## OPTIMASI GASIFIKASI SEKAM PADI TIPE FIXED BED DOWNDRAFT DENGAN MEMVARIASIKAN HISAPAN BLOWER SUPAYA MENGHASILKAN KANDUNGAN TAR SESUAI STANDAR
Samsul Maarif, Sorimuda Harahap
Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Pancasila Jakarta E-mail: maarif.sem@gmail.com
Abstrak-- Sekam padi merupakan salah satu biomassa yang memiliki potensi energi sebesar 3,84 GW. Dengan  proses  gasifikasi  biomassa,  sekam  padi  bisa  menghasilkan  energi. Pada  beberapa  aplikasi yang menggunakan gas hasil gasifikasi sebagai sumber energi, terdapat standar untuk jumlah tar yang diijinkan  sebelum  masuk  ke  mesin  atau  engine.  Untuk  mengetahui  jumlah  tar  yang  dihasilkan  pada proses gasifikasi dengan bahan bakar sekam padi, maka dibutuhkan alat ukur atau pengukuran pada gas  yang  dihasilkan  dari  proses  gasifikasi .  Penelitian  ini  menggunakan  sistem  fixed  bed  downdraft gasifier.  Dengan  memvariasikan hisapan  blower  supaya  diketahui  titik  optimum  dan  menghasilkan kandungan tar sesuai standar. Hisapan blower yang berbeda, didapatkan temperatur titik kondensasi tar  yang  berbeda.  Karena  perbedaan  temperatur,  didapatkan  kandungan  tar  sebelum  dan  sesudah filtering mengalami penurunan. Hasilnya, saat n = 846 rpm kandungan tar sebelum filtering yaitu, 12,92 mg/m 3 .  Sedangkan  kandungan  tar  setalah  filtering  yaitu,  5,97  mg/m 3 .  saat  hisapan  blower  dinaikan maka kandungan tar akan bertambah karena pengaruh dari pressure drop.
Kata kunci: gasifikasi biomassa, fixed bed downdraft, tar, pirolisis, sekam padi
Abstract-- Rice  husk  is  one  of  the  biomass  that  has  energy  potential  of  3,84  GW.  With  biomass gasification process, rice husk can produce energy. In some applications that use gasification gas as an energy source, there is a standard for the amount of tar allowed before entering the engine or engine. To find out the amount of tar generated in the process of gasification with rice husk fuel, the required measuring instrument or measurement on the gas resulting from the gasification process. This research uses fixed bed downdraft gasifier system. By varying the suction blower to determine the optimum point and  produce  the  tar  content  according  to  the  standard.  Different  sucking  blowers,  obtained  different pyrolysis temperature. Due to the temperature difference, the tar content before and after the filtering decreased. The result, when n = 846 rpm of tar content before filtering ie, 12.92 mg / m3. While the tar content after filtering that is, 5.97 mg / m3. when the suction blower increased then the tar content will increase due to the influence of pressure drop.
Keywords : biomass gasification, fixed bed downdraft, tar, pyrolysis, rice husk
1.  PENDAHULUAN
Sekam padi, salah satu tipe biomassa, merupakan limbah hasil proses penggilingan padi. Sekam padi hampir seragam dari sisi bentuk dan ukuran,  serta  sesuai  untuk  diproses  lagi.  Akan tetapi, sekam padi mempunyai struktur yang keras dan kurang cocok untuk fermentasi, karena kadar lignin dan silika (SiO 2 ) yang tinggi (Asian Biomass Handbook, 2012). Saat ini, dengan meningkatnya kebutuhan  untuk  memanfaatkan  residu  menjadi energi  ( waste  to  energy ),  banyak  periset  yang fokus  dalam  riset  untuk  mengubah  sekam  padi menjadi  bahan  bakar.  Gasifikasi  biomassa dengan sekam padi merupakan salah satu energi terbarukan  yang  kemungkinan  besar  bisa berkembang di negara agraris seperti Indonesia. Potensi energi biomassa di Indonesia diperkirakan  mencapai  35,6  GW  (Pranoto, Pandin,  Rahmah  Fithri,  &  Nasution,  2013)  dan potensi  sekam  padi  adalah  sebesar  3,84  GW. Sebelum  dimanfaatkan  sebagai  bahan  bakar, maka ada dua analisis yang bisa digunakan untuk
menguji kandungan zat – zat yang terkandung di dalam  sekam  padi  yaitu,  analisis  ultimat  dan analisis proksimat. Hasil analisis bisa dilihat pada tabel 1.

## Tabel 1. Karakteristik sekam padi
Parameter Analisis Nilai Satuan Proksimat Moisture 7,82 % Ash 20,61 % Volatile Matter 57,66 % Fixed Carbon 13,91 % Ultimat Sulfur 0,12 % Carbon Hydrogen 35,03 % Hydrogen 5,46 % Nitrogen 0,29 % Oxygen 38,49 % Gross Calorific Value 3330 cal/g
Gasifikasi  biomassa  merupakan proses konversi  energi  dari  bahan  baku  biomassa menjadi  bahan  bakar  gas  yang  disebut  dengan producer  gas .  Kandungan  dari  gas  ini  adalah karbon  monoksida  (CO),  hidrogen  (H 2 ),  dan
metana (CH 4 ). Gas ini bisa digunakan untuk mesin pembakaran dalam (Rajvanshi, 1986).
Gambar 1. Produk dari gasifikasi
Pada  beberapa  aplikasi  yang  menggunakan gas  hasil  gasifikasi  sebagai  sumber  energi, terdapat  standar  untuk  jumlah  tar  yang  diijinkan sebelum  masuk  ke  mesin  atau engine .  Untuk mengetahui  jumlah  tar  yang  dihasilkan  pada proses  gasifikasi  dengan  bahan  bakar  sekam padi, maka dibutuhkan alat ukur atau pengukuran pada  gas  yang  dihasilkan  dari  proses  gasifikasi. Untuk mengukur jumlah tar yang dihasilkan pada alat Fixed Bed Downdraft Gasifier . Pengukuran ini juga  dimaksudkan  untuk  mengetahui  berapa banyak tar yang dapat diminimalisasi oleh filtering pada konfigurasi-konfigurasi tertentu.

