## Pengaruh kekuatan mata pisau mesin pencacah kompos menggunakan metode finite element analysis
Aji Abdillah Kharisma, Mahesa Dikta Ajiwiratama
1 Fakultas Teknologi Industri, Program Studi Teknik Mesin, Universitas Gunadarma Jl. Margonda Raya 100, Depok, 16424 Email korespondensi: ajiabdillah@staff.gunadarma.ac.id

## Abstrak
Sampah  adalah  limbah  yang  terdiri  dari  zat  organik  dan  zat  anorganik  yang  harus  dikelola  agar  tidak membahayakan  lingkungan,  khususnya untuk  sampah  kompos.  Kompos  merupakan  produk  akhir  suatu  proses fermentasi tumpukan sampah atau bagian dari tanaman (jerami, rumput, daun pisang, daun tebu, dll). Salah satu alternatif yang perlu dilakukan terhadap sampah kompos yaitu merancang pembuatan mesin pencacah kompos dan  menganalisis  komponen  yang  digunakan  seperti  pisau  pencacahnya.  Mata  pisau  merupakan  bagian komponen  penting  untuk  melakukan  proses  pencacahan.  Metode  analisis  simulasi  model  desain  mata  pisau dilakukan  untuk  menganalisis  kinerja  dari  mata  pisau  berdasarkan  kekuatan  pembebanan  yang  diberikan. Permodelan  simulasi  dilakukan  menggunakan  software  dan  akan  dibandingan  dengan  perhitungan  secara teoritis.  Jenis  material  mata  pisau  adalah  SS41,  dan  poros  adalah  S45C.  Hasil  yang  diperoleh  dari  analisis permodelan desain menggunakan software meliputi tegangan maksimum (von misses stress) pada pembebanan 2,5 N untuk setiap 24 mata pisau totalnya sebesar 157 MPa, hasil displacement adalah 0,161 mm, serta hasil safety  factor  bernilai  3,05,  sedangkan  hasil  perhitungan  teoritis  dari  von  misses  stress  adalah  168  MPa, displacement 0,03 mm, dan safety factor sebesar 3,18. Berdasarkan hasil nilai safety factor pada simulasi model mata pisau dinyatakan aman dan dapat dilanjutkan ke tahap proses manufaktur.
Kata kunci : desain mata pisau, finite element analysis , faktor keamanan.

