## Perancangan cetakan komponen holder sepeda motor dengan pendekatan metode elemen hingga

## Andreas Hartoyo Yaputra, Sri Raharno, Yatna Yuwana Martawirya
Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara, Institut Teknologi Bandung Jl. Ganesha No. 10, Lb. Siliwangi, Coblong, Bandung, Jawa Barat 40132 Email korespondensi: harnos@ftmd.itb.ac.id

## Abstrak
Meskipun  permodelan  cetakan  dengan  pendekatan  metode  elemen  hingga  telah  dikembangkan  sejak  akhir tahun 1970, namun sampai saat ini masih cukup banyak perusahaan manufaktur di Indonesia yang menggunakan metode  konvensional  trial  and  error  dalam  melakukan  perancangan  cetakan.  Berdasarkan  perspektif  bisnis industri,  metode  trial  and  error  berpotensi  merugikan  perusahaan  dari  sisi  waktu  dan  biaya.  Untuk  itu  dalam kajian ini telah dikembangkan permodelan perancangan cetakan dengan pendekatan analisis numerik yang dapat meminimalisasi kerugian waktu dan biaya. Dalam kajian ini akan digunakan studi kasus berupa komponen holder sepeda  motor  600  cc  dengan  proses  forging.  Tujuan  dari  perancangan  ini  adalah  untuk  menentukan  desain geometri  cetakan  yang  sesuai  sehingga  material  dapat  mengisi  secara  penuh  rongga  cetakan,  memperkirakan secara dini potensi kegagalan proses forging dan kapasitas mesin press yang diperlukan. Pada akhir kajian ini dapat ditentukan geometri cetakan dan parameternya, kapasitas mesin press yang dibutuhkan untuk melakukan proses  forging,  yaitu  minimal  sebesar  42  ton  dan  material  cetakan  dengan  titik  lebur  di  atas  863°C  untuk mencegah kegagalan prematur.
Kata kunci : metode elemen hingga, holder sepeda motor, forging.

## Abstract
Although mold modeling using finite element method has been developed since the late 1970s but the reality is still a lot of manufacturing companies in Indonesia are using the conventional method of trial and error in terms of making mold design. Based on industrial business perspective, the method of trial and error is very detrimental to  the  company  because  it  takes  a  lot  of  time  and  expenses.  Therefore  this  study  has  developed  mold  design modeling with numerical analysis approach to minimize process time dan cost losses. This research project uses a case study on motocyle 600 cc holder component with forging process. The purpose of this design is to determine the exact design of the mold so that the mold can be filled completely by material. In addition, to determine the tonnage required as well as a means of early detection of defects in this process. In the end of this research the geometry of mold and its parameter could be determined, requirement of press machine capacity determined at 42 tons. Furthermore, dies material needs to have melting point above 863° C to prevent premature failure.
Keywords: finite element method, motorcycle holder, forging.

## 1. Pendahuluan
Dewasa  ini,  banyak  proses  manufaktur  yang  telah dikembangkan  untuk  dapat  memproduksi  unit part baik dalam skala satuan maupun secara massal. Mulai dari proses casting , forging , stamping , drawing , dan masih  banyak  proses  lainnya  yang  dapat  digunakan untuk menghasilkan sebuah unit part dengan kualitas yang tinggi dan harga yang rendah. Salah satu proses yang  kerap  kali  digunakan  adalah  proses forging . Proses forging merupakan proses pembentukan logam dengan  aplikasi  gaya  kompresi  yang  tinggi.  Melalui proses forging , butiran internal ( internal grain ) akan berdeformasi mengikuti bentuk dari cetakan sehingga secara  umum  dapat  dikatakan  proses forging lebih kuat dibandingkan proses casting maupun machining [1] .
Sejak  akhir  tahun  1970,  dimulai  pengembangan simulasi proses forging menggunakan metode elemen
hingga.  Pada  waktu  itu,  fitur automatic  remeshing tidak tersedia sehingga dibutuhkan waktu cukup lama untuk menyelesaikan sebuah simulasi elemen hingga yang  sederhana.  Perkembangan  pada  saat  ini  sudah tercipta  kemajuan  teknologi  komputasional  untuk aplikasi  perancangan  proses  di  industri  manufaktur dunia.
