## Original Article
Journal of Science and Applicative Technology vol. 7 (1), 2023, pp. 1-5 | 1
e-ISSN: 2581-0545 - https://journal.itera.ac.id/index.php/jsat/
Copyright © 2023 Journal of Science and Applicative Technology. Content from this work may be used under the terms of the Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International Licence . Any  further distribution of this work must maintain attribution to  the author(s) and the  title of the work, journal citation and DOI. Published under licence by Journal of Science and Aplicative Technology  (JSAT).

## Received 10th December 2020
Accepted 20th May 2022 Published 12th April 2023
DOI: 10.35472/jsat.v7i1.370

## Analisis Sifat Mekanik dari Struktur Seluler yang Difabrikasi dengan Printer 3D
Abdul Muhyi a , Riyan Ferdiyanto a , Kardo Rajagukguk a , Wahyu S. Sipahutar b Muhamad F. Arif b,*
a Program Studi Teknik Mesin, Institut Teknologi Sumatera, Lampung Selatan 35365, Indonesia
b Program Studi Teknik Material, Institut Teknologi Sumatera, Lampung Selatan 35365, Indonesia
* Corresponding E-mail: mf.arif@mt.itera.ac.id
Abstract : Lightweight  cellular  or  foam  structure  in  recent  years  is  very  much  developed  mainly  because  of  the  rapid development of 3D Printer so that complicated design can be fabricated easily. Cellular structures have a high ratio of strength vs. mass and rigidity, and can be applied to lightweight structures with high impact resistance. In this work, compression test is performed on six types of cellular structure with 10 % volume fraction. The types of cellular structure used are Cubic, Gyroid, Honeycomb 3D, Rectilinear, Honeycomb, and Rectilinear 45 o . Results show that Cubic  structure has the highest strength and absorption energy, followed by Gyroid and Honeycomb 3D. Structure that has 2D topology, viz. Rectilinear, Honeycomb , and Rectilinear 45 o does not have good strength and energy absorption. The current study is useful for a guide of a light structure design that has superior strength and energy absorption characteristics.
Keywords: lightweight structure, foam, cellular structure, mechanical characteristics, 3D printer
Abstrak: Struktur  ringan  berbentuk cellular (seluler)  atau foam (busa) dalam  beberapa  tahun  terakhir  sangat  banyak dikembangkan terutama karena perkembangan cepat dari Printer 3D, sehingga desain rumit dapat difabrikasi dengan mudah. Struktur seluler mempunyai rasio kekuatan terhadap massa dan kekakuan yang tinggi, serta dapat diaplikasikan pada struktur ringan dengan ketahanan impak yang tinggi. Dalam tulisan ini, dilakukan uji tekan terhadap enam jenis struktur seluler dengan fraksi volume 10%. Jenis struktur seluler yang divariasikan adalah Cubic, Gyroid, Honeycomb 3D, Rectilinear, Honeycomb, dan Rectilinear 45 o . Hasil yang didapat menunjukkan bahwa struktur kompleks jenis C ubic mempunyai kekuatan maksimal terbaik dan juga mempunyai penyerapan energi yang terbaik berdasarkan pengujian yang dilakukan, diikuti dengan struktur Gyroid dan Honeycomb 3D.  Struktur  yang  mempunyai  topologi  dua  dimensi  yaitu, Rectilinear 0 o , Rectilinear 45 o ,  dan Honeycomb tidak mempunyai kekuatan dan karakteristik penyerapan energi yang baik. Hasil ini dapat digunakan sebagai panduan desain struktur ringan yang mempunyai karakteristik kekuatan dan penyerapan energi mekanik yang tinggi.
Kata Kunci : struktur ringan, busa, struktur seluler, karakteristik mekanik, printer 3D