## Abstract
Garbage is solid waste consisting of organic and inorganic substances which are considered unusable and must be managed so as not to endanger the environment, especially to compost waste. Compost is a process of fermentation ultimate product from a pile of garbage or part of plants (straw, grass, banana leaves, sugarcane leaves,  etc.).  The  blade  is  the  essential  component  in  chopping  process  of  the  compost  chopper.  The  method analysis of the knife blade design model simulation is conducted to analyze the performance of the knife blade based on the given loading force. Modeling simulation is conducted using software-based applications and will be strengthened by theoretical comparisons. The knife blade material type is SS41, and the axle is S45C.The results obtained from the design modeling analysis  using software include the  maximum stress (von misses  stress) at loading of 2.5 N for every 24 knife blades, the total is 157 MPa, the displacement result is 0.161 mm, and also the safety factor is 3.05, meanwhile the theoretical calculation result of von misses stress is 168 MPa, displacement 0.03 mm, and safety factor is 3.18. Based on the results of value safety factor analysis of knife blade design, it can be continued to the process stage manufacturing.
Keywords: blades design, finite element analysis, safety factor.
1. Pendahuluan
Sampah terdiri dari dua jenis, yaitu jenis organik dan anorganik.  Rata-rata  persentase  bahan  jenis  organik sampah  mencapai  ±57%  per  tahun  2023,  sehingga pengomposan merupakan alternatif penanganan yang sesuai  [1].  Kompos  merupakan  produk  akhir  suatu proses fermentasi tumpukan sampah atau bagian dari tanaman  (jerami,  rumput,  daun  pisang,  daun  tebu, daun jagung, daun kesambi). Unsur yang terkandung dalam kompos adalah unsur makro dan unsur mikro yang telah terurai dan tersedia bagi tanaman [2]. Mata pisau merupakan salah satu komponen penting pada mesin pencacah pengolahan kompos. Model dari mata pisau perlu dilakukan untuk menganalisis kinerja dari mata pisau tersebut saat proses kinerja mesin tersebut dengan  FEA  untuk  mendapatkan  kekuatan  struktur yang  baik  dengan  metode  elemen  hingga  [3].
Permodelan  simulasi  dilakukan  menggunakan software CAE.  Bentuk meshing pada  permodelan mata pisau yaitu menggunakan tetrahedral dan rasio meshing dengan menunjang von misses , displacement ,  dan safety  factor dengan  variasi pembebanan  [4].  Kajian  ini  difokuskan  pada perancangan alat penghancur kotoran ternak. Metode yang digunakan adalah perhitungan numerik, simulasi menggunakan software Fusion  360,  dan  fabrikasi berdasarkan Design  for  Manufacture  and  Assembly (DFMA) [5]. Proses perancangan mesin penghancur daun  kering  dilakukan  dengan  tahapan  yaitu perancangan fungsi, konsep produk dan analisis daya dan kecepatan yang terjadi pada poros menggunakan tenaga penggerak 900 sampai 1300 watt dengan hasil ukuran pencacahan sebesar 5–10 mm [6]. Kajian ini bertujuan untuk merancang mesin potong ergonomis
untuk pembuatan keripik talas semir. Mesin ini terdiri dari  pemotong,  kursi  operator,  dudukan  produk, sumbu  piringan  pemotong,  motor  listrik  dan  sistem transmisi termasuk sabuk dan katrol. Kapasitas mesin teoritis  dan  aktual  masing-masing  adalah  47  kg/jam dan 38 kg/jam [7].
Merancang, membuat serta menguji mesin pencacah sampah organik pada poros, pisau tetap, pisau putar, rangka, casing,  hopper ,  motor  listrik  serta  sistem transmisi.  Dengan  kapasitas  output  sampah  sebesar 70-80% [8].
Desain,  analisis,  simulasi  poros  dan  pisau  pencacah mesin crushin g botol plastik jenis material poros S35 C–D  dan  pisau  S45C  serta  mengetahui  nilai yield strength , von  misses,  safety  factor pada  poros  dan mata pisau menggunakan software Solidwork [9].
Menganalisis  model  rancangan  tersebut  mengalami deformasi  plastik  atau  tidak.  Pada  kajian  ini  akan dilakukan  pengujian  kekuatan  salah  satu  komponen pada  mesin  pembuat  begel  yaitu  penekuk menggunakan Finite Element Method [10].
Metodologi dalam kajian ini melalui  tahapan desain permodelan blade tipe  SS41,  Dua  metode perbandingan yang digunakan yaitu analisis simulasi menggunakan software Solidwork  dan  perhitungan secara teoritis, Simulasi model dari blade dilakukan untuk menganalisis kinerja dari blade saat beroperasi dari  pembebanan  yang  diberikan  ke blade .  Kinerja dari blade ini  tidak  lepas  dari  perancangan  yang dilakukan,  tentu  perlu  dilakukan  perhitungan  yang detail. Hal yang perlu dipertimbangan dalam kekuatan desain adalah faktor keamanan ( safety of factor atau SOF) [11]. Faktor keamanan yang baik memiliki nilai antara 1-10, semakin besar nilai SOF yang dihasilkan, maka desain semakin kuat, jika nilai SOF kurang dari 1  atau  sama  dengan  1,  maka  desain  pada  benda tersebut  akan  mengalami  kegagalan  ( failure )  [12]. Oleh  karena  itu,  hasil  akhir  kajian  ini  yaitu  untuk mengetahui over  design pada  kekuatan  desain  mata pisau  terhadap  nilai von  misses,  displacement, dan safety  of  factor. Output  target  dari  hasil  simulasi adalah 90% (galat error < 10%).