## 2.  TINJAUAN PUSTAKA
Dalam gasifikasi, bahan bakar mengalami empat proses, yaitu: 1. Pengeringan Kelembapan  pada  bahan  bakar  akan  menguap pada  proses  ini.  Nilai  kelembapan  dari  bahan bakar sangat menentukan, karena semakin tinggi kelembapan maka semakin tinggi energi di dalam reaktor  yang  digunakan  untuk  mengeringkan bahan  bakar.  Oleh  karena  itu,  kelembapan  dari bahan  bakar  pada  gasifikasi  biomassa  dibatasi pada  jangkauan  10%  -  20%.  Proses  ini  akan berlangsung  hingga  temperatur  kira  –  kira mencapai 200 0 C.
2. Pirolisis Pirolisis  merupakan  proses  dekomposisi  dari bahan  bakar  pada  temperatur  tertentu  dengan udara  yang  terbatas.  Pirolisis  hampir  sama dengan pengeringan, tapi temperatur pirolisi lebih tinggi daripada pengeringan. Temperatur pirolisis bisa mencapai 300 – 700 0 C (Basu, 2010).
Akibat  dari  pirolisis  yang  terjadi  didalam reaktor,  proses  gasifikasi  menghasilkan  tiga produk dengan fase yang berbeda, yaitu cair, gas,
dan  padat.  Produk  cair  dari  pirolisis  adalah tar . Sedangkan  produk  gas  dan  padat  adalah producer gas dan arang. Proses dari pirolisis bisa dinyatakan dengan reaksi berikut. ( ) ⎯⎯ + + +  ( )
Setiap  produk  memiliki  syarat  masing  – masing  hingga  bisa  terbentuk.  Berikut  syarat  – syaratnya:
- Untuk memaksimalkan produk berupa arang, maka laju pemansan harus rendah (<0.01 – 2 0 C/s),  temperatur  rendah,  dan  waktu  yang lama
- Untuk memkasimlakan produk cairan,  maka temperatur  harus  sedang  (~500 0 C),  dan waktu yang singkat
- Untuk  memaksimalkan  produk  gas,  maka laju  pemanasan  harus  rendah,  temperatur yang tinggi (~700 0 C), dan waktu yang lama.
3. Oksidasi
Pada proses ini, arang dan gas hasil dari pirolisis bereaksi dengan suplai udara sehingga menghasilkan produk berupa CO 2 dan H 2 O serta energi  panas.  Energi  panas  dari  oksidasi digunakan untuk energi pengeringan dan pirolisis. Temperatur dari oksidasi ini sangat tinggi, dengan jangkauan 800 – 1400 0 C. Berikut reaksinya:
C + O 2  CO 2 CO + ½ O 2  CO 2 H 2 + ½ O 2  H 2 O CH 4 + 2O 2  CO 2 + 2H 2 O
4. Reduksi
Proses  reduksi  merupakan  tempat  reaksi  hasil dari  produk  oksidasi  serta  menghasilkan  produk berupa CO, H 2 , dan CH 4 . Dengan kata lain, proses ini  sebagian  besar  menghasilkan  energi  yang diperlukan oleh producer gas . Berikut reaksinya:
C + CO 2  2CO C+ H 2 O  CO + H 2 C + 2H 2  CH 4 CO + H 2 O  CO 2 + H 2
CH 4 + H 2 O  CO + 3H 2
Pada  proses  gasifikasi  sekam  padi, dimana gas  mentah  dibakar  secara  langsung  tanpa pendinginan,  tidak  perlu  dibersihkan.  Sistem seperti  itu  tidak  memiliki  batasan  jumlah  tar  dan partikulat selama gas tersebut bergerak bebas ke pembakar  dan  selama  desain  pembakar  tidak memberlakukan  batasan  tersendiri.  Namun,  gas buang yang dihasilkan setelah pembakaran harus memenuhi persyaratan emisi lokal.
Tabel 2. Batas Maksimal Partikel dan Tar untuk Gas Hasil Gasifikasi Biomassa
Pengukuran
tar dimaksudkan
untuk mengetahui massa tar per satuan volume gas dan jenis  tar  yang  dihasilkan  oleh  suatu gasifier . Banyak  metode  untuk  mengetahui  kadar  atau konsentrasi  tar  pada  gas  producer,  seperti contohnya  melakukan sampling terdahap  gas dengan  menggunakan  tabung-tabung  impinger, analisa spektrografi dengan menggunakan photo- ionization detector ,  ataupun  dengan  metode- metode lainnya. Banyak metode untuk mengukur konsentrasi tar namun demikian, kami memutuskan  untuk  mengunakan  metode gas sampling yang  telah  terstandardisasi  yaitu berpegang  pada Guideline  for  Sampling  and Analysis of Tar and Particles in Biomass Producer Gases yang  telah  mendapat  CEN  ( Comité Européen  de  Normalisation )  standar  dan  pada prinsipnya  mempunyai  range  ukur  yang  besar yaitu  1  mg/m 3 -  300  g/m 3 satuan  volume  gas produser.  Pada  metode  ini  ada  beberapa  hal penting  dalam  proses  pengukuran  tar,  yaitu isokinetik sampling , tar  collector  module , volume sampling module.
Gambar 2. Skematika Alat Pengukur Tar (J.P.A. Neeft, H.A.M. Knoef, U.)
Modul penangkap tar atau module tar collector terdiri dari tabung-tabung impinger, box kondensasi dan solvent dan akan dijelaskan satu persatu  dasar  pemilihan  atau  dasar  teori pemilihan jenis dari alat-alat tersebut.
1.  Tabung-tabung Impinger
Tabung-tabung  impinger  yang  digunakan  adalah 6 buah tabung impinger standar dengan kapasitas 100  ml  atau  250  ml  dan  harus  mampu mengalirkan gas antara 0.1-0.6 m3/h.
2.  Box Kondensasi
Gambar 3. Ilustrasi Box kondensasi
Box kondensasi digunakan untuk
mengkondensasikan gas sampling didalam tabung-tabung  impinger.  Pada  box  pertama  diisi dengan air dan dijaga temperaturnya pada 20oC. Pada  box  kedua  diisi  dengan  material  yang mampu membuat temperatur hingga -20 o C, untuk hal ini ada beberapa pilihan diantaranya adalah:
Tabel 3. Jenis-jenis Cooling Bath yang biasa
digunakan Mixture T ( 0 C) CaCl 2 .6 H 2 O/ice 1:2.5 -10 NaCl/ice 1:3 -20 Carbon Tetrachloride/CO 2 -23 Acetonitrile/CO 2 -42 CaCl 2 .6 H 2 O/ice 1:0.8 -40 Acetone/CO 2 -78 Methanol/N 2 -98 Liquid N 2 -196
Campuran  es  batu  dan  garam  dipilih  karena alasan harganya lebih murah dan cara memperolehnya yang mudah.
Tabel 4. Jenis-jenis Solvent Jenis Solvent Kelebihan Kekurangan Isopropanol
(CH 3 ) 2 CHOH Aman digunakan, titik didih menengah (82 0 C). Digunakan  untuk mendapatkan  tar dalam jumlah banyak. Aseton CH 3 COCH 3 Titik didih yang menengah (56 0 C), aman digunakan. Mudah terbakar
Iso-oktan
(CH 3 ) 3 CCH 2 CH (CH 3 ) 2 Tidak dapat tercampur dengan air. Memiliki titik didih tertinggi  (99.3 0 C) dibandingkan dengan yang lain.
Dichloromet an CH 2 Cl 2
Titik didih yang rendah (43 0 C) sehingga memudahkan dalam proses penguapan. Bersifat karsinogen  atau penyebab kanker. Aplikasi Partikel (g/m 3 ) Tar (mg/m 3 ) Direct Combustion No limit No limit Syngas Production 0.02 0.1 Gas Turbine 0.1 - 120 0.05 – 5 IC Engine 30 50 – 100 Pipeline Transport - 50 – 500 for compressor
3.  Solvent Solvent atau pelarut digunakan untuk mengendapkan  (menangkap)  tar  yang  ada didalam gas  producer .  Dalam Guideline  for Sampling  and Analysis  of  Tar  and  Particles  in Biomass  Producer  Gases direkomendasikan beberapa jenis solvent yaitu: isopropanol, aseton, iso-oktan dan dichlorometan.