Namun  secara  umum  masih  cukup  banyak  industri manufaktur di Indonesia  yang  menggunakan  metode perancangan trial  and  error .  Berdasarkan  perspektif bisnis  industri  tentu  hal  ini  sangat  merugikan perusahaan karena memakan banyak waktu dan biaya untuk melakukan proses perancangan secara trial and error sampai terbentuk desain yang sempurna. Untuk itu  perlu  dilakukan  pengembangan  perancangan dengan pendekatan analisis numeric [2].
Sesuai  dengan  perumusan  masalah  tersebut  maka kajian  ini  bertujuan  untuk  menentukan  geometri
cetakan  yang  tepat  serta  berbagai  parameternya dengan melakukan simulasi proses untuk memastikan cetakan  terisi  sempurna.  Penentuan  material  cetakan yang  sesuai  untuk  digunakan  pada  aplikasi  inijuga diperlukan.  Kemudian  menentukan  kapasitas  mesin press yang dibutuhkan untuk proses forging sehingga kegagalan prematur pada cetakan dapat dihindari.

## 2. Metode
Holder merupakan  salah  satu  komponen  aksesoris kendaraan  sepeda  motor  yang  dibuat  sebagai  sarana untuk  menyambungkan  antara  setang  utama  dan handle  throttle .  Selain  itu holder juga  berfungsi sebagai  dudukan  fitur  elektronik  seperti  sakelar lampu, klakson, juga tombol starter .
Seperti  pada  Gambar  1,  ditunjukkan  gambar holder sepeda  motor  yang  merupakan  sarana  penyambung antara  setang  utama  dan handle  throttle .  Dengan melihat fungsinya yang beragam, baik sebagai sarana penyambung maupun sebagai dudukan fitur elektronik  maka  bentuk  dari holder dapat  dianggap cukup  kompleks  dan  dibutuhkan  tingkat  kehandalan yang  tinggi.  Meski  tidak  mengalami  tegangan  yang cukup  signifikan,  tetapi  apabila  komponen  ini mengalami kegagalan sewaktu-waktu dapat membahayakan jiwa dari pengendara karena pengendara  dapat  kehilangan  kontrol  dari  sepeda motor  yang  sedang  dikendarainya.  Maka  dari  itu dalam  proses  manufaktur  perlu  dipertimbangkan tingkat  kehandalannya  karena  terkait  langsung dengan keselamatan jiwa dari pengendara.
Gambar 1. Contoh komponen holder sepeda motor.
Dengan  mengetahui  fungsi  komponen holder , pemilihan proses manufaktur dapat ditentukan secara baik.  Proses  manufaktur  dapat  dilakukan  dengan beragam cara mulai dari metal casting , metal forming , shaping ,  hingga  proses heat  treatment .  Untuk komponen holder ini,  bentuk  dari  komponen termasuk  kompleks  sehingga  proses  manufaktur dengan machining tidak  dapat  dilakukan  karena membutuhkan biaya yang besar dan waktu yang lama. Selain  itu  kapasitas  produksi  yang  ditargetkan  tiap bulannya  mencapai  1000  unit,  sehingga  proses machining tidak akan dilakukan. Selanjutnya, proses manufaktur  yang  paling  mungkin  untuk  dilakukan adalah casting dan forging [3].  Berikut  adalah perbandingan proses casting dan forging dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Perbandingan proses casting dan forging.