## 2. Metode
Konsep kajian yang akan dilakukan yaitu  permodelan desain  mata  pisau  dan  uji  analisis  simulasi  desain. Material mata pisau yang digunakan yaitu besi plate carbon steel SS41. Berdasarakan perancangan elemen mesin  yang  diperlukan  yaitu  poros, belt , pulley , bearing , motor listrik, dan mata pisau [13]. Kajian ini menggunakan  metode  pendekatan  antara  analisis simulasi dan perhitungan secara teoritis berdasarkan nilai  tegangan von  misses , displacement ,  dan safety factor sebagai  acuan  untuk  memenuhi  standar keamanan  desain  mata  pisau.  Tahapan  kajian diperlihatkan pada Gambar 1.
YES
Gambar 1. Tahapan kajian.

## Dimensi Desain Mata Pisau tipe SS41
Spesifikasi  ukuran  mata  pisau  diperlihatkan  pada Tabel  1  dan  model  desain  mata  pisau  diperlihatkan pada Gambar 2 dan Gambar 3.
Tabel 1. Dimensi mata pisau jenis SS41.
Geometri Ukuran Satuan Panjang 120 mm Lebar 50 mm Ketebalan 10 mm Sudut kemiringan 10 º ( degree ) START Geometri blade Input force pada blade Material blade Calculation of von misses, displacement, SOF SF ≥ 1,3 ul Create Meshing Result No Fixed geometry STOP
Gambar 2 . Geometri desain mata pisau.
Gambar 3 . Desain mata pisau dengan jumlah 24.
Tabel  2. Mechanical  properties  mata  pisau  jenis  plate carbon steel SS41 [14].
Mechanical Properties Nilai Satuan Young modulus 200000 MPa Tensile strength 650 – 880 MPa Yield strength 350 – 500 MPa Elongation 8 – 25 %

## Data Operasi Kerja Mata Pisau
Adapun data yang digunakan dalam analisis simulasi untuk mengetahui kinerja dari desain mata pisau yang dibuat diperlihatkan padaTabel 3.
Tabel 3. Data operasi kerja mata pisau. Data Nilai Satuan Kecepatan putar 1342 RPM Kapasitas cacahan 50 kg/jam Gaya potong per blade 2,5 Newton Torque 124,04 Nm Centrifugal 22,3 rad/s
Gambar 4. Area pemberian force pada mata pisau.
Pada  Gambar  4  diperlihatkan  area  pemberian beban gaya pada masing-masing mata pisau sebesar 2,5 N. Hasil  tersebut  mengacu  pada  perhitungan  pada Persamaan 1. F = m x g (1) Peletakan Fixed Geometry Desain Mata Pisau
Peletakan fixed atau fixture sebagai  penahan  pada objek [15]. Peletakan fixed dengan entities 2 face yang berada  di  permukaan  rumah bearing dengan  poros dan  ujung  poros  disisi  lainnya  yang  berjenis fixed geometry. Adapun  peletakan fixed yang  dilakukan diperlihatkan pada Gambar 5.
Gambar 5. Peletakan fixed pada desain.

## Data pada Proses Meshing pada Mata Pisau
Data  pada  proses meshing pada  mata  pisau difungsikan  untuk  menghasilkan  tingkat  keakuratan hasil analisis yang dilakukan terhadap tiap titik atau node pada desain mata pisau. Node atau nodal dibuat dengan  kepadatan  tertentu  di  dalam  seluruh  bahan bergantung pada level stress atau tegangan yang akan diantisipasi  pada  daerah  tertentu  khususnya  mata pisau  [16]. Total nodes yang dilakukan pada  proses meshing desain  mata  pisau adalah  24977 nodes. Adapun meshing information pada desain mata pisau diperlihatkan pada Tabel 4.
Area pemberian force
Fixed-1 Fixed-2
Tabel 4. Data pada proses meshing pada mata pisau. Data Detail Mesh type Solid mesh Mesher Used Standard mesh Mesh quality plot High Total Nodes 24977 Total Elements 13056 Geometry Mesh Tetrahedral
Gambar 6. Hasil proses meshing mata pisau.