## 3.  METODE PENELITIAN
Peralatan yang digunakan dalam sistem gasifkasi terdiri dari:
 Reaktor,  tempat  sekam  padi  mengalami proses gasifikasi
 Blower  tiup,  untuk  memberikan  suplai  udara ke dalam reaktor
 Blower  hisap,  untuk  menyedot  producer  gas menuju burner
 Filtering , untuk menyaring gas supaya bersih dari tar
 Burner, terbakarnya producer gas
 Inverter,  untuk  mengatur  kecepatan  putar blower hisap
 Termokopel dan data logger, untuk menghitung  distribusi  temperatur  di  dalam reaktor
 Timbangan,  untuk  mengukur  massa  dari sekam padi dan pengukuran tar
 Pipa  gas  sampling,  untuk  mendapatkan sampel gas yang akan di ukur
 Sekalang  silikon,  mengalirkan  gas  dari  pipa gas sampling
 Box  kondensasi,  tempat  untuk  wadah impinger
 Tabung impinger, untuk wadah penangkap tar
 Pompa vakum, untuk menghisap syngas dari pipa gas sampling
 Rotameter,  untuk  mengontrol  aliran  hisapan pompa vakum
 Solvent  atau  pelarut  digunakan  untuk menangkap tar pada producer gas
 Termometer  digital,  untuk  pengukuran  suhu pada box kondensasi
 Kompor induksi, untuk memanaskan tambung impenger supaya solvent menguap
 Ball  valve ,  untuk  membuka  dan  menutup aliran gas yang dihisap.
Proses  pengujian  dilakukan  dengan  tahapan, yaitu:
1.  Menimbang massa dari sekam padi
2.  Menyiapkan set pengambilan tar
3.  Menghubungkan  set  pengambilan  tar  pada pipa gas sampling
4.  Ignisi reaktor dengan DEX dan pemantik gas portabel
5.  Menyalakan    suplai     udara     primer dengan bukaan 45 0
6.  Menghisap  producer  gas  dengan  blower hisap
7.  Menyalakan  producer  gas  di  dalam  burner menggunakan pemantik gas portabel
8.  Membuka ball valve pada pipa gas sampling 9.  Menyalakan pompa vakum ketika flame pada burner menyala
10.  Penambahan      sekam      padi      hingga mengambilan  data  telah  selesai  dan  flame pda burner talah padam
11.  Mengambil  tabung  impinger  pada  box kondensasi
12.  Memanaskan tabung impinger supaya solvent atau aseton menguap
13.  Menimbang tabung impinger yang berisi tar
14.  Membersihkan tabung impinger
15.  Menimbang  kembali  tabung  impinger  yang kosong
16.  Mencatat selisih kandungan tar sebelum dan sesudah filtering
Massa tar  yang terukur (dalam satuan gram) kemudian  dirubah  menjadi  massa  tar  persatuan gas  produser(g/m 3 )  karena  untuk  menyamakan dengan satuan tar yang ada pada standar. Berikut perhitungannya:

## 4.  HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  pengambilan  kandungan  tar  sebelum  dan sesudah  filtering  pada  gasifikasi  menggunakan bahan  bakar sekam  padi  ada  perbedaan,  berarti sistem  filtering  pada  alat  gasifikasi  ini  berfungsi. Pada  penelitian  ini  mencari  titik  optimum  pada hisapan blower dimana kandungan tar yang lebih sedikit.
Tabel 5. Kandungan Tar Sebelum Filtering Kecepatan Hisap (n) 846 rpm 1128 rpm 1410 rpm 1692 rpm Massa Tar (g) 0,93 1,38 1,54 1,82 Sample Gas Flowrate (lpm) 12 12 12 12 Waktu Hisap (menit) 6 6 6 6 Kandungan Tar (mg/m 3 ) satuan volume gas 12,92 19,17 21,39 25,28 Tabel 6. Kandungan Tar Setelah Filtering Kecepatan Hisap (n) 846 rpm 1128 rpm 1410 rpm 1692 rpm Massa Tar (g) 0,43 0,85 0,86 1,03
Sample Gas Flowrate (lpm) 12 12 12 12 Waktu Hisap (menit) 6 6 6 6 Kandungan Tar (mg/m 3 ) satuan volume gas 5,97  11,80  11,94  14,30
Gambar 4. Grafik Kandungan Tar dengan Kecepatan Hisap Blower
Pada pengujian tar sebelum filtering , dilakukan  dengan  variasi  kecepatan  hisap 846 rpm,  1128  rpm,  1410  rpm  dan  1692  rpm.
Kandungan  tar  meningkat  seiring dengan kenaikan flowrate dari hisapan blower . Kandungan  tar  maksimal  yang terukur  adalah 25,28  mg/m3  satuan  volume  gas  produser  pada kecepatan hisapan blower, kandungan tar minimal yang terukur adalah 12,92 mg/m3 satuan volume gas produser.
Gambar 5. Grafik Kandungan Tar Sesudah Filtering
Pada pengujian tar sesudah filtering , dilakukan  dengan  variasi  kecepatan  hisap 846 rpm,  1128  rpm,  1410  rpm  dan  1692  rpm.
Kandungan  tar  meningkat  seiring dengan kenaikan flowrate dari hisapan blower . Kandungan  tar  jika  dibandingkan  sebelum  dan sesudah filtering , hasil kandungan tar lebih sedikit setelah  proses filtering .  Maka  filter  yang menggunakan media dari jerami sekam padi bisa mengurangi kandungan tar. Kandungan tar  yang awalnya 19,17 mg/m 3 menjadi 11,80 mg/m 3 pada kecepatan  hisap  putaran  motor  1128  rpm.
Hisapan  blower  jika  ditambahan  maka  akan mengakibatkan  kandungan  tar  bertambah  dan suplai bahan bakar juga akan lebih banyak. Untuk kandungan  gas  jika  hisapan  blower  bertambah maka  kondisi  temperatur  pada flame burner semakan tinggi.
Gambar 6. Grafik Temperatur flame burner dengan Hisapan blower
Gambar 7. Produksi Bahan Bakar dengan Kecepatan Hisapan Blower
Hisapan blower mempengaruhi pada produksi bahan  bakar.  Jika  hisapan  blower  rendah  maka produksi bahan bakar yang di masukan ke reaktor juga  rendah  dan  jika  hisapan  blower  di  naikan maka produksi bahan bakar ke dalam reaktor juga akan  bertambah,  ini  mengakibatkan  kandungan gas kaya pada saat hisapan blower di naikkan.

## 5.  KESIMPULAN
1.  Produksi  bahan  bakar  mempengaruhi  pada hisapan blower, karena jika hisapan blower di naikkan  maka  bahan  bakar  yang  di  dalam reaktor juga cepat habis.
2.  Hisapan  blower  pada  kecepatan  846  rpm, kandungan tar nya paling rendah. jika hisapan blower  dinaikan  maka  kandungan  tar  akan bertambah juga.
3.  Hisapan blower yang paling rendah menghasilkan  temperatur  pada  flame  burner juga rendah dan jika hisapan blower dinaikan maka  akan  mengasilkan  temperatur  flame burner akan tinggi.
4.  Kandungan  tar  sebelum  dan  setelah  filtering ada  berbedaan,  jadi  alat  filtering  ini  bisa mengurangi kandungan tar pada producer gas.

## DAFTAR PUSTAKA
[1].  Asian Biomass Center. 2012. Asian Biomass Handbook .
[2].  Balai  Pengkajian  dan  Penelitian  Teknologi. 2013. Indonesia Energi Outlook 2013 .
[3].  Barman,  N.  S.,  Ghosh,  S.,  De,  S.,  2012. Gasification  of  biomass  in  a fixed  bed downdraft  gasifier –  A  realistic  model including  tar.  Bioresource  Technology;  107; 505-511.
[4].  Basu,  Prabir.  (2010).  Biomass  Gasification and  Pyrolysis  Practical  Design.  Academic Press Publication: Elsevier.
[5].  Cao, Yan, Wang, Yang, Riley, John. T., 2006. A  novel  biomass  air gasification process  for producing  tar-free  higher  heating  value  fuel gas.  Fuel  Processing  Technology  ;87;    pp 343 – 353
[6].  Gek,  2008.  Simplified  Straight  Reduction Tube Tar Recirculation Hearth, (http://gek gasifier .pbworks.com/Simplified- straight-reduction-tube-tarrecirculation- hearth).
[7]. Handbook  of  Biomass  Downdraft  Gasifier Engine  System .  US  Department  of  Energy. 1988
[8].  Houston,  D.  F.,  1972.  Rice  Chemistry  and Technology. St.  Paul,  MN, American Association of Cereal Chemists, 301-340.
[9].  ISO 5167-1:2003. Orifice Meter tapping and standard.
[10]. Jhibril,  2012.  Implementasi  pengukuran  tar pada fixed  bed  downdraft  gasifier .  Skripsi Tugas Akhir; Universitas Indonesia.
[11]. J.P.A. Neeft, H.A.M. Knoef, U. etc Guideline for  Sampling  and  Analysis  of  Tar  and Particles  in  Biomass  Producer  Gases Version 3.3.
[12]. Kaupp, A., Gross, JR. (1981): State of  the art for  small  (2-50  kW)  gas  producer  engine system,  Final  Report  to  USDA,  Forest Service, Contract No 53 – 39R-0-141.
[13]. Khalil, R.,  Varhegyi, G., Jaschke, S., Gronli, MG.,  Hustad,  J.  (2009):  CO2  gasification  of biomass chars: a kinetic study, Energi Fuels; 23: pp 94–100.
[14]. Kucuk,  M.  M.  and  Demirbas,  A.,  1997. Biomass  conversion  processes.  Energy Conversion  and  Management  38,  pp  151- 165.
[15]. Kumar,  A.,  Jones,  D.,  A  Hasan,  M.,  (2009): Thermochemical  biomass  gasification:  A Review of  current status of the thecnology “, Energies ;2; pp 556 – 581
[16]. Machin,  E.  B.,  Pedroso,  D.  T.,  Proenza,  N., Silveira, J. L., Conti, L., Braga, L. B., Machin, A.  B.,  2015.  Tar  reduction  in  downdraft biomass gasifier using  a primary method. Renewable Energy; 78; pp 478-483.
[17]. Mande, S., Kishore, V. V. N., 2007. Towards Cleaner  Technologies:  A  Process  Story  on Biomass Gasifier s  for  Heat  Applications  in Small  and  Micro  Enterprises;  TERI  Press, The  Energy  and  Resources  Institute;  New Delhi.
[18]. Mandl,  C.,  Obernberger,  I.,  Biedermann,  F., 2010.  Modeling  of  an  updraft  fixed-bed gasifier operated with softwood pellets. Fuel;
89; pp 3795-3806.
[19]. Pekka Simell, dkk Provisional protocol for the sampling and analysis of tar and particulates in the gas from large-scale biomass gasifiers. Version 1998 Pergamon 1999
[20]. Prando, D., Shivananda, A. S., Chiaramonti, D.,  Baratieri,  M.,  Dasappa,  S.,  2016. Characterisation of the producer gas from an open top gasifier : Assessment of different tar analysis approaches. Fuel; 181; pp 566-572.
[21]. Reed, 1981. A Survey of Biomass Gasification,  Vol.  1-  III,  SERI/TR-33-239, edited  by  Solar  Energy  Research  Institute, Golden, Colo., 1979. Published in hard cover as  T.  Reed,  editor,  Biomass  Gasification:
Principles and Technology, Energy Technology  Review  No.  67,  Noyes  Data Corp, Park Ridge, N.J. 1981.
[22]. Ruiz,  J.A.,  Jua´  rez,  M.C.,  Morales,  M.P., Mun˜oz, P.,  Mendı´vil. M.A. (2013): Biomass gasification for electricity generation: Review of  current  technology  barriers,  Renewable and Sustainable Energi Reviews ;18; pp 174– 183.
[23]. Woolcock,  P.  J.,  2013.  Development  and application of a rapid sampling technique for identification and quantification of compounds  in  high  temperatur  process  gas streams produced from biomass gasification and pyrolysis. Graduate Theses and Dissertations, Iowa State University.
[24]. Yoon, Sang Jun, Son, Yung-Il, Kim, Yong Ku, Lee, Jae Goo. 2012. Gasification and power generation  characteristics  of  rice  husk  and rice husk  pellet  using a downdraft fixed-bed gasifier . Renewable Energy; 42; pp 163-167.