Casting Forging Lead time Lebih lama Lebih cepat Biaya Tidak fleksibel (hanya untuk produksi massal) Fleksibel Potensi cacat Lebih kecil Lebih besar Sifat mekanik Tingkat kekuatan rendah Tingkat kekuatan tinggi Perlakuan permukaan Lebih kasar Lebih halus karena ada deformasi plastis pada permukaan Tingkat keandalam Lebih rendah Lebih tinggi Respon terhadap perlakuan panas Dibutuhkan kontrol yang tinggi Tidak dibutuhkan kontrol yang tinggi Variasi material Lebih sedikit Lebih banyak
Seperti  diperlihatkan  pada  Tabel  1,  proses casting akan  memakan  waktu  lebih  lama  dibanding forging karena  rentang  temperatur  yang  tinggi  sehingga membutuhkan  waktu  yang  lama  untuk  proses pendinginan  [4].  Selanjutnya  dari  segi  biaya,  proses casting memiliki rentang harga yang sempit sehingga hanya  dikhususkan  untuk  produksi  massal.  Setelah produk selesai dibuat, produk dari hasil forging tidak perlu  dilakukan  perlakuan  permukaan  karena permukaannya sudah cukup halus apabila dibandingkan  dengan casting karena  terjadinya deformasi  plastis.  Apabila  ditinjau  dari  tingkat kekuatan,  proses forging memiliki  tingkat  kekuatan yang lebih tinggi dibanding casting, sebab mengalami tekanan  yang cukup tinggi sehingga dapat dikatakan proses forging memiliki tingkat keandalan yang lebih tinggi.  Pada  sisi  yang  lain  potensi  kemungkinan timbul  cacat  pada  proses forging lebih  besar dibanding casting yaitu seperti lapping dan porositas [5].
Ditinjau  dari  respon  perlakuan  panas,  untuk  proses casting dibutuhkan  kontrol  yang  tinggi  sebab diperlukan ketepatan untuk memperkirakan temperatur  atas  dari  proses  ini.  Apabila  temperatur proses  yang  dilakukan  melebihi  temperatur  yang seharusnya maka diperlukan waktu yang cukup lama untuk  mendinginkan  material  [6].  Selanjutnya  untuk proses forging tidak  diperlukan  kontrol  temperatur yang  cukup  tinggi  sebab  rentang  temperatur  untuk proses ini tidak setinggi proses casting .
Berdasarkan  berbagai  pertimbangan  tersebut,  maka komponen holder lebih  cocok  untuk  diproduksi dengan  proses forging .  Dilihat  dari  segi  keandalan, proses forging akan  menghasilkan  produk  dengan tingkat  kekuatan  yang  lebih  tinggi  karena  adanya deformasi plastis. Ditambah lagi dengan waktu proses yang  relatif  lebih  cepat  dibanding  proses casting sehingga  dapat  menghasilkan  produk  lebih  banyak dalam waktu yang sama. Pada bagian berikut ini akan dibahas mengenai proses perancangan cetakan holder dengan menggunakan simulasi metode elemen hingga [7].
Setelah  mengetahui  fungsi  komponen holder maka dapat ditentukan proses manufaktur yang tepat untuk memproduksi  komponen  ini  secara  massal  yaitu dengan proses forging [6]. Pada bab ini akan dibahas mengenai  langkah-langkah  perancangan  cetakan holder dengan menggunakan simulasi metode elemen hingga.  Proses  permodelan  yang  dilakukan  yaitu permodelan part dan selanjutnya dilakukan permodelan  cetakan.  Untuk  permodelan  komponen, dilakukan  dengan  sumber  yang  berasal  dari  gambar teknik.  Selanjutnya  dilakukan  proses  pemodelan secara  manual  dengan  bantuan software CAD. Gambar 3D komponen ini ditunjukkan pada Gambar 1 berikut ini.
Gambar 1. Model 3D komponen holder (produk akhir).
Untuk  permodelan  selanjutnya  adalah  permodelan cetakan,  ada  beberapa  bagian  dari  komponen  yang harus  dimodifikasi.  Modifikasi  dari  komponen  ini perlu  dilakukan  karena  penyesuaian  dengan  batasan kemampuan  dari  proses forging untuk  mencapai pembuatan  komponen  tersebut.  Selanjutnya  perlu dilakukan  proses finishing untuk  mencapai  bentuk akhir  yang  diinginkan.  Proses finishing yang  perlu dilakukan antara lain, boring , grinding , dan slotting . Beberapa modifikasi yang dilakukan pada komponen ditunjukkan  Tabel  2.  Setelah  dilakukan  permodelan
komponen,  langkah  selanjutnya  ialah  memodelkan cetakan.  Permodelan  cetakan  ini  merupakan  iterasi rancangan awal yang digunakan sebelum selanjutnya dilakukan proses modifikasi lanjut.