## 3. Hasil dan Pembahasan
Hasil Analisis Von Misses Stress, Displacement, dan Safety Factor pada Kekuatan Desain Mata Pisau
Proses analisis dilakukan dengan pembebanan 2,5 N pada setiap mata pisau, diambil satu desain mata pisau sebagai acuan  dari proses analisis  simulasi software yang  menunjukkan  kemampuan  pembebanan  mata pisau  agar  dapat  bekerja  dalam  mencacah  sampah kompos.  Adapun  hasil  analisis  simulasi  yang didapatkan adalah sebagai berikut.
Gambar 7. Hasil analisis simulasi von misses stresss [17].
Pada  Gambar  7  hasil  nilai von  misses  stress yang dihasilkan  adalah  156,9  MPa,  mengacu  pada mechanical  properties bahan SS41  pada  mata  pisau [16],  bahwa  nilai von  misses  stress yang  dihasilkan tidak melebihi nilai yield strength pada material SS41 yaitu  500  MPa,  sehingga  desain blade tesebut memenuhi  standar  kekuatan  desain  yang  baik  dan nilai displacement yang  dihasilkan  tidak  terlalu signifikan yaitu 0,161 mm, tidak ada deformasi atau perubahan  bentuk  secara  elastis,  sehingga  tingkat
kegagalan  yang  terjadi  sangat  rendah,  seperti  yang diperlihatkan pada Gambar 8.
Gambar 8. Hasil analisis simulasi displacement [17].
Gambar 9. Hasil analisis simulasi safety factor [17].
Pada  Gambar  9,  menunjukan  hasil  analisis  simulasi safety  factor pada  desain  mata  pisau  sebesar  3,057. Berdasarkan  acuan  nilai  faktor  keamanan  yang diizinkan,  pada  sebuah  desain  memiliki  nilai  range yaitu >1,3, sehingga dari hasil simulasi safety of factor yang  dihasilkan  memenuhi  standar  keamanan  pada kekuatan desain mata pisau yang telah dibuat, di mana semakin besar nilai safety of factor dari desain, maka desain akan sangat aman.
Hasil  Perhitungan  Teoritis  Von  Misses  Stress, Displacement,  dan  Safety  Factor  pada  Kekuatan Mata Pisau
Beberapa hasil perhitungan teoritis von misses stress melalui tahapan sebagai berikut [18].
Luas  permukaan  mata  pisau  ( A )  didapatkan  sebesar 6000 mm 2 melalui Persamaan 2 berikut.
A = P x L (2)
Gaya  potong  mata  pisau  ( F ),  mengacu  pada Persamaan (1). Momen gaya ( M ) didapatkan sebesar 147 Nmm dengan Persamaan 3 berikut.
M = F x ½ (panjang mata pisau) (3)
Tegangan  geser  ( τ xy )  didapatkan  sebesar  0,001225 N/mm 2 dengan Persamaan 4 berikut.
𝜏 =   𝑀  2 x 𝐴 x 𝑏 ⁄ (4)
Titik Berat yang terjadi pada mata pisau, c = 60 mm. Momen  inersia  ( I )  didapatkan  sebesar  1200  mm 4 dengan Persamaan 5 berikut.
Hasil meshing
𝐼 =   1 3 ⁄  x (𝑚 x 𝑙 )
(5)
Tegangan permukaan ( σ x ) didapatkan sebesar 7 MPa dengan Persamaan 6 sebagai berikut.
𝜎 = (𝑀 x 𝑐)/ 𝐼
(6)
Tegangan von  misses  stress maksimal  ( σ max )  [19] didapatkan  sebesar  7  MPa  dengan  Persamaan  7 berikut.
𝜎 = 𝝈 x  +  σy 𝟐 + 𝜎𝑥 +  𝜎𝑦 2 2 + ( 𝜏𝑥𝑦 ) 2 ( 7)
Berdasarkan hasil desain mata pisau yang digunakan pada  mesin  pencacah  kompos  berjumlah  24  mata pisau, sehingga nilai d dari tegangan von misses stress maksimal dikalikan  dengan  24  jumlah  mata  pisau yang  terdapat  pada  desain,  sehingga  hasil  dari  dari total  tegangan  maksimal  ( von  misses  stress  max) adalah 168 MPa.

