## ANALISIS VIBRASI RANGKA CNC ROUTER 3 SUMBU SECARA NUMERIK
Andi Prasetyo 2) Irawan Malik 1)* , Azharuddin 1) ,
1) Program Studi Teknik Mesin Produksi dan Perawatan, Politeknik Negeri Sriwijaya
2) Mahasiswa Program Studi Teknik Mesin Produksi dan Perawatan, Politeknik Negeri Sriwijaya Jl. Srijaya Negara Bukit Besar, Palembang 30139 Telp : 0711-353414, Fax : 0711-453211 *Email: irawanmalik@yahoo.com

## Abstrak
Vibrasi  pada  sebuah  mesin  merupakan  hal  yang  sangat  penting  untuk diperhatikan  karena  dari  sebuah  vibrasi  timbul  banyak  sekali  kesalahan  dan merusak  komponen-komponen  pada  mesin  tersebut.  Salah  satu  cara  untuk mengetahui vibrasi pada mesin yaitu dengan cara simulasi pada mesin itu sendiri khususnya  pada  rangka.  Banyak  sekali Software pendukung  simulasi  untuk vibrasi  namun  untuk  saat  ini  peneliti  menggunakan Software  Solidworks 2019 Premium  dengan  metode  yang  digunakan  adalah  Metode  Elemen  Hingga  untuk vibrasi  pada Rangka CNC  Router 3  Sumbu.  Untuk  mendapatkan  hasil  simulasi dengan solidworks yang  optimal,  maka  dilakukan  penelitian  yang  dimulai  dari pemodelan  rangka,  pemilihan constraint,  memasukkan  jenis  material,  pemilihan meshing ,  memasukkan fixtures dan running  solving .  Keluaran  hasil  analisa Rangka CNC  Router 3  sumbu  ini  selanjutnya  diolah  lagi  dengan  menggunakan Linier  Dynamic  Frequency dengan  memilih Random  Frequency .  Berdasarkan hasil  simulasi  dimana  pada  saat frame disimulasikan  menggunakan frequency pribadi  mendapatkan frequency  minimum 0,005719  Hz  dengan  174,87  s  dan frequency maksimum 0,016593 Hz dengan 60,266 s. Hasil simulasi dimana pada saat random  frequency mendapatkan  nilai Stress  minimum 2,262  x  10 -1 dan Stress  maksimum 4,427  x  10 4 sedangkan  untuk  nilai Displacement  minimum 1,000 x 10 -30 dan Displacement maksimum 6,742 x 10 4 .
Kata Kunci : Vibrasi, Rangka CNC Router 3 Sumbu, MEH, Solidworks 2019

## Abstract
Vibration  on  a  machine is a very important thing to  noticed  because from vibration  there  are  a  lot  of  errors  arise  and  damage  the  components  on  the machine.  One  way  to  find  out  the  vibration  on  the  machine  is  by  simulating  the machine  itself,  especially  on  the  frame.    There  are  many  simulation  support software  for  vibrations,  but  for  now  researchers  are  using  the  Solidworks  2019 Premium  Software  with  the  method  used  is  the  Finite  Element  Method  for vibrations in the Axis CNC Router 3 Frame. To obtain  optimal simulation results with solidworks, a study  was  conducted starting from frame  modeling, constraint selection,  inputting  material  types,  selecting  meshing,  inserting  fixtures  and running solving. For the next, Output from the analysis of Frame CNC Router with 3  axis  router  is  processed  again  using  Linear  Dynamic  Frequency  by  selecting Random  Frequency.    Based  on  the  simulation  results  when  the  frame  is simulated  using  a  private  frequency  get  a  minimum  frequency  of  0.005719  Hz with  174.87  s  and  a  maximum  frequency  of  0.016593  Hz  with  60,266  s.  The simulation  results  where  the  random  frequency  get  a  minimum  Stress  value  of 2.262  x  10-1  and  Stress  maximum  of  4.427  x  104  while  for  the  Displacement value  of  a  minimum  of  1,000  x  10-30  and  a  maximum  Displacement  of  6.742  x 10 .
Keywords : Vibration , Frame CNC Router 3 Axis , FEM, Solidworks 2019