Tabel 2. Proses modifikasi permodelan komponen.
Jenis Modifik asi Komponen Awal Komponen setelah Modifikasi Ekstrusi lubang utama
Ekstrusi lubang minor 1 Ekstrusi lubang minor 2 Ekstrusi lubang minor 3 Ekstrusi sambung an baut
Permodelan  cetakan  ini  dilakukan  berdasarkan komponen yang telah dimodelkan sebelumnya. Pada proses  permodelan  cetakan,  terlebih  dahulu  harus ditentukan  batas  pemisah  antara  cetakan  atas  dan bawah pada komponen yang disebut parting line .
Pada  Gambar  2  dapat  dilihat  gambar  permodelan komponen  dengan  warna  merah  dan  hijau.  Warna tersebut menunjukkan batas parting line atau pemisah antara  cetakan  atas  dan  bawah.  Warna  hijau menunjukkan  porsi  cetakan  atas  dan  warna  merah menunjukkan porsi cetakan  bawah. Garis pertemuan antara  warna  merah  dan  hijau  disebut parting  line . Garis  ini  merupakan  tempat  bertemunya  antara cetakan atas dan bawah [5]. Dalam penentuan posisi parting line ini, diusahakan volume komponen dibagi sama  rata  50:50,  sehingga  memudahkan  material untuk  mengalir  mengisi  rongga  cetakan.  Proses penentuan parting line sendiri dapat dilakukan secara manual maupun secara otomatis dengan
menggunakan  fitur draft  analysis .  Kebanyakan software CAD  sudah  dilengkapi  dengan  fitur draft analysis sehingga fitur ini memudahkan penggunanya untuk menentukan posisi parting line dengan mudah dan cepat.
Gambar 2. Permodelan komponen holder dengan parting line.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Setelah melalui  proses  perancangan  cetakan, kemudian dilakukan beberapa iterasi untuk mendapatkan  nilai  dari  beberapa  parameter  yang dibutuhkan.  Proses  iterasi  penting  untuk  dilakukan karena flash yang terbentuk pada proses forging tidak dapat  ditentukan  secara  matematis  melainkan diperlukan  simulasi  secara  numerik.  Berdasarkan Gambar 3, produk holder terbentuk secara sempurna.
Pada simulasi tahap akhir ini dilakukan penambahan volume billet dibanding simulasi tahap kedua. Volume billet yang  digunakan  pada  simulasi  tahap  akhir  ini sebesar 66434 mm 3 sedangkan volume dari komponen holder sebesar 46240 mm 3 .
Gambar 3. Hasil simulasi tahap akhir.
Dari hasil analisis diperoleh nilai tegangan maksimum pada  komponen  sebesar  1530  MPa.  Tegangan maksimum berada pada daerah sekitar kanal. Hal ini
terjadi  karena  masih  ada  beberapa flash yang  keluar dari  area  kanal.  Meskipun  demikian,  secara keseluruhan  komponen holder memiliki  tegangan yang rendah karena mayoritas berwarna biru dengan rentang antara 511-1020 MPa. Tegangan  maksimum yang  terjadi  pada  kajian  ini  hanya  bersifat  tegangan lokal dan  hanya terletak pada permukaan komponen sehingga  tegangan  maksimum  tersebut  dapat diabaikan. Selanjutnya, karena tegangan yang terjadi masih  berada  sedikit  di  atas  kekuatan  tegangan maksimum  dari  material  AISI  1015,  sehingga  pada daerah yang ditunjukkan warna hijau dapat dilakukan sedikit  pelumasan  untuk  mengurangi  tegangan  yang terjadi pada saat kompresi. Distribusi tegangan pada komponen secara lengkap dapat dilihat pada Gambar 4.
Gambar 4. Distribusi tegangan pada komponen.
