## Perancangan Mesin CNC untuk Pengerjaan Logam Aluminium dan Carbon Steel
Ridwan * , Wakhid Utomo * and Oki Yosevi *
 Politeknik Negeri Batam, Batam, Indonesia Electrical Engineering Department Jl.Ahmad Yani, Batam Centre, Batam 29461, Indonesia E-mail: ridwan@polibatam.ac.id

## Abstrak
Pada umumnya di dunia industri banyak menggunakan mesin CNC ( Computer Numerically Control ) yang sudah dapat  mengolah  pengerjaan  logam  berat  seperti carbon  steel .  Hanya  saja  dalam  penggunaanya  membutuhkan biaya yang sangat besar. Untuk mengatasi hal ini perlu dirancang mesin CNC type router untuk pengerjaan logam aluminium  dan carbon  steel yang  akan  di  operasikan  pada  PT.  XYZ,  guna  meningkatkan  efisiensi  produksi dengan  biaya  yang  relative  sedikit.  Sekarang  ini  perusahaan  tersebut  memiliki  CNC type  router yang  hanya mampu  memproses  material  resin,  bakelite,  durostone  dan  recocel,  sedangkan  pengerjaan  material  logam aluminium  dan  carbon  stell  masih  menggunakan  mesin  milling  konvensional.  Dalam  penelitian  ini,  dilakukan perancangan dan pembuatan mesin CNC router 3 axis yang dapat memproses material logam AISI 1046 carbon steel dan dapat diproduksi sendiri. Metode yang digunakan adalah merancang struktur dari mesin, dan melakukan pemilihan motor stepper sebagai penggerak sumbu axis x, y dan z. Hasil dari penelitian ini didapat mesin CNC router 3 axis dengan komponen elektronik yang sudah ditentukan, sehingga mempunyai rancangan torsi motor stepper sebesar 2,8 Nm. Mesin CNC router yang telah rancang mampu mengerjakan material logam AISI 1046 carbon steel. Pada proses percobaan kedalaman pemakanan dengan menggunakan 0,2 - 1 mm/putaran dengan kecepatan penyayatan (feedrate) 200 mm/menit. Hasil pengukuran benda uji dari proses mesin CNC router yang dirancang tidak melebihi 0,2 mm. hasil pengukuran menggunakan standar toleransi japanese industrial standards (JIS) dengan metode pengukuran coordinate measuring machine (CMM).
Kata kunci: CNC, aluminium, carbon steel , mesin milling konvensional

## Abstract
Generally, in the industry many use CNC (Computer Numerically Control) machines that can process heavy metal work such as carbon steel. It's just that its use requires a very large cost. To overcome this, it is necessary to design a CNC router type machine for aluminum and carbon steel metalworking which will be operated at PT. XYZ, in order to increase production efficiency with relatively little cost. Currently, the company has a CNC router type that is only capable of processing resin, Bakelite, durostone and recocel materials, and for working on aluminum and carbon steel materials still used conventional milling machine. In this research, the design and manufacture of a 3 axis CNC router machine that can process AISI 1046 carbon steel metal material and can be produced by yourself is carried out. The method used is to design the structure of the machine, and to select a stepper motor as the driving force for the x, y and z axes. The results of this study obtained a 3 axis CNC router machine with electronic components that have been determined, so that the design torque of the stepper motor is 2.8 Nm. The CNC  router  machine  that  has  been  designed  is  capable  of  working  on  AISI  1046  carbon  steel  metal.  In  the experimental  process  the  depth  of  food  is  using  0.2  -  1  mm/turn  with  a  feedrate  of  200  mm/minute.  The
Vol. 14 No. 1, April 2022, 23-29 e -ISSN: 2548-9828
measurement results of the test object from the designed CNC router machining process do not exceed 0.2 mm. And  the  measurement  results  of  the  test  object  have  met  the  Japanese  Industrial  Standards  (JIS)  tolerance standard with the coordinate measuring machine (CMM) measurement method.
Keywords: CNC, aluminium, carbon steel, conventional milling machine