## Pendahuluan
Struktur ringan dalam bentuk  seluler atau busa sedang banyak  dipelajari  karena  sifatnya  dapat  diubah-ubah sesuai  keinginan.  Sifat  dari  struktur  ini  dapat  diubah dengan  cara  mengubah  topologi  (desain  3D)  dari struktur, parameter-parameter pada proses pembuatan, dan jenis material yang digunakan [1], [2]. Struktur  seluler  sangat  menjanjikan  karena  struktur  ini memiliki  sifat  multifungsi.  Struktur  seluler  mempunyai rasio kekuatan terhadap massa, modulus kekakuan, dan permeabilitas  yang  tinggi,  serta impact  absorption , isolasi  termal  dan  akustik  yang  sangat  baik  [3].  Oleh karena  itu,  struktur  ini  banyak  diterapkan  dalam
berbagai  aplikasi  teknik  seperti  implan  biomedis, peredam  getaran,  filter,  elektroda,  katalis,  penukar panas, insulator, dan struktur ringan [4].
Desain  topologi  atau  desain  3D  dari  struktur  ringan berbentuk  seluler  atau  busa  dalam  beberapa  tahun terakhir  sangat  banyak  dikembangkan.    Hal  ini  terjadi akibat  perkembangan  Printer  3D  yang  sangat  cepat sehingga  desain  rumit  pun  dapat  difabrikasi  dengan mudah  [5],  [6].  Berbagai  macam  model  matematika telah  dikembangkan  dan  berhasil  diterapkan  pada struktur  3D,  seperti  sel  satuan  dalam  bentuk  rangka, balok,  dan  pelat  [3],  [6].  Banyak  dari  desain  material seluler  ini  terilhami  dari  alam,  seperti  struktur  mikro

## Open Access
e-ISSN: 2581-0545
Analisis Sifat Mekanik dari Struktur Seluler yang Difabrikasi dengan Printer 3D
MUHYI et al., Journal of Science and Applicative Technology vol. 7 (1), 2023, pp. 1-5
tulang manusia, kayu, sarang lebah, tulang ikan sotong , sutra,  dan  bambu [3],  [5].  Selain  memiliki  sifat  ringan, struktur alami ini sangat kuat, baik terhadap beban tarik, kompresi,  dan  impak.  Hasil  uji  mekanik  menunjukkan bahwa  struktur  alam  memiliki  sifat  mekanik  yang bervariasi  terhadap  perbedaan  komposisi,  fraksi volume, dan geometri [7].
Spesimen  printer  3D  berbahan  asam  polilaktat  (PLA) dengan infill  pattern (pola  pengisi) jenis  triangle,  grid, quarter cubic, dan tri-hexagon telah diuji tekan dengan hasil  pola grid mempunyai  kekuatan  tekan  tertinggi karena  banyak  lapisan  yang  sejajar  dengan  arah pembebanan  tekan  [8].  Dalam  penelitian  ini,  pola pengisi  dipelajari  lebih  lanjut  dan  diklasifikasikan berdasarkan topologinya, yaitu pola pengisi bertopologi tiga  dimensi  (3D)  yang  terdiri  dari Cubic,  Gyroid, dan Honeycomb  3D, serta  pola  pengisi  bertopologi  dua dimensi  (2D)  yang  terdiri  dari Rectilinear,  Honeycomb, dan Rectilinear 45 o . Selain itu, pola pengisian dihasilkan menggunakan  perangkat  lunak  standar  dari  Printer  3D sehingga  berbiaya  murah  dan  dapat  memudahkan pengguna  dalam  implementasi  desain  struktur  ringan yang mempunyai karakteristik kekuatan dan penyerapan energi mekanik yang baik .