## Hasil Perhitungan Teoritis Displacement
Berdasarkan  hasil  perhitungan  yang  telah  dilakukan sebelumnya,  didapatkan  hasil  sebagai  berikut  yang diperlihatkan  pada  Tabel  4  untuk  menghitung  nilai defleksi  atau displacement yang  terjadi  pada  desain mata pisau .
Tabel 4. Data untuk menghitung nilai defleksi yang terjadi pada desain mata pisau.
Parameter Nilai Satuan Beban Gaya ( F ) 2,5 Newton Lebar Mata Pisau ( L ) 50 mm Young Modulus SS41 ( E ) 200000 MPa Momen Inersia ( I ) 1200 mm 4
Tegangan luluh ( yield strength )  material SS41 Carbon Steel 500 MPa
Hasil  nilai displacement atau  defleksi  gaya  yang terjadi mata pisau didapatkan sebesar 0,03 mm [19], menggunakan Persamaan 8.
δ  = . . .
(8)

## Hasil Perhitungan Teoritis Safety Factor
Kekuatan  aktual  (tegangan  luluh/ yield  strength ) material  SS41 Carbon  Steel adalah  500  MPa, sedangkan  kekuatan  yang  dibutuhkan    ( von  mises max) hasil analisis simulasi adalah 157 MPa, sehingga didapatkan nilai teoritis safety of factor sebesar 3,18 [20], menggunakan Persamaan 9.
𝐹𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 𝑘𝑒𝑎𝑚𝑎𝑛𝑎𝑛 = (9)
Hasil nilai faktor keamanan pada perhitungan teoritis yaitu 3,18, memenuhi standar keamanan pada desain mata pisau yaitu pada nilai > 1,3.
Hasil Galat Error Von Misses Stress, Displacement, dan Safety Factor
Berdasarkan  dari  hasil  output  simulasi  yang diinginkan,  bahwa nilai over  design dan galat error yang  terjadi  adalah  di  bawah  10%.  Berikut  hasil perbandingan  galat error yang  terjadi  pada  analisis simulasi dengan perhitungan teoritis yang diperlihatkan pada Tabel 5.
Tabel  5. Perbandingan  galat  error  analisis  simulasi  dan perhitungan teoritis.
Metode Von misses (MPa) Displacement SOF Simulasi FEA 157 0,161 3,057 Teoritis 168 0,03 3,18 Galat error (%) 6 4 3,7

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan  hasil  kajian  yang  dilakukan,  dapat diperoleh simpulan bahwa hasil analisis simulasi pada software yaitu nilai von misses stress adalah 157 MPa, displacement sebesar 0,161 mm dan safety of factor sebesar  3,057  yang  terjadi  pada  pembebanan  mata pisau, sedangkan hasil perhitungan teoritis von misses stress sebesar  168  MPa, displacement sebesar  0,03 mm dan safety of factor sebesar 3,18, sehingga nilai perbandingan galat atau error yang terjadi antara hasil analisis  simulasi  dan  perhitungan  teoritis  dari von misses  stress adalah  6%, displacement bernilai  4% dan safety of factor sebesar 3,7%. Berdasarkan hasil nilai safety  of  factor dari  analisis  simulasi  dan perhitungan  teoritis  yang  bernilai  3,05  dan  3,18, desain  mata  pisau  memenuhi  standar  keamanan desain  untuk  permodelannya,  sehingga  desain  mata pisau  dapat  dilanjutkan  ke  tahap  proses  manufaktur untuk mesin pencacah pengolahan kompos.

## Ucapan Terima Kasih
Terima  kasih  kepada  Tim  Laboratorium  CAR  dan Laboratorium Gambar Teknik,
Universitas Gunadarma E428 yang telah memberikan fasilitas dan kepada  semua  pihak  atas  dukungan  serta  saran  dan masukan dalam pelaksanaan kajian.