## 1. PENDAHULUAN
Pengukuran  Vibrasi  merupakan  hal  yang sangat  penting  dalam  dunia  ilmu  pengetahuan khususnya  dunia  teknik.  Dengan  melakukan pengukuran  kita  dapat  mengetahui besaran  dari parameter-parameter  fisika,  kimia,  dan  biologi
seperti panjang, kadar gas, suhu kadar gula darah, waktu  dll.  Dalam  dunia  teknik,  pengukuran digunakan  untuk  kepentingan  sistem  proteksi  dan untuk  sistem  kendali  suatu  proses.  Pada  setiap pengukuran  dibutuhkan  sebuah  alat  ukur  yang bertindak  sebagai  pengindera  sekaligus  penampil.
Contoh  alat  ukur  sederhana  adalah  mistar  atau penggaris digunakan untuk mengukur panjang.
Kondisi optimum  pada  CNC  router  ditinjau dari        waktu    permesinan        didapatkan  pada kondisi cutting  speed 565,2  waktu  tercepat terdapat  pada  kondisi  dimana feeding  cutting 80 dan depth  of  cut 1.  Pada  kondisi  optimum  ini, cutting  speed berpengaruh  secara  tidak  nyata, sementara feeding  cutting dan depth  of cut berpengaruh    secara    signifikan  terhadap  waktu proses permesinan (Setiawan, J,dkk. 2015.
Berbagai  metode  Numerik  telah  banyak tersedia,  namun  Metode  Elemen  Hingga  (MEH) telah membuktikan kehandalannya dalam memecahkan persoalan-persoalan dibidang mekanika  kontinyu.  Bahkan  dalam  perkembangan yang  terakhir,  masalah-masalah  perpindahan panas,  mekanika  fluida,  maupun  Numerik  dapat dengan mudah diselesaikan dengan menggunakan  MEH.  Metode  ini  akan  melakukan pendekatan  terhadap  harga-harga  yang  tidak diketahui pada  setiap titik secara  diskrit. Sehingga kita  dapat  memperhitungkan  besar  tegangan, regangan,  dan  defleksi  yang  terjadi  pada  struktur frame (Abidin, Z. Rama, R.B. 2017). Dengan  perangkat  komputer,  khususnya perangkat lunak Solidworks , desain untuk pembuatan  suatu  produk  dapat  dikontrol  dengan baik  sehingga  diharapkan  kualitas  hasil  produk akan  lebih  baik.  Pengujian  karakteristik  statik secara  eksperimental  akan  memerlukan  biaya yang  tidak  sedikit.  Untuk  itu  diperlukan  bantuan perangkat lunak software yang mampu menganalisis  karakteristik  statik  suatu  modul seperti Solidworks . Oleh karena itu peneliti memilih Metode Numerik  dengan  menggunakan software yang  berbasis  Metode  Elemen  hingga Finite Element  Analysis  Program ,  yaitu  dengan software Solidworks (Abidin, Z. Rama, R.B. 2017)

## 2. BAHAN DAN METODA
Bahan dan metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut.

## 2.1 Rangka
Rangka  merupakan  sistem  yang  terhubung oleh  bagian-bagian  yang  mendukung  ataupun menyalurkan  gaya  dan  menahan  beban  yang bekerja pada system (Malik, Irawan., dkk. 2019.
Gambar 1 . Desain Rangka CNC Router
Material  yang  dipilih  adalah  material aluminium profil 6063-T5 dengan ukuran 20 x 20 mm.
Tabel 1 . Sifat  Fisik  dan  Mekanik aluminium  profil 6063-T5 Property Value Units Elastic Modulus 6900 N/mm 2 Poisson’s Ratio 0.33 N/A Shear Modulus 25800 N/mm 2 Mass Density 2700 Kg/m 3 Tensile Strength 185 N/mm 2 Compressive Strength 280 N/mm 2 Yield Strength 145 N/mm 2 Thermal Expansion Coefficient 2.34e-05 /K Thermal Conductivity 209 W/(m.K) Specific Heat 900 J/(kg.K) Material Damping Ratio 0,01 N/A 2.2 Personal Computer Personal Computer (Laptop) berfungsi sebagai media untuk menjalankan perangkat lunak ( software  solidworks )  sehingga  dapat  digunakan dalam  pemodelan  maupun  analisis (Fedianto,  A. 2017)
Gambar 2 . Personal Computer 2.3 Software Solidworks Software Solidworks digunakan untuk membuat  baik  gambar  2D  atau  3D  serta  dapat menyimulasikan pergerakan benda secara animasi.  Pada  penelitian  ini solidworks akan
digunakan  untuk  menggambar  semua  dari  mesin CNC Router  3  Sumbu  dan  menyimulasikan  uji kinerjanya.
Gambar 3 . Software Solidworks