## Metode
Pertama, dilakukan pembuatan model 3D unit sel kubus dengan ukuran 25 x 25 x 25 mm 3 dan fraksi volume 10%. Ukuran ini dipilih dengan mempertimbangkan kecukupan jumlah representatif sel satuan dalam kubus dan  kapasitas  mesin  uji  kompres.  Kedua,  enam  jenis struktur seluler berbahan filamen acrylonitrile butadiene  styrene  (ABS)  berdiameter  1,75  mm difabrikasi  dengan  printer  3D  jenis Fused  Deposition Modeling (FDM) Creality Ender 3 Pro dengan kecepatan print  1.800  mm/menit,  suhu nozzel 220 o C,  dan  suhu platform 95 o C. Struktur seluler yang divariasikan adalah: Cubic,  Gyroid, Honeycomb  3D, Rectilinear, Honeycomb, dan Rectilinear 45 o . Variasi jenis struktur seluler ini dapat dilihat  pada Gambar  1 .  Jenis  struktur  seluler  ini didapatkan  dengan  menggunakan  sifat  pengisi (infill properties) dari  aplikasi slicer (pengiris)  Prusa . Kemudian,  karakterisasi  mekanik  berupa  uji  kompres dilakukan di mesin Zwick-Roell Z250 dengan kecepatan uji 2 mm/menit. Nilai beban (N) dan perpindahan (mm) direkam  sepanjang  pengujian,  kemudian  beban maksimal  ( 𝐹 𝑚𝑎𝑥 ),  perpindahan  saat 𝐹 𝑚𝑎𝑥 ,  serta  luas  di bawah  kurva  Beban-Perpindahan  yang  menunjukkan nilai penyerapan energi dari masing-masing pola pengisi ditabulasikan  dalam Tabel  1. Selanjutnya,  karakteristik
deformasi dari spesimen selama uji kompres didokumentasikan  menggunakan  kamera mirrorless Sony  A5000  dengan  lensa  16-50  mm  F3,5-5,6  OSS. Skema  pengambilan  gambar  untuk  karakterisasi deformasi dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 1. Variasi jenis pengisi dengan fraksi volume 10%.
Gambar 2. Skema pengambilan gambar untuk karakterisasi deformasi.

## Hasil dan Diskusi
Dari hasil uji mekanik yang bisa dilihat pada Tabel 1 dan Gambar  3 ,  didapatkan  bahwa  struktur  seluler Cubic mempunyai kekuatan terbaik, diikuti dengan Gyroid, dan Honeycomb 3D. Struktur ini mempunyai topologi dalam bentuk  tiga  dimensi  (3D).  Struktur  yang  memiliki topologi  dua  dimensi  (2D)  yaitu Rectilinear 0 o , Rectilinear 45 o ,  dan Honeycomb tidak  mempunyai kekuatan  yang  tinggi.  Hasil  dari  nilai  kekuatan  yang dimiliki  struktur  dengan  topologi  3D  ini  sebanding dengan besarnya energi yang diserap, yang mana hal ini dapat dikalkulasi dari luasan di bawah kurva tegangan- regangan atau beban-perubahan jarak.
Cubic Gyroid Honeycomb 3D Rectilinear Honeycomb Rectilinear 45 o
Copyright © 2023 Journal of Science and Applicative Technology
J. Sci. Appl. Tech. vol. 7 (1), 2023, pp. 1-5 | 3 Published by: Lembaga Penelitian dan Pengabdian Masyarakat (LPPM) Institut Teknologi Sumatera, Lampung Selatan, Indonesia
Tabel  1. Kekuatan  maksimum  pada  struktur  seluler  dari  setiap pengujian.
Struktur Seluler Perpindahan saat 𝑭 𝒎𝒂𝒙 (mm) 𝑭 𝒎𝒂𝒙 (N) Luas di bawah kurva (N.mm) Cubic 1,10 937,66 1.703,43 Gyroid 0,98 869,73 1.364,48 Honeycomb 3D 0,55 602,86 1.201,04 Rectilinear 0,49 443,29 969,76 Honeycomb 0,60 258,63 817,85 Rectilinear 45 0 0,64 257,99 808.34