## 1. Pendahuluan
Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi yang semakin pesat mengharuskan manusia untuk berfikir kreatif  dalam  melakukan  inovasi.  Perkembangan teknologi  yang  pesat  juga  mempengaruhi  industri manufaktur sehingga dapat menghasilkan produk-produk unggulan. Contohnya pada perusahaan  industri  mesin  CNC  yang  semakin  hari semakin  berkembang.  CNC  adalah  singkatan  dari “ Computer  Numerical  Control ”.  CNC  adalah  mesin yang  di  gunakan  dalam  proses  manufaktur  yang menggunakan  kontrol  terkomputerisasi.  Kelebihan yang paling domain yaitu  hasil kepresisian baik dan kecepatan  dalam  proses  produksi,  sehingga  cocok digunakan untuk produksi masal [5].
PT.  XYZ  adalah  salah  satu  perusahaan  manufaktur yang berada di kelas UKM (Usaha Kelas Menengah). Perusahaan ini telah mempunyai Mesin CNC Milling 3-axis  type  router yang  dapat  memproses  material durostone,  bakelite dan resin ,  untuk  memproses material  logam  carbon  steel  menggunakan  mesin milling  konvesional.  Hal  ini  membuat  proses produksi tidak efisien di karenakan banyaknya proses produksi  untuk  pengelolahan  logam carbon  steel masih  menggunakan  mesin  milling  konvesional.  Di tambah  lagi  dengan  meningkatnya  jumlah  produksi dan  keterbatasan  jumlah  mesin  konvesional  maka akan semakin membuat proses produksi tidak efisien dalam  segi  waktu  dan  dalam  proses  pengerjaanya produksinya.
Dengan  demikian  maka  di  butuhkan  pengembangan alat  produksi.  Untuk  itu  PT.  XYZ  ini  ingin  ada penambahan  mesin  CNC  Milling  3-axis  type  router untuk  memproses pengerjaan  material logam seperti aluminium  dan  carbon  steel  [2]. Penambahan  mesin ini tidak dilakukan dengan cara pembelian mesin baru karena  harga  mesin  yang  masih  relative  mahal  bagi pelaku UKM. Harga mesin CNC Milling 3-axis type
router dengan  spesifikasi  yang  diharapkan  bisa mencapai harga 100 juta rupiah.  Untuk itu diperlukan penelitian  untuk  Perancangan  mesin  CNC  Milling 3- axis type router yang difokuskan untuk memproses pengerjaan  material  logam  seperti  aluminium  dan carbon steel [3]. Dan dengan adanya penelitian untuk perancangan  mesin  CNC type  router ini  diharapkan akan terciptanya mesin CNC dengan spesifikasi yang dibutuhkan  dengan  harga  pembuatan  mesin  yang relatif murah dan dapat meningkatkan jumlah proses produksi dengan waktu yang dibutuhkan lebih efisien.

## 2. Metode

## 2.1 Perancangan Alat
Perancangan  alat  ini  terdiri  dari  tiga  bagian,  berikut ini adalah bagian-bagian dari proses perancangan alat.

## 2.1.1 Perancangan Desain Mesin CNC
Pembuatan  desain  mesin  CNC  berdasarkan dengan refrensi desain mesin milling konvesional yang  ada  di  perusahaan  manufaktur.  Desain mekanik mesin CNC dibuat agar dapat bergerak 3 arah yakni arah sumbu axis X, Y dan Z. Desain mekanik  mesin  CNC  juga  dibuat  dengan kontruksi  untuk  pengerjaan  material  logam aluminium  dan carbon  steel .  Ukuran  maksimal proses pengerjaan material yang di desain adalah panjang  550 mm, lebar 350 mm dan tinggi 130 mm.  Gambar  1  berikut  merupakan  desain mekanik  mesin  CNC router untuk  pengerjaan logam aluminium dan carbon steel.
Gambar 1 Desain mekanik Mesin CNC

## 2.1.2 Perencanaan Torsi Motor Stepper
Untuk  menentukan  kemampuan  torsi  motor stepper menggerakkan  sumbu  X,  Y  dan  Z maka  perlu  diperhitungkan  gaya  beban  yang diterima  sumbu axis . Rumus  untuk  mencari gaya  beban  pada  sumbu axis u n t u k m e n g e t a h u i   k e a m a a n   k e k u a t a n   torsi pada motor stepper y a n g   d i g u n a k a n adalah  sebagai  berikut [3]:
𝑭 = 𝝉 𝒓 (1)
dimana F didapat dari persamaan:
𝑭 = 𝒎. 𝐠 (2)
dimana: 𝝉 = torsi motor stepper (Nm)
r= jari – jari ball screw (m)
F= beban gaya (N) g= percepatan gravitasi (9,8 m/s 2 )