## STUDI PERANCANGAN COMBINATION TOOL AIR VENT NON-CYLINDER
DENGAN METODE VDI 2222
Riona Ihsan Media, Riky Adhiharto, Endjang Patriatna, Uci Primayangputri Jurusan Teknik Perancangan Manufaktur, Politeknik Manufaktur Negeri Bandung E-mail: rio_sanmed@polman-bandung.ac.id
Abstrak-- Air  vent  non-cylinder  adalah  salah  satu  produk  yang  digunakan  sebagai  cerobong pembuangan aliran udara dari dalam ke luar pada bangunan pabrik maupun kantor. Produk ini awalnya dibuat dengan menggunakan dua alat bantu proses yaitu untuk pemotongan dan pembentukkan  secara  terpisah.  Banyak  parameter  yang  harus  diatur  sehingga  tidak  efektif dan  efisien  dalam  waktu  proses.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  menghasilkan  konsep rancangan  combination  tool  yang  merupakan  alat  bantu  pembuatan  produk  menggunakan  bahan dasar  lembaran  pelat  dengan  menggabungkan  fungsi  pemotongan  dan  fungsi  pembentukkan  pada satu  kali  proses.  Variasi alternatif konsep  serta tahapan proses dibuat  kemudian dinilai berdasarkan beberapa faktor sehingga didapat konsep terpilih pada proses perancangan berdasarkan metode VDI 2222. Dari proses perancangan tersebut dihasilkan konsep rancangan combination tool dengan dimensi 1012 mm x 826 mm x 516 mm serta total gaya combination tool sebesar 97,5 ton.
Kata kunci: combination tool, drawing process, deep drawing, presstool, VDI 2222
Abstract --Air vent non-cylinder is one of the products used as a stack exhaust air flow from inside to the outside of factory building and office. This product was originally created using two process tools i.e for cutting and forming separately. Many parameters must be set so that it is ineffective and efficient. This study aims to produce the concept of combination tool design which is a tool for making products using  sheet  metal  by  combining  cutting  and  forming  a  one-time  process.  Variations  of  alternative concepts and process  stages are made then assessed  based on several factors to get the concept selected in the design process based on VDI 2222 method. From the design process is produced the concept  of  combination  tool  design  with  dimensions  of  1012  mm  x  826  mm  x  516  mm  and  total combination style 97.5 tons.
Keywords: combination tool, drawing process, deep drawing, presstool, VDI 2222