## Daftar Pustaka
[1] Kementerian Lingkungan Hidup dan Kehutanan  Republik  Indonesia  (KLHK). https://www.menlhk.go.id/site/single_post/53 08, diakses 27 Februari 2023.
[2] Susanto, D. S. Hut., et.al, 2018. Buku Panduan Pembuatan  Pupuk  Tricoderma , United Nations  Educational,  Scientific  and  Cultural Organization  (UNESCO) dan  Fakultas Kehutanan Universitas Gadjah Mada (UGM).
[3] Abambres, M, & Arruda, M, 2016. Finite Element Analysis  of  Steel  Structures  –  A  Review  of
Useful  Guidelines .  International  Journal  of Structural Integrity, Vol.7 .8, 490-515.
[4] Pranoto,  S.H.,  Yatnikasari,  s.,  Noor,  A.M., Yaqin,  R.,  2020.  “Desain  dan  Analisis  Mata
Pisau  Pencacah  Untuk  Pengolahan  Sampah Plastik Menggunakan Finite Element Analysis”. Jurnal Infotekmesin , vol 11. 2, 147 – 152.
[5] Zainal  Arifin,  Singgih  Dwi  Prasetyo,  Teguh Triyono,  Catur  Harsito,  Endang  Yuniastuti, 2020.  “Rancang  bangun  mesin  pencacah limbah kotoran sapi ”. Jurnal Rekayasa Mesin , Universitas Brawikaya, vol 11. 2, 187 – 197.
[6] Sutrisna, A., Dedikarni, S., Raharjo, J., 2019. “Design of dry leaves shredder machine using five  blades”, Journal  Renewable  Energy  & Mechanics (REM), vol 2 .2, 66 -80.
[7] Wahyu  K.  Sugandi,  Asep  Yusuf,  Ahmad Thoriq,  2017.  “Rancang  bangun  mesin pengiris talas semir”, Jurnal Rekayasa Mesin , Universitas Brawijaya, vol 8. 2, 67 – 74.
[8] Noviyanti, N, Dani, S, Sopan, S, & Nicholas, R,  2019.  Rancang  Bangun  Mesin  Pencacah Sampah  Organik  Rumah  Tangga.  Jurnal Rekayasa Hijau, Vol. 3. 3, 169-178.
[9] Hartanto,  J.  Sedyono,  T.  Tjahjono,  2016. “ Desain  dan  analisa  mesin  crushing  botol plastik  bekas  untuk  industri  kecil  dengan menggunakan  simulasi ”.  Surakarta  :    Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta.
[10]  M, Ghifari F, Widiantoro, H, Zainuddin, 2022. Analisis Elemen Hingga Bagian Penekuk pada Mesin  Pembuat  Begel  Baja  Tulangan  8  mm. Jurnal Suara Teknik, Vol. 13. 1, 6-11.
[11]  Wibawa, L, & Himawanto, D., 2018. Analisis Ketahanan  Beban  Dinamis  Material  Turbin Angin Terhadap Kecepatan Putar Rotor (Rpm) Menggunakan Metode Elemen Hingga. Jurnal Simetris, vol 9. 2, 803–808.
[12]  Aji Abdillah, K, Ahmad Fadel, G, Irvan, S.P, 2021.  Desain  Dan  Analisis  Kekuatan  Tangki Fire Water Storage Tank Tipe Fix Cone Roof Kapasitas  1500  KL  Dengan  Perhitungan Aktual Dan Simulasi Software. Jurnal Ilmiah Teknologi dan Rekayasa, Vol 26. 1, 69-78.
[13] Sularso,  K.  Suga,  1978. Dasar  Perencanaan dan  Pemilihan  Elemen  Mesin .  Jakarta:
Pradnya Paramita.
[14]  Henan  BBN  Steel  co.,ltd.  (2022,  Desember 10). [Online]. Available : http://www.bbnsteelplate.com/news/JIS- G3101-SS41-steel-plate.html diakses 5 Januari 2023.
[15]  SolidWorks  Corporation,  2015.  Introducing Solidwroks. USA : DS Solidworks.
[16]  Febrinaldy,  B,  2007. Finite  Element  Models and Verfications Using MSC Patran/Nastran. Bandung : Creative  Creature Corporation.
[17]  Dassault  System.  (2022,  Desember  22).
[Offline]. Available :
https://www.solidworks.com/
[18]  Aji  Abdillah,  K,  M,  Erlian,  2020.  Analisis Kegagalan pada Rangka Mesin Perontok Padi Kapasitas  1  Ton/Jam  Menggunakan  Metode Von Misses. Jurnal Rekayasa Mesin, Vol 20. 2, 13-18.
[19]  G. Pahl, W. Beitz. 1996. Engineering Design , Second Edition . London : Springer.
[20]  Popov,  E.P,  1984.  “Mekanika  teknik ( Mechanic  of  Material ), second  edition”. Berkeley : University of California.