## 2.1.3 Rangkaian kontrol
Pada  mesin CNC ini  pada  dasarnya  mengubah bahasa  program  G-code  menjadi  menjadi gerakan-gerakan axis pada mesin. Gerakan axis mesin  memakai  3 motor  stepper dengan  jenis
nema 34 dan pada saat pergerakan axis X, Y dan
Z berjalan  maka  terdapat  rangkaian  yang aktif.
Pada  motor stepper  axis X,  Y  dan  Z  proses
rangkaian yang aktif yakni wiring dari breakout board mach3 pin (CLK) yang terhubung dengan
motor  driver pin (PUL  +) sebagai  pengirim
signal  pulsa ke motor  stepper  Nema  34 .  Pin
(DIR) dari breakout  board  mach3 yang terhubung  dengan motor  driver pin (DIR  +)
sebagai  pengirim signal arah  putaran motor stepper .  Pin (EN) dari breakout  board  mach3 terhubung  dengan motor  driver pin (PUL-  dan
DIR-) yang  berfungsi  sebagai grounding .  Dan
USB port pada breakout board mach3 terhubung dengan USB  port  pada  PC  computer sebagai sumber  arus (5v) yang  dibutuhkan  oleh motor driver yang  didapat  dari breakout  board. Kemudian  pin  ( VCC) pada motor  driver dihubungkan  ke port  (V+) pada power  supply, pin  (GND) dihubungkan  kep Port (V-)  pada power  supply sebagai  sumber  arus motor stepper ,  serta  pin (A+,A-,B+,B-) dihubungkan langsung  ke motor  stepper ,  pin  tersebut berfungsi  sebagai  penentu  arah  putaran motor stepper yaitu searah dan berlawanan jarum jam.
Proses aktif pada wiring axis sumbu X, Y dan Z sama  prosesnya.  Gambar  2  berikut  merupakan pengkabelan listrik mesin CNC router .

## Gambar 2 Pengkabelan listrik mesinl

## 3. Hasil dan Pembahasan
Mesin  CNC  yang  di  rancang  terdiri  dari  peroses pembuatan  mekanikal  dan  elektrikal  sehingga menghasilkan  mesin  CNC  3  sumbu  axis  yakni
sumbu  X,  Y  dan  Z,  denagn kapasitas  maksimal proses pengerjaan  material adalah panjang 550 mm, lebar  350  mm  dan  tinggi  130  mm untuk  proses pengerjaan logam aluminium dan carbon steel pada kapasitas  produksi  manufaktur.  Gambar  3  berikut adalah  realisasi  mesin  CNC  dari  perancangan mekanik  dan  elektrik  yang  telah  dirancang sebelumnya.

## Gambar 3 Realisasi mesin CNC

## 3.1 Perhitungan Torsi Motor Stepper
1. Sumbu Z Untuk  menentukan  kemampuan  motor stepper menggerakkan sumbu Z maka perlu diperhitungkan  beban  yang  diterima  sumbu  Z.
Massa komponen-komponen yang ada di sumbu
Z dijelaskan pada Tabel 1.
Tabel 1 Beban pada sumbu Z No Nama komponen Jumlah Massa ( Kg) 1 Spindle Motor 1 6 2 Base rail 1 1 4 Hiwin Rail 2 1,38 Total 8,38
diketahui: g = 9,8 m/s 2 r ball screw = 8 mm = 0,008 m 𝛕 motor stepper = 2,8 Nm
Sesuai dengan persamaan 2, maka gaya beban yang dihasilkan adalah sebagai berikut: 𝐹 = 𝑚. g
= 9,38  kg x 9,8 m/s 2 = 82,12  kg. m/s 2 = 82,12 N Kemampuan  motor stepper sumbu  Z  untuk menggerakkan  beban  (F)  pada  sumbu  Z berdasarkan persamaan 1 sebagai berikut:
𝐹 = 𝜏 𝑟
𝐹 = 2,8 𝑁𝑚 0,008 𝑚 𝐹 =  350 𝑁
Hasil perencanaan beban sumbu Z sebesar 82,12
N sedangkan torsi motor stepper mampu untuk menggerakkan  beban  sebesar  350  N,  sehingga dalam  penelitian  ini  pemilihan  motor stepper model nema 34 seri 86HS65-3004A14-B35 torsi 2,8 Nm pada sumbu Z aman.
2. Sumbu X Untuk  menentukan  kemampuan  motor stepper menggerakkan sumbu X maka perlu diperhitungkan beban yang diterima oleh sumbu X. Untuk mengetahui massa komponen tersebut maka  dapat  melihat  dari  spesifikasi  komponen dan  menjumlahkan  komponen  komponen  yang ada  di  sumbu  X.  Massa  komponen-komponen yang ada pada sumbu X dijelaskan pada Tabel 2.
Tabel 2 Beban pada sumbu X No Nama komponen Jumlah Massa ( Kg) 1 Beban sumbu Z 1 8,38 1 Base Plate 1 2,16 2 Linier guide rail 2 1,8 3 Ball Screw 1 1,7 4 Hiwin Rail 4 2.76 5 Motor stepper 1 1,85 Total 18,65
diketahui: g = 9,8 m/s 2 r ball screw = 8 mm = 0,008 m 𝛕 motor stepper = 2,8 Nm
Gaya beban yang dihasilkan sesuai dengan persamaan 2 adalah sebagai berikut : 𝐹 = 𝑚. g = 18,65 kg x 9,8 m/s 2
= 182,77 kg. m/s 2 = 182,77 N
Bedasarkan  persamaan  1  kemampuan  motor stepper sumbu  X  untuk  menggerakkan  beban (F)    pada sumbu X sebagai berikut :
𝐹 = 𝜏 𝑟 𝐹 = 2,8 𝑁𝑚 0,008 𝑚