## 2.4 Metode Numerik
Penelitian  ini  dilakukan  secara  komputasi numeris  berbasis  komputer.  Metode  Penelitian menggunakan  Metode  Elemen  Hingga. Metode elemen hingga Finite  Element  Method (FEM) adalah  prosedur  numerik  untuk  memperoleh solusi  permasalahan  yang  ditemukan  dalam analisa teknik. Metode elemen hingga mengkombinasikan  beberapa  konsep  matematika untuk  menghasilkan  persamaan  sistem  linier  atau nonlinier.  Jumlah  persamaan  yang  dihasilkan biasanya  sangat  besar  sehingga  mencapai  lebih dari  20.000  persamaan  (Segerling,  1984). Finite
Element Method (FEM) atau biasanya disebut Finite Element Analysis (FEA),  adalah prosedur  numeris  yang  dapat  dipakai  untuk menyelesaikan  masalah-masalah dalam  bidang rekayasa  ( engineering ),  seperti  analisa  tegangan pada  struktur, frekuensi pribadi dan mode shape - nya,  perpindahaan panas, elektromagnetis, dan aliran fluida. Metode  ini  digunakan  pada  masalah- masalah rekayasa dimana exact solution/analytical solution tidak dapat menyelesaikannya.
Inti  dari  FEM  adalah  membagi  suatu  benda yang  akan  dianalisa,  menjadi  beberapa  bagian dengan  jumlah  hingga  ( finite ).  Bagian-bagian  ini disebut  elemen  yang  tiap  elemen  satu  dengan elemen lainnya dihubungkan dengan nodal ( node ). Kemudian  dibangun  persamaan  matematika  yang menjadi  reprensentasi  benda  tersebut.  Proses pembagian  benda  menjadi  beberapa  bagian disebut meshing .
Secara umum proses perhitungan  FEA  ( Fnite  Element  Analysis )  terdiri atas  3  bagian  utama: pre-processor,  processor, dan post-processor.
(Nelson,  K.A.  2018) pada  tahap pre- processor sebuah  benda  atau  ruangan  yang  akan dianalisa  dibagi-bagi  dengan  jumlah  grid  tertentu atau sering juga disebut dengan meshing .
Gambar 4. Meshing Pada Plate
Tahap  selanjutnya  adalah processor ,  pada tahap  ini  dilakukan  proses  simulasi  dinamik beserta  perhitungan  data-data  input  dengan persamaan  yang  terlibat.  Tahap  akhir  merupakan tahap post - processor dimana  hasil  perhitungan diinterpretasikan  kedalam  gambar,  grafik  bahkan animasi atau kontur warna dengan pola tertentu [5] .

## 2.5 Analisis Vibrasi
Simulasi  dengan  perangkat  lunak  dengan memasukkan  varibel  yang  diperlukan.  Model CAD yang  telah  dibuat  kemudian  dianalisis  dan  proses simulasi  sendiri  memakan  waktu  yang  bervariasi tergantung  dari  spesifikasi hardware yang  dimiliki masing-masing individu. Angka-angka yang ditampilkan dari hasil pengujian vibrasi dari desain Frame CNC Router 3 Sumbu kemudian dipaparkan  dan  dideskriptifkan.  Data-data  yang dianalisis  adalah  angka  dan  tabel  yang  diperoleh dari hasil pengujian vibrasi menggunakan Software Solidworks .

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil simulasi dengan menggunakan software  solidworks dengan  metode  elemen hingga Untuk mengetahui Natural Frequency dan Random  Vibration yang  terjadi  pada Frame CNC Router 3 Sumbu.Hasilnya dapat dilihat pada Tabel 3.

## 3.1 Natural Frequency
Pensimulasian Natural  Frequency dilakukan sebanyak  5  mode  dan memberikan  5 Natural Frequency sebagai output nya.
Gambar 5. Amplitude 1 Frequency
Tabel 2. Mode list Natural Frequency No Frequency(Rad/s) Frequency(Hz) Period(S) 1 0,035932 0,005719 174,87 2 0,068162 0,010848 92,18 3 0,076081 0,012109 82,585 4 0,079835 0,012706 78,703 5 0,10426 0,016593 60,266
Gambar 6. Grafik Mode List Natural Frequency

## 3.2 Random Vibration
Random  Vibration  bisa  diartikan  sebagai satu  getaran  yang  timbul  pada  waktu  yang  sama. Getaran acak bersifat non-periodik . Pada pensimulasian  kali  ini,  hasil  yang  didapat  berupa stress dan displacement dari  objek.  Tegangan salah satu post-proccessor adalah hasil perhitungan  hubungan  tegangan-regangan  pada model benda, regangan diperoleh dan deformation yang  dialami  model.  Tegangan  ekuivalen  yang digunakan Von-Mises.
Gambar 7 . Random Vibration Stress Result
Selain  tegangan,  nilai  perpindahan  juga  dapat dilihat  pada  simulasi  kali  ini  seperti  pada  gambar berikut.
Gambar 8 . Random Vibration Displacement Result
Desain frame yang  berbeda  akan  menghasilkan reaksi  yang  berbeda.  Simulasi  yang  dilakukan menggunakan Software Solidworks 2019 menghasilkan  reaksi  dalam  wujud  tegangan (tegangan max dan tegangan min) dan Displacement  Vibration (perpindahan  posisi  max dan perpindahan posisi min).
Tabel 3 . Rekapitulasi Simulasi Random Vibration Hasil Simulasi Nilai Stress Maximum 4,427 x 10 4 Minimum 2,262 x 10 -1 Displacement Maximum 6,742 x 10 4 Minimum 1,000 x 10 -30
0 200 1 2 3 4 5 Mode List Frekuensi