## 1.  PENDAHULUAN
Perkembangan  industri  semakin  pesat  dengan adanya  teknologi  informasi  yang  dapat  diakses dengan  mudah  oleh  siapa  saja  dan  dimana  saja. Mereka  dituntut  untuk  selalu  mengikuti  kemajuan teknologi  pada  setiap  lini  produksinya.  Pada umumnya,  teknologi  yang  digunakan  adalah otomatisasi  dalam  menghasilkan  produk  untuk mencapai produktifitas yang sangat tinggi. Proses menghasilkan  suatu  produk  dari  bahan  mentah/ setengah  jadi  menjadi  bahan  yang  sudah  siap digunakan dengan adanya nilai tambah melibatkan teknologi  didalamnya  disebut  proses  manufaktur (Kalpakjian, 2005:22-36).
Didalam  industri  manufaktur,  istilah Quality , Cost ,  and Delivery ( QCD )  merupakan  hal  yang sangat  berhubungan  erat  dalam  setiap  aktivitas produksi  (Biswajit,  2015:74-82).  Kualitas  ( quality ) produk  yang  dihasilkan  dituntut  untuk  sesuai dengan  standar  yang  berlaku  dipasar  sehingga harga  dasar  ( cost )  yang  ditawarkan  ke  pasar sangat tinggi karena berkaitan dengan waktu dan proses  pengerjaannya ( delivery ). Oleh karena itu, seringkali  industri  melibatkan  institusi  pendidikan dalam  membantu  memenuhi  kebutuhan  pasar dengan cara optimalisasi produk atau proses.
PT  Tamura  adalah  perusahaan  manufaktur
yang  bergerak  dalam  bidang  instalasi  pengatur temperatur  udara.  Salah  satu  produk  yang dihasilkan adalah air vent non-cylinder . Produk ini berfungsi  untuk  mengalirkan  udara  dari  dalam  ke luar  ruangan  yang  dipasang  pada  setiap  dinding- dinding  terluar  pada  bangunan  seperti  gedung perkantoran dan pabrik.
Pada  awalnya,  produk  ini  dibuat  dengan menggunakan alat bantu ( tools ) proses sebanyak tiga  buah.  Proses  pertama  adalah  pemotongan ( cutting ),  kedua  adalah  pembentukkan  ( forming ) dan ketiga adalah pemotongan sisi ( parting ). Ketiga proses  diatas  tentunya  sangat  menyita  waktu, terutama  dalam  hal  pengaturan  parameter  dari tiap-tiap tools .
Penelitian  ini  bertujuan  untuk  mengkaji  serta membuat rancangan combination tools yang dapat menggabungkan ketiga proses pembuatan menjadi  satu  kali  proses  sehingga  diharapkan mampu  bersaing  dengan  industri  sejenisnya. Metode  VDI  2222 merupakan  perumusan  desain secara  sistematik  dan  pengembangan  berbagai macam  metode  desain  sebagai  akibat  kegiatan penelitian  (Pahl,  2010).  Sehingga,  metode  ini digunakan  dalam  proses  perancangan  dengan menambahkan  beberapa  penyesuaian  parameter didalamnya.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Presstool
Press  tool adalah  peralatan  produksi  atau cetakan  yang  berfungsi  untuk  memotong (cutting) dan  membentuk (forming) material pelat  baja (sheet  metal) yang  hasil  akhirnya menjadi suatu produk yang disebut sheet metal product. Proses  memotong  dan  membentuk tersebut dilakukan dengan menggunakan mesin press sehingga  dihasilkan  produk sheet  metal dengan  jumlah  yang  banyak (mass  production) dan kualitas yang konsisten (Theryo, 2009:63).
2.2 Combination Tool Combination tool
adalah tool yang menggabungkan  dua  atau  lebih tool proses pemotongan  dan  proses  pembentukan  secara bertahap  pada station yang  sama  dalam  satu kali operasi (stroke). Tujuan pembuatan combination  tool adalah  mengurangi  biaya pembuatan tool dengan  mereduksi  jumlah tool untuk membuat sebuah produk, memperpendek cycle time, dan penghematan pemakaian mesin.

## 2.3 Proses pemotongan
Dalam proses pemotongan (Gambar 2.1.) untuk produk air  vent non-cylinder  terdapat  dua  jenis proses pemotongan yaitu pemotongan keseluruhan  seperti  pada  Gambar  2.1(a) ( blanking )  dan  pemotongan  sebagian  seperti pada Gambar 2.1(b) ( parting ).
(a) blanking (b) parting scrap Produk
Gambar 2.1 Jenis proses pemotongan
Pemotongan  keseluruhan  adalah  proses pemotongan  pada  seluruh  sisi  dari  bentuk produk yang menghasilkan produk secara utuh. Sedangkan  pemotongan  sebagian  merupakan pemotongan untuk menghasilkan produk dengan  pemotong  pembagi  dan  bagian  yang terpotong menjadi scrap atau tidak terpakai. Pada  tahapan  pemotongan,  parameter penetrasi  dari  alat  dan  jarak  kebebasan ( clearance )  menjadi  pertimbangan  selanjutnya. Besarnya penetrasi normal dapat menggunakan faktor pengali 0.3 s.d. 0.5 dari tebal pelat (Ivana, 2006).  Sedangkan  untuk clearance didapatkan dengan melihat tabel konstanta dengan memasukkannya kedalam pers. (1).
= (1)
dimana,
CL = besarnya clearance per-sisi (mm); c = konstanta material; dan S  = tegangan geser material (N/mm 2 ).
Selain mempertimbangkan parameter diatas, diperlukan juga perhitungan jumlah energi yang dibutuhkan untuk memotong sheet metal (pers. (2)) dengan mengalikan konstanta 0.8 terhadap besarnya  tegangan  maksimum  material  0.8 serta dikalikan dengan hasil perhitungan keliling potong  dari  produk  dan  tebal  pelat  (Hilbert, 1970).
= 0,8 ∙ ∙ ∙ (2)
dimana,
Ps  = besarnya gaya yang dibutuhkan (N);
= tegangan maksimum (N/mm 2 );
K  = keliling potong (mm); dan
s  = tebal pelat (mm).

## 2.4 Proses pembentukkan
Pada proses pembentukkannya, produk air vent non-cylinder dibentuk  dengan  menggunakan metode deep  drawing  tools . Metode  ini digunakan  untuk  membentuk sheet  metal menjadi  bentuk  mangkuk  atau  wadah  dengan bentukan  konturnya  mengikuti punch dan dies tanpa  mengurangi  ketebalan  serta volume secara signifikan (Schuler, 2002:156).
Berdasarkan  bentukannya, deep  drawing tools memiliki beberapa komponen diantaranya, punch, dies, dan blank holder (Colgan M, 2003). Di  dalam  proses deep  drawing ,  ada  beberapa parameter  yang  perlu  diperhatikan  seperti, perhitungan bentangan, jumlah tahapan proses, dan clearance antara punch dan dies .  Untuk mendapatkan  bentangan  awal  ( fix  blank ) dilakukan  dengan  cara  menghitung  luas  area atau  menghitung  keliling  bentukan  seperti Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Perhitungan bentangan awal
Parameter  selanjutnya  adalah  perhitungan jumlah tahapan proses dengan membandingkan antara  ukuran fix  blank dari  produk  terhadap kedalaman  pembentukkan  produk  (Hilbert, 1970:212). Kondisi tersebut merupakan batasan yang  digunakan  untuk  menentukan  urutan proses pada deep drawing atau draw ratio .
= . ∙ (3)
dimana, n  = jumlah tahapan proses; h  = tinggi produk (mm); dan d  = diameter produk(mm).
Sedangkan  untuk  parameter clearance antara punch dan dies didapat  dengan menghitung  besarnya radius / diameter punch dan dies terhadap  tebal  material  (Hilbert, 1970:251) seperti pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Clearance antara punch dan dies
Untuk  mendapatkan  nilai clearance dapat dilihat pada Pers. (4) dengan menghitung radius pada punch (Pers.(5))  serta radius pada dies (Pers.(6)) terlebih dahulu.
= ( − )/2 (4) = (3~5) (5) = 0,05[50 + ( − )] ∙ √
(6)
dimana: = clearance (mm); = diameter dies (mm); = diameter punch (mm); = radius punch (mm); = radius dies ; = diameter dies (mm); dan = diameter punch (mm).

## 2.5 Gaya Pembentukkan
Proses pembentukkan membutuhkan gaya yang besarnya  berbanding  lurus  dengan  besarnya keliling  produk  serta  tebal  material  (Hilbert, 1970:298) seperti pada Pers. (7).
= ∙ ∙ ∙ (7)
dimana:
= gaya pembentukkan (N);
= keliling produk (mm); = tebal material (mm);
= tegangan tarik material (N/mm 2 ); dan = faktor koreksi.
Disamping  itu,  perhitungan  besarnya  gaya penekanan blank holder saat proses pembentukkan  didapatkan  dengan  menghitung diameter fix  blank serta  diameter  produk  jadi (Pers. (8)).
= ( − ) ∙  0,785 ∙ (8)
dimana:
= gaya blankholder (mm);
= diameter blank ; = diameter produk; = tekanan spesifik (didapat dari Pers. (9)); = koefisien pembanding.
= . ( − 1) + , (9) 2.6 Metode Perancangan VDI 2222 Proses perancangan combination tool menggunakan  metode  yang  dipadukan  dengan metode  perancangan VDI  2222 (metode  yang dihasilkan  dari  persatuan  para  insinyur  Jerman). Metode  ini  diawali  dengan  proses  merencana untuk  menghasilkan  spesifikasi  produk  beserta tuntutan teknisnya sampai dengan proses penyelesaian untuk menghasilkan gambar konsep beserta gambar detailnya ( Wiendahl, 1981 ) seperti pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4 Metode perancangan VDI2222

## 3.  METODE PENELITIAN

## 3.1 Merencana
Proses merencana, bentangan awal produk ( fix blank )  dihitung  berdasarkan  spesifikasi  dan tuntutan  produk  seperti  pada  Gambar  3.1. Material  produk  terbuat  dari  aluminium  tipe Al6111 yang memiliki kekuatan tarik maksimum sebesar  280  N/mm 2 ,  sedangkan  ketebalannya sebesar  1  mm  dengan  batasan  penyebaran penipisan  produk  sebesar  20%  dari  tebal produk.

## Gambar 3.1 Gambar produk

## 3.2 Mengonsep
Pada proses ini,  pembuatan konsep  rancangan dibuat beberapa alternatif yang kemudian dinilai serta dipilih
alternatif
yang
paling memungkinkan  untuk  dibuatkan combination tool secara  utuh.  Beberapa  parameter  seperti konstruksi, keterbuatan, serta perawatan digunakan sebagai pertimbagan dalam pembuatan konsep.
Alternatif satu dengan tahapan proses dibuat dengan  konsep  rancangan push  through  tool yaitu  terdiri  dari punch yang  terletak  diatas, sedangkan dies diletakkan  dibagian  bawah seperti  pada  Gambar  3.2.  Namun,  untuk konstruksi inverted  tool terdiri  dari punch yang terletak  pada  bagian  bawah,  sedangkan dies terletak dibagian atas seperti pada Gambar 3.3.
Gambar 3.2 Alternatif 1 push through tool
Gambar 3.3 Alternatif 2 inverted tool
Pada alternatif konsep 1 memiliki kelebihan tool lebih  sederhana  dalam  hal  konstruksi,  namun gaya yang bekerja pada blankholder tidak stabil tidak  seperti  pada  alternatif  konsep  2.  Hal  ini disebabkan  karena  pada  alternatif  konsep  2 menggunakan  sistem pad yang  berfungsi sebagai  pembantu  pendistribusian  gaya  pada saat proses pembentukkan.
Pertimbangan  lain  adalah  pada  alternatif konsep  1  dibutuhkan  area stripper yang  besar, sedangkan  pada  alternatif  konsep  2  area  kerja relatif  kecil  sehingga  berpengaruh  terhadap pegas stripper yang  dibutuhkan  lebih  kecil. Faktor  kestabilan  aliran  material  juga  menjadi pertimbangan,  sehingga  pada  alternatif  konsep 1  relatif  tidak stabil tidak  seperti  pada  alternatif konsep  2.  Hasilnya,  alternatif  konsep  2  terpilih dengan  mempertimbangkan kestabilan  material serta
konstruksi
walaupun dalam pembuatannya, konstruksi inverted tool tergolong relatif rumit karena terdapat beberapa komponen tambahan.
Selanjutnya, konsep
loading-unloading material juga dipertimbangkan dengan berdasarkan pada layout strip material. Gambar 3.4  menunjukkan  konsep  arah  material sheet metal yang  akan  dimasukkan  kedalam tool . Proses tersebut dimulai dengan memasukkan fix blank ,  kemudian  proses  pembentukkan  serta pemotongan.
Gambar 3.4 Tahapan proses loading-unloading
Setelah  proses  pembuatan  konsep  tersebut diatas,  untuk  memastikan  bahwa  produk  dapat dibentuk  dan  dibuat  dalam  satu  kali  proses, maka  memerlukan  perhitungan  diantaranya, tahapan proses, perhitungan
gaya pembentukkan,  serta  perhitungan  gaya  secara keseluruhan.
= + + + + = 337457,79 + 325080 + 16872,88 +116642,8 + 16254 = 812260 = 812260 = 812,26 = ∙ 1,2 = 812,26 ∙ 1,2
= 974,7 = 97,47
Dari  analisis  perhitungan  diatas  didapatkan gaya seluruh proses pemotongan dan pembentukkan  pada combination  tool dalam satu kali proses adalah sebesar 97,5 ton.