Selanjutnya, temperatur maksimum komponen sebesar  1280°C.  Temperatur  maksimal  terjadi  pada daerah  sekitar  kanal  karena  pada  daerah  ini mengalami  kompresi  yang  tinggi.  Tetapi,  perlu diperhatikan  bahwa  mayoritas  temperatur  berkisar antara 445-863°C.  Untuk itu dalam proses penentuan material  cetakan  perlu  diperhatikan  untuk  memilih material  dengan  titik  lebur  di  atas  863°C  atau  dapat juga  diatasi  dengan  melakukan  proses  perlakuan panas  sebelumnya.  Material  cetakan  yang  dapat digunakan untuk produksi komponen holder ini dapat menggunakan baja karbon tinggi. Distribusi
temperatur  pada  komponen  diperlihatkan  pada Gambar 5.
Gambar 5. Distribusi temperatur pada komponen.
Langkah  terakhir  dari  kajian  ini  adalah  menentukan besar tonase yang diperlukan untuk melakukan proses forging komponen holder .  Dengan  menggunakan fitur  dari  perangkat  lunak  didapat  kurva  beban berbanding  besar stroke yang  ditunjukkan  pada Gambar 6.
Gambar 6. Kurva beban berbanding stroke selama proses forging komponen holder.
Gambar  6  menunjukkan  kurva  beban  berbanding stroke selama  proses forging komponen holder . Kurva  tersebut  berbentuk  linier  mulai  dari stroke 0 mm sampai dengan 5 mm. Hal ini disebabkan karena beban yang dibutuhkan sebanding dengan energi yang dibutuhkan  material  untuk  mengalami  deformasi tahap  awal.    Kemudian  kurva  tersebut  berbentuk kuadratik pada stroke 5 mm hal ini disebabkan karena material  mulai  berdeformasi  memenuhi  rongga- rongga  ujung  sampai  akhirnya  material  tidak  dapat berdeformasi  lagi.  Untuk  mendapatkan  hasil  yang valid maka nilai yang diambil adalah saat kurva akan bergerak  memotong axis pada stroke 5  mm  yaitu dengan besar tonase sebesar 20,6 ton. Sehingga untuk melakukan  proses forging komponen holder ini diperlukan mesin press dengan kapasitas minimal 42 ton karena dihasilkan dua produk holder dalam sekali langkah penuh.

## 4. Kesimpulan
Kajian ini menghasilkan kesimpulan bahwa geometri cetakan dan berbagai parameternya sudah ditentukan dengan  menggunakan  simulasi  proses.  Rasio flash yang  dihasilkan  pada  proses  kajian  ini  sebesar 46,17%.  Material  cetakan  yang  dapat  digunakan untuk  proses forging komponen holder ini  harus memiliki titik lebur di atas 863°C untuk menghindari adanya  kerusakan  prematur  pada  cetakan.  Kapasitas mesin press yang harus digunakan untuk  melakukan proses ini minimal sebesar 42 ton.

## Daftar Pustaka
[1] S. Kalpakjian dan S. Schmid. 2006, Manufacturing  Engineering  and  Technology, Pearson  Education  South  Asia  Pte  Ltd., Singapore.
[2] Murjito,  ST.  MT.  2007,  Pengembangan  Model Perancangan Proses Forging Dengan
Menggunakan program Ansys Untuk Mencegah Kegagalan Produk, Universitas Muhammadiyah Malang, Malang.
[3] T.  Altan  dan  M.  Shirgaokar.  1994,  Process Design  in  Impression  Die  Forging.  NSM Laboratory, Ohio State University.
[4] R. Radev and B. Tomov. 1999, Preform Design in Hot Die Forging, Department of Materials and Processing  Technology  University  of  Rousse  8 Studentska St., 7017 Rousse, Bulgaria.
[5] F. R. Biglari, N. P. O’Dowd and R. T. Fenner. 2003,  Optimum  Design  of  Forging  Dies  using the  Finite  Element  Method,  Mechanical Engineering  Department,  Imperial  College  of Science,  Technology  and  Medicine,  London SW7 2BX, UK.
[6] Siamak  Abachi.  2004,  Wear  Analysis  of  Hot Forging  Dies,  The  Graduate  School  Of  Natural and  Applied  Sciences  of  the  Middle  East Technical University.
[7] Toshiaki Tanaka, Koukichi Nakanishi, Yasuhiro Yogo, etc. 2006, Prediction of Hot Forging Die Life Using  Wear and Cooling Model, Research Report.