Gambar 3. Hasil pengujian tekan dari berbagai macam struktur seluler. Penanda-penanda  dalam  grafik  menunjukkan  spesimen  sebelum pembebanan (x), saat kekuatan 100% (  ), saat kekuatan turun sebesar 20%  ( ⁎ ),  dan  40%  ( О ).  Gambar  spesimen  diambil  pada  posisi-posisi penanda ini berada dan dipresentasikan pada Gambar 4.
Proses  deformasi  dari  spesimen  saat  mengalami pembebanan  diperlukan  untuk  mengetahui  mengapa struktur dengan topologi 3D mempunyai kekuatan dan penyerapan  energi  yang  baik. Gambar  4 menjelaskan bahwa  pada  kondisi  kekuatan  maksimum  (  ),    mulai terlihat  adanya  deformasi  yang  tidak  seragam  pada semua jenis spesimen. Selanjutnya, untuk melihat mode kegagalan  maka  proses pengamatan  deformasi dilanjutkan  pada  saat  kekuatan  struktur  menunjukkan penurunan  sebesar  20%  dari  kekuatan  maksimum  ( ⁎ ), dan  40%  dari  kekuatan  maksimum  ( О ).  Dapat  dilihat bahwa    pada  struktur  3D  yaitu Cubic , Gyroid dan Honeycomb  3D mempunyai  resistansi  terhadap  beban tekuk lebih tinggi daripada struktur dengan topologi 2D yaitu Rectilinear , Honeycomb  dan    Rectilinear 45 o . Resistansi yang tinggi ini disebabkan karena topologi 3D lebih bisa saling mengunci dan menyeimbangkan beban [9], [10].
Gambar  4. Foto  spesimen  sebelum  pembebanan  (x),  saat  kekuatan 100% (  ), saat kekuatan turun sebesar 20% ( ⁎ ) dan 40% ( О ).
Pada  struktur  bertopologi  3D, Cubic memiliki  kekuatan dan  penyerapan  energi  yang  lebih  tinggi  dibandingkan dengan Gyroid dan Honeycomb 3D . Seperti terlihat pada Gambar 5 , struktur Cubic didukung dengan jalur pengisi yang  bersilang  disetiap  lapisan  membentuk cubic dangan  orientasi  sudut  meghadap  arah  pembebanan. Hal  inilah  yang  menjadikan  struktur  ini  memiliki mekanisme  penguncian  yang  lebih  baik  [11].  Berbeda dengan Gyroid yang  strukturnya  didominasi  lekukan beradius  tanpa  bersilangan  dilapisan  yang  sama [9]. Sedangkan  untuk Honeycomb 3D didominasi  dengan silangan  berbentuk bridge (jembatan).  Silangan  ini membentuk  sekat  yang  mengurangi  daya  rekat  antar lapisan. Hal ini cukup berpengaruh terhadap mekanisme penguncian  dalam  menyeimbangkan  beban,  sehingga terjadi  penurunan  kekuatan  tekan  dan  penyerapan energi dari struktur [12].
Perpindahan (mm) Be ban (N) R ect ili n ea r 45 o Hon ey co m b R ect ili n ea r Ho n ey co mb 3D G yr oi d Cu b ic x
* o
e-ISSN: 2581-0545
Analisis Sifat Mekanik dari Struktur Seluler yang Difabrikasi dengan Printer 3D
Gambar 5. Topologi struktur 3D dari Cubic, Gyroid , dan Honeycomb 3D .
Pada  struktur  2D,  mekanisme  penguncian  untuk menyeimbangkan beban tidak sebaik pada struktur 3D. keberadaan  pilar-pilar  yang  sejajar  dengan  arah pembebanan  struktur  sangat  membantu  memberikan kekuatan lebih pada hasil pengujian. sedangkan struktur yang bersudut tanpa pilar pembantu akan lebih mudah terdeformasi  dengan  penyerapan  energi  yang  lebih sedikit.  Hal  ini  yang  menjadikan  alasan  struktur Rectilinear memiliki  kekuatan  yang  lebih  tinggi dibandingkan Honeycomb dan Rectilinear 45 o [10].