## Pribadi
Mode No Frequency(Rad/sec) Frequency(Hertz) Period(Seconds)
Gambar 9 . Response Graph Vibration
Pensimulasian getaran yang telah dilakukan ini  menggunakan  perangkat  lunak Solidworks
Simulation 2019 Premium ,  menunjukkan  bahwa rangka  CNC Router 3 Axis ini  memiliki  nilai maksimum  0,10426  rad/s,  0,016593  Hz,  dan 60,266  s pribadi frekuensi. Random  Vibration juga menunjukkan  hasil  dengan resultan  amplitude maximum 0,02  dan  resultan amplitude  minimum 0 serta  memiliki Stress  maximum 4,427  x  10 4 N/m 2 dan Stress  minimum sebesar 2,262  x  10 -1 N/m 2 . Hasil  utama  dari  analisis  struktur  mengunakan metode  elemen  hingga  adalah displacement . Berikut  ini  adalah  hasil  analisis  total displacement pada  model  yang  telah  disimulasikan  dengan menunjukkan  bahwa  total displacement terbesar pada rangka bagian X Axis sebesar 6,742 10 4 mm dan total displacement terkecil pada rangka X Axis yaitu sebesar 1,000 x 10 -30 mm.

## 4. KESIMPULAN

## Berdasarkan hasil simulasi terhadap Rangka
CNC Router 3 Axis menggunakan perangkat lunak
Solidworks 2019, maka  dapat  diambil beberapa kesimpulan yaitu Proses desain dilakukan berdasarkan  pengumpulan  data  dari  berbagai literatur  dan  survey  lapangan  yang  selanjutnya
dilakukan general  assembly pada software yang sama  untuk  memudahkan  proses  simulasi lalu dilanjutkan  dengan  pemilihan  material.  Material yang  digunakan  pada  rangka  yaitu  alumunium profil  20  x  20  dan  untuk  bagian gantry x axis menggunakan plastic ABS  yaitu  hasil  dari  3d printing . Pensimulasian  ini  menggunakan Software Solidworks  Simulation 2019 dengan  pertama  yaitu Menentukan constraint , Constraint yang  berikan berupa  fixed  geometry  pada  kedua rangka lebar Rangka CNC  Router dilanjutkan  dengan Meshing , Pada  simulasi  saat  ini, frame dijadikan  147.607 elements dan  257.168 node dan  tentunya Pembebanan, beban yang diberikan pada simulasi ini merupakan beban alami atau beban dari rangka CNC Router itu sendiri.
Hasil simulasi menunjukkan bahwa frekuensi  yang  terjadi  memiliki  nilai  yang  relatif bagus  yaitu  0,005  Hz  dan  0,016  Hz  sehingga dapat dikategorikan aman untuk digunakan.

## DAFTAR PUSTAKA
Setiawan, J,D. Caesarendra, W. Ariyanto, M. 2015. “Perancangan  Struktur  Frame  Quadrator” . Universitas Diponegoro.
Abidin,  Z.  Rama,  R.B.  2017. “Analisa  Distribusi Tegangan  dan  Defleksi Connecting  Rod Sepeda Motor 100 CC Menggunakan Metode Elemen Hingga”. Universitas Sriwijaya.
Malik,  Irawan.,  Azharuddin,.  Dewi,  K,C.  2019. “Aplikasi  Hasil Rancang  Bangun  Mesin  CNC Router Terhadap Proses Permesinan ( Cutting Speed,  Feeding  Cutting, dan Depth  of  Cut Terhadap Waktu). Jurnal Austenit, Vol 11, No 1,  April  2019.  p-ISSN:  2085-1286,  e-ISSN: 2622-7649. Politeknik Negeri Sriwijaya.
Fedianto,  A.  2017. “Perancangan  Rangka  Sepeda Bambu  Menggunakan  Software  Solidworks 2017” .
Teknik
Mesin
Universitas Muhammadiyah Yogyakarta.
Nelson,  K.A.  2018. “Aplikasi  Hasil  Rancang Bangun  CNC  Router  3  Axis  terhadap  Proses Kalibrasi  Sumbu  Z”.    Politeknik  Negeri Sriwijaya.