pada Gambar 5.
Gambar 5. Sistem kontrol laser.
Dalam  rancang  bangun  mesin  gravir  laser  dengan mikrokontroler  arduino  telah  mengasilkan  prototipe mesin gravir laser seperti pada Gambar 6.
Gambar 6. Prototype mesin gravir laser.
Spesifikasi  mesin  gravir  laser  dalam  kajian  rancang bangun mesin gravir laser menggunakan mikrokontroler arduino nano.
Tabel 5. Spesifikasi mesin gravir laser.
Control software Controller Frame Actuator Power supply Laser Work area
Dimension
Laser GRBL Arduino Nano
Alumunium V slot 2020
Motor Stepper 0.25 N.m 1.3 A
DC 24V 5A 2500 mW 12V 10 mm x 180 mm 220 mm x 240 mm x 260 mm
Uji  kestabilan  kontrol  sistem  berbasis  arduino  nano dilakukan  dengan  analisis  hasil  dari trial  and  error pada proses gravir laser terhadap hasil akhir dan lebar garis gravir pada material. Dengan metode pengujian
4 2 1 5 10 6 9 3 7 8 No Part Name 1 Laser Diode 2 Motor Stepper Z Axis 3 Motor Stepper X Axis 4 Motor Stepper Y Axis 5 Lead Screw 6 Shaft 7 Working Area 8 Frame Almunium V slot 2020 9 Pillow Lead Screw 10 Shaft Support
yang  dilakukan  yakni,  pengujian  sistem  kontrol  dan fungsi  aktuator  terhadap  gerak  linier  sumbu  X  dan sumbu Y dengan proses gravir laser membuat  bentuk lingkaran, persegi dan gambar. Kemudian dilakukan pengujian sistem kontrol dan fungsi laser dengan uji proses  gravir  garis  dan  gambar.  Pengujian  kinerja sistem kontrol mesin gravir laser dengan menggunakan  parameter  jarak  laser,  daya  laser, kecepatan  gerak laser  head .  Pengujian  kepresisian mesin  gravir  laser  dengan  membandingkan  dimensi hasil  dari  proses  gravir  laser  dengan  perintah  atau masukan pada sistem kontrol. Menganalisis data dari hasil pengujian yang dilakukan.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Pada  bagian  ini  menjelaskan  mengenai  proses pengujian  yang  selanjutnya  dilakukan  analisis  untuk memperoleh  data  yang  dibutuhkan  sesuai  dengan hasil yang diharapkan agar mesin gravir laser ini bisa digunakan dengan baik.

## Pengujian Sistem Kontrol
Pengujian  sistem  kontrol  pada  mesin  gravir  laser dilakukan  dengan  beberapa  metode  pengujian mengacu  kepada  sistem  kontrol  dan  fungsi  dari aktuator serta laser yang digunakan. Pengujian sistem kontrol  dan  fungsi  aktuator  dengan  cara  membuat garis vector berupa  persegi,  lingkaran  dan  gambar dengan hasil yang dapat dilihat pada Tabel 6.
Tabel 6. Hasil pengujian sistem kontrol dan fungsi aktuator.
Pengujian sistem kontrol dan fungsi laser dengan cara membuat garis, persegi dan gambar dengan hasil yang dapat dilihat pada Tabel 7.
Tabel 7. Pengujian sistem kontrol dan fungsi laser.

## Pengujian Mesin Gravir Laser
Pengujian  kinerja  dari  mesin  gravir  laser  dilakukan dengan  parameter  jarak laser  head ,  daya  laser  dan kecepatan  gerak  laser.  Untuk  menentukan  nilai  dari parameter  yang  digunakan  pada  proses  gravir  laser. Pengujian  sistem  kontrol  mesin  gravir  laser menggunakan  parameter  jarak laser  head terhadap benda kerja agar menghasilkan garis gravir yang baik, dengan menentukan nilai parameter jarak ideal laser head terhadap benda kerja yang akan di proses gravir. Pengujian  dilakukan  dengan  variasi  jarak  laser  yang berbeda, seperti pada Tabel 8.
Tabel 8. Pengujian dengan metode jarak laser.
Pengujian  sistem  kontrol  mesin  gravir  laser  dengan menggunakan  parameter  daya  laser  yang  digunakan dalam  proses  gravir.  Menentukan  nilai  parameter daya laser ideal agar menghasilkan gravir yang baik, dilakukan  pengujian  dengan  menggunakan  variasi daya laser yang berbeda seperti pada Tabel 9.
Tabel 9. Pengujian dengan metode daya laser.
Pengujian  sistem  kontrol  mesin  gravir  laser  dengan parameter kecepatan gerak laser dalam proses gravir. Menentukan  nilai  parameter  kecepatan  gerak  laser dengan pengujian variasi kecepatan gerak laser yang berbeda, dengan hasil seperti pada Tabel 10.
Tabel 10. Pengujian dengan metode kecepatan gerak laser.
Pengujian  akurasi  sistem  kontrol  mesin  gravir  laser dengan  menganalisis  hasil  dari  proses  gravir  dan membandingkan ukuran aktual dengan masukan pada sistem kontrol, yang dapat dilihat pada Tabel 11.
Tabel 11. Pengujian dengan kecepatan gerak laser.
Hasil data pengujian mesin gravir laser ini diperoleh dari  beberapa  tahap  pengujian  terhadap  parameter yang sudah ditentukan seperti  jarak  laser, daya  laser dan  kecepatan  gerak  laser,  guna  mencari  nilai parameter yang tepat untuk suatu material yang akan diproses  gravir  menggunakan  laser.  Sehingga didapatkan  bahwa  jarak  ideal  75  mm,  nilai  ideal S- Max pada controller Laser  GRBL  adalah  255.  Nilai ideal Border  speed pada controller Laser  GRBL adalah  200.  Hasil  analisis  data  pengujian  kinerja mesin  gravir  laser,  sistem  kontrol  berjalan  dengan baik  dan  akurat,  serta  didapat  nilai  parameter  yang ideal dijadikan standar.