## 𝐹 =  350 𝑁
Hasil  perencanaan  beban  sumbu  X  sebesar 182,77 N sedangkan torsi motor stepper mampu untuk  menggerakkan  beban  sebesar  350  N,
sehingga  dalam  penelitian  ini  pemilihan motor stepper model nema 34
seri
86HS65-3004A14-B35  torsi  2,8  Nm pada sumbu X aman.
3. Sumbu Y
Untuk  menentukan  kemampuan motor stepper menggerakkan sumbu Y maka perlu diperhitungkan  beban  yang  diterima  sumbu  Y.
Massa  komponen-komponen  yang  ada  pada sumbu Y dijelaskan pada Tabel 3.
Tabel 3 Beban pada sumbu Y No Nama komponen Jumlah Massa ( Kg) 1 Beban  sumbu X dan Z 1 18,65 2 Linier guide rail 2 3,6 3 Base plate 1 4,32 4 Hiwin Rail 4 2,76 5 Motor Stepper 1 1,85 6 Ball Screw 1 3,5 Total 34,68 Diketahui: g = 9,8 m/s 2 r ball screw = 10 mm = 0,01 m
Gaya beban yang dihasilkan sesuai dengan persamaan 2 adalah sebagai berikut : F = m. g = 34,68 kg x 9,8 m/s 2 = 339,86 kg. m/s 2 = 339,86 N Kemampuan  motor stepper sumbu  Y  untuk menggerakkan  beban  (F)  pada  sumbu  Y berdasarkan persamaan 1 adalah:
𝐹 = 𝜏 𝑟

## 𝐹 = 2,8 𝑁𝑚 0,008 𝑚

## 𝐹 =  350 𝑁
Hasil  perencanaan  beban  sumbu  X  sebesar 339,86 N sedangkan torsi motor stepper mampu untuk  menggerakkan  beban  sebesar  350  N, sehingga  dalam  penelitian  ini  pemilihan  motor stepper model nema 34
seri
86HS65-3004A14-B35  torsi  2,8  Nm pada sumbu Y aman.

## 3.2 Pengujian Proses Mesin CNC
Pengujian  proses  ini  dilakukan  untuk  mengetahui bahwa  mesin  CNC  yang  dibuat  dapat  memproses material logam carbon steel dengan hasil pengerjaan part persisi. Berikut adalah desain drawing benda uji dengan standart  tolerasni japanese  industrial standards (JIS)  dan  jenis  matrial  AISI  1046 carbon steel . Pada gambar 4 berikut adalah part dan dimensi benda  uji  yang  akan  dibuat  menggunakan  proses pengerjaan mesin CNC.

## Gambar 4 Part dan dimensi benda uji

## 3.3 Hasil Pengujian mesin CNC
Dalam proses pengujian mesin CNC pengoperasianya menggunakan program G/M code yang telah di buat sebelumnya dengan refrensi gambar 3 dimensi. Benda uji yang disesuaikan dengan ukuran benda uji. Benda uji  menggunakan  material  jenis  AISI  1046 carbon steel dan  di  proses  menggunakan  mesin  CNC  yang telah selesai di buat, guna memastikan apakah mesin CNC  mampu  memproses  material  jenis  AISI  1046 carbon steel dengan hasil pengukuran benda uji yang
presisi. Gambar 5 berikut adalah benda uji hasil dari proses pengerjaan mesin CNC yang telah dibuat.

## Gambar 5 Benda uji hasil proses mesin CNC

## 3.4 Pengukuran Metode CMM
C oordinate  Measuring  Machine (CMM)  adalah metode  pengukuran  karakteristik  geometris  fisik suatu  objek  secara  3  dimensi.  Metode  CMM dilakukan dengan cara  pengambilan data point