## Kesimpulan
Dari  hasil  pengujian  mekanik  dan  analisis  deformasi material dapat disimpulkan bahwa struktur seluler Cubic mempunyai  kekuatan  dan  penyerapan  energi  terbaik, diikuti  dengan  G yroid ,  dan Honeycomb 3D.  Struktur- struktur  ini  mempunyai  topologi  internal  tiga  dimensi sehingga lebih bisa saling mengunci dan meyeimbangkan  beban.  Hal  ini  menyebabkan  struktur ini  mempunyai  kekuatan  yang  lebih  tinggi  dan penyerapan  energi  yang  lebih  tinggi  dibandingkan dengan  struktur  dengan  topologi  2D,  yaitu Rectilinear , Honeycomb, dan Rectilinear  45 o .  Diantara  topologi internal  3D,    struktur Cubic mempunyai  karakteristik penyerapan  energi  terbaik  karena  mempunyai  jalur
pengisi yang bersilang disetiap lapisan dangan orientasi sudut  meghadap  arah  pembebanan.  Hasil  ini  dapat digunakan  sebagai  panduan  desain  struktur  ringan berbiaya  rendah  yang  mempunyai  karakteristik kekuatan dan penyerapan energi mekanik yang baik.

## Konflik Kepentingan
Penulis dengan ini menyatakan bahwa dalam penelitian ini tidak ada konflik kepentingan.

## Ucapan Terima Kasih
Ucapan  terima  kasih  kami  (A.M  dan  W.S.S)  sampaikan kepada  Kemenristekdikti/BRIN    yang  telah  mendanai penelitian ini melalui program Penelitian Dosen Pemula tahun  2020  dengan  SK.  Nomor:  8/E1/KPT/2020  dan nomor kontrak ITERA-DRPM: 129/SP2H/AMD/LT/DRPM/2020. Penulis juga berterima kasih  kepada  Kiki  Eko  Suwanto  yang  telah  membantu dalam pengujian spesimen.

## Referensi
[1] S. C. Han, J. W. Lee, and K. Kang, “A New Type of Low Density Material: Shellular,” Adv. Mater. , vol. 27, no. 37, pp. 5506 – 5511, Oct. 2015.
[2] J. J. Andrew, J. Schneider, J. Ubaid, R. Velmurugan, N. K. Gupta, and S. Kumar, “Energy absorption characteristi cs of additively manufactured plate-lattices under low- velocity impact loading,” Int. J. Impact Eng. , vol. 149, p. 103768, Mar. 2021.
[3] Z. Hu et al. , “Design of ultra -lightweight and high-strength cellular structural composites inspired by biomimetics,” Compos. Part B Eng. , vol. 121, pp. 108 – 121, Jul. 2017.
[4] X. Zheng et al. , “Ultralight, ultrastiff mechanical metamaterials,” Science (80-. ). , vol. 344, no. 6190, pp. 1373 – 1377, Jun. 2014.
[5] A. R. Studart, “Additive manufacturing of biologically -inspired materials,” Chem. Soc. Rev. , vol. 45, no. 2, pp. 359 – 376, 2016.
[6] R. Gautam, S. Idapalapati, and S. Feih, “Printing and characterisation of Kagome lattice structures by fused deposition modelling,” Mater. Des. , vol. 137, pp. 266 – 275, Jan. 2018.
[7] O. Al-Ketan, R. K. Abu Al- Rub, and R. Rowshan, “The effect of architecture on the mechanical properties of cellular structures based on the IWP minimal surface,” J. Mater. Res. , vol. 33, no. 3, pp. 343 – 359, Feb. 2018.
[8] B. Aloyaydi, S. Sivasankaran, and A. Mustafa, “Investigation of infill-patterns on mechanical response of 3D printed poly-lactic- acid,” Polym. Test. , vol. 87, no. November 2019, p. 106557, Jul. 2020.
[9] D. W. Abueidda, M. Elhebeary, C.-S. (Andrew) Shiang, S. Pang, R. K. Abu Al- Rub, and I. M. Jasiuk, “Mechanical properties of 3D printed polymeric Gyroid cellular structures: Experimental and finite element study,” Mater. Des. , vol. 165, p. 107597, Mar. 2019.
Copyright © 2023 Journal of Science and Applicative Technology
J. Sci. Appl. Tech. vol. 7 (1), 2023, pp. 1-5 | 5 Published by: Lembaga Penelitian dan Pengabdian Masyarakat (LPPM) Institut Teknologi Sumatera, Lampung Selatan, Indonesia
[10] T. Li, Y. Chen, X. Hu, Y. Li, and L. Wang, “Exploiting negative Poisson’s ratio to design 3D -printed composites with enhanced mechanical properties,” Mater. Des. , vol. 142, no. March, pp. 247 – 258, Mar. 2018.
[11] C. Silva, A. I. Pais, G. Caldas, B. P. P. A. Gouveia, J. L. Alves, and J.
Belinha, “Study on 3D printing of gyroid -based structures for superior structural behaviour,” Prog. Addit. Manuf. , vol. 6, no. 4, pp. 689 – 703, Dec. 2021.
[12] F. N. Habib, P. Iovenitti, S. H. Masood, and M. Nikzad, “Cell geometry effect on in-plane energy absorption of periodic honeycomb structures,” Int. J. Adv. Manuf. Technol. , vol. 94, no. 5 – 8, pp. 2369 – 2380, Feb. 2018.