## 4. Kesimpulan
Perancangan  dan  pembuatan  prototipe  mesin  gravir laser  2  axis  telah  dilakukan  beberapa  langkah  dan metode  sehingga  dapat  bekerja  dengan  baik.  Dari hasil pengujian mesin gravir laser dengan menggunakan  parameter  jarak  laser,  daya  laser  dan kecepatan  gerak  laser,  Dapat  disimpulkan  nilai parameter  mesin  gravir  laser  dan  dijadikan  standar parameter seperti pada Tabel 4.
Tabel 4. Standar parameter mesin gravir laser.
Material Kecepatan gerak (mm.min) S-Max Daya laser Jarak Head Laser (mm) Karton 200 255 75
Untuk  menghindari  kesalahan  dalam  pergerakan mesin,  telah  dilakukan  kalibrasi  unit  antara  sistem interface dengan pergerakan mesin, sehingga perintah dengan  unit  tertentu  pada  komputer  akan  dieksekusi tepat  oleh  mesin  gravir  laser.  Saran  yang  dapat disampaikan  yakni  bahwa  kalibrasi  sebelum  proses diperlukan  untuk  menghindari  terjadinya  kerusakan akibat error pada sistem kontrol. Menambahkan limit swicth pada  sumbu  X  dan  sumbu  Y  untuk meningkatkan  sistem  keamanan.  Untuk  standar parameter  gravir  pada  kayu  dan  akrilik  perlu pengujian lebih lanjut. Laser module yang digunakan dapat diganti dengan motor spindle .

## Daftar Pustaka
[1] Ikhlash  Syukran  Harrizal.  2017.  Rancang bangun  sistem  kontrol  mesin  cnc  miling  3  axis menggunakan close loop systems. Teknik Mesin, Universitas  Riau  [journal].  Tersedia  pada: https://media.neliti.com/ media/publications/ 184294-ID-rancang-bangun-sistem-kontrol- mesin-cnc.pdf., diunduh 2018 Feb 8.
[2] Devri  Naldy.  2016  .Perancangan  dan  Analisis Struktur Mekanik Prototipe Mesin CNC Milling 3-Axis.Fakultas Teknik, Universitas Riau [journal]. Tersedia pada:
https://media.neliti.com/media/publications/201 413, diunduh 2018 Feb 8.
[3] Daniel Costa. 2016. Laser engraver with arduino. Tersedia
pada:
https://www.hackster.io/macinblack/laser- engraver-with-arduino-719d14,  diakses  2018 Feb 18.
[4] Laser  GRBL.  2013.  WHAT  IS  LASERGRBL. Tersedia  pada:  http://lasergrbl.  com/en/  , diunduh 2018 Apr 12.
[5] Osoyoo.  2017  .Arduino  NANO  +CNC  Shield V4.0+A4988  User  Manual.  Tersedia  pada: http://osoyoo.com/2017/04/07/arduino-nano- cnc-shield-v4-0a4988/ diakses 2018 Feb 18.
[6] Getburnt.  2013.  Arduinogravir  laser.Tersedia pada: http://www.instructables. com/id/Arduino- Laser-Engraver/ , diakses 2018 Feb 18.
[7] Tiffany  Kwan.  2015.  Tips  for  a  DIY  Laser. Tersedia pada: http://blog. productgraph.io/ tips- for-a-diy-laser/ , diakses 2018 Feb 18.
[8] Sinauarduino. 2016. Mengenal Arduino Software  IDE.  Tersedia  pada:  http://www. sinauarduino.com/artikel/mengenal-arduino- software-ide/ , diakses 2018 Feb 20.
[9] Wikipedia.  2018.  Laser  diode.  Tersedia  pada: https://en.wikipedia.org/wiki/ Laser_diode, diakses 2018 Feb 18.
[10] Wikipedia.  2018.  Judul.Mosfet.  Tersedia  pada: https://id.wikipedia.org/wiki /MOSFET , diakses 2018 Mar 16.
[11] CompounentsIOI. 2018. Arduino Nano. Tersedia Pada: https://components101. com
/mikrokontrolers/arduino-nano  ,  diakses  2018
Feb 19. [12] Calincostelcoty.  2016.  Diy  Arduino  Laser Engraver.. Tersedia pada:
http://www.instructables.com/id/Diy-Arduino-
Laser-Engraver/ , diakses 2018 Feb 18.
[13] Daniel Costa. 2016. Laser engraver with arduino. Tersedia pada: https://www.
hackster.io/macinblack/laser-engraver-with- arduino-719d14, diakses 2018 Feb 18.
[14] Mikro1311860.  2015.  Kendali  motor  stepper dengan arduino uno. Tersedia pada:https://mikro1311860.wordpress.com/201 5/11/09/kendali-motor-stepper-dengan-arduino- uno/ , diakses 2018 May 2.