## 3.3 Merancang
Pada  tahapan  merancang, combination  tool dibuat  dalam  bentuk draft rancangan  yang meliputi  mekanisme  stripper  dengan  tipe inverted  tool  secara  keseluruhan  seperti  pada Gambar 3.5.
Gambar 3.5 Konstruksi baji, slider, dan stripper
Konstruksi
seperti gambar diatas
memungkinkan tool untuk  bergerak  secara horizontal  dengan  adanya  bantuan  baji  yang bergerak  secara  vertikal  kemudian  di  konversi oleh komponen slider untuk arah horizontalnya.
Metode ini digunakan untuk proses pembentukkan produk pada arah samping untuk proses cutting maupun forming pada combination tool tipe inverted tool . Secara keseluruhan, konstruksi combination tool tipe inverted dibagi  menjadi enam tahapan mekanisme  seperti  pada  Gambar  3.6  Seluruh komponen tool sebelum  bekerja  (Gambar 3.6(a)).  Pada  saat sheet  metal yang  berupa bentangan  produk,  maka tool bergerak  turun sebesar 6 mm sampai posisi stripper menyentuh fix blank  (Gambar  3.6(b)).  Tahapan  berikutnya adalah tool turun  sebesar  9  mm  yaitu punch memotong  strip  material  atau  disebut blanking (Gambar 3.6(c)).
(a) (b) (c) (d) (e) (f) Gambar 3.6 Tahapan mekanisme tool Tahapan mekanisme selanjutnya adalah proses drawing 1 dengan tool bergerak sebesar 85 mm sehingga dies menekan strip material dan punch drawing 1  mulai  membentuk  (Gambar  3.6(d)).
Proses  selanjutnya  adalah drawing 2  dengan melibatkan tool turun  sebesar  23,17  mm sehingga dies menekan strip material dan punch mulai  membentuk flange  side (Gambar  3.6(e)).
Proses  terakhir  adalah  pengeluaran  produk dengan  menggerakkan tool pada  posisi  teratas seperti pada tahapan Gambar 3.6(a).

## 4.3 HASIL DAN DISKUSI
Perhitungan bentangan awal produk dengan jenis material Al6111 untuk proses deep drawing adalah sebesar  164.444  mm 2 .  Sedangkan  banyaknya proses  yang  diperbolehkan  untuk  karakteristik material tersebut adalah satu kali proses. Besarnya bentangan  tersebut  didapat  dari  perhitungan secara manual dengan mempertimbangkan parameter-parameter  pada  produk  dan  proses yang akan dilakukan.
Berdasarkan  hasil  dari  studi  perancangan combination  tool dengan  menggunakan  metode VDI  2222 ,  maka  didapatkan  sebuah draft rancangan  dengan  menggunakan  jenis inverted tool .  Adapun tool  set dalam  komponen presstool secara keseluruhan dapat dilihat pada Gambar 3.7. Beberapa draft rancangan  disajikan  dalam beberapa  pandangan  yang  terdiri  dari  padangan utama  dan  pandangan  potongan  serta  bukaan presstool . Penyetelan pada mesin press dipermudah  dengan  adanya marking pada  setiap bukaan gambar draft untuk memudahkan operator dalam proses uji coba seperti pada Gambar 3.8.
Gambar 3.7 Draft rancangan combination tool
Gambar 3.8 Peletakkan marking serta pandangan bukaan pada presstool

## 5.  KESIMPULAN
Berdasarkan dari studi penelitian yang dilakukan,  terdapat  tiga  kesimpulan  yang diantaranya: 1.  Penggabungan tool proses dapat  dilakukan dengan kajian berdasarkan metode perancangan VDI  2222 dalam  upaya peningkatan  optimalisasi  QCD  ( Quality, Time, and Delivery ).
2.  Hasil  dari  kajian  penelitian  yang  berupa gambar draft  combination  tool dengan  tipe inverted dapat  dijadikan  sebagai  alternatif solusi  proses  untuk  menghasilkan  produk sheet metal . 3.  Dimensi total dari draft rancangan combination  tool sebesar  1012  mm  x  826 mm  x  516  mm  dengan  gaya presstool sebesar  97,5  Ton  yang  memungkinkan penggunaan nya  pada mesin press dengan kapasitas maksimum sebesar 120 ton.

## DAFTAR PUSTAKA
[1].  Biswajit  Sarkar,  Kripasindhu  Chaudhuri, Ilkyeong  Moon.  (2015). Manufacturing  setup cost reduction and quality improvement for the distribution  free  continuous-review  inventory
model with a service level constraint . Journal of Manufacturing Systems, Volume 34, Pages 74-82.
[2].  Colgan M, Monaghan J. (2003) . Deep drawing process:  analysis  and  experiment .  J.  Mater. Process. Technology. Page 132(1–3):35–41.
[3].  Hilbert,  Heinrich  L.  (1970). Stanzereitechnik Band II . Munchen. Carl Hanser Verlag.
[4].  Kalpakjian,  Serope;  Steven  Schmid  (2005). Manufacturing,  Engineering  &  Technology . Prentice Hall. pp. 22–36.
[5].  Pahl,  G.,  Beitz,  W.  (2010). VDI  Guideline 2222, Systematic approach to the development  and  design of technical  system and  products .  Verein  Deutscher  Inginieure. Berlin: Beuth Verlag.
[6].  Schuler  GmbH.  (2002). Metal  Forming Handbook . New York: Springer.
[7].  Suchy,  Ivana.  (2006) .  Handbook  of  Die Design  2nd  edition .  New  York:  Mc  Graw-Hill
Book Company. [8].  Theryo, Rony Sudarmawan. (2009). Teknologi Press Dies. Yogyakarta: Kanisius.
[9]. Wiendahl, H-P. (1981). Five years experience with  VDI  2222  guideline  in  a  large  capital equipment enterprise . Design Studies 2. Pages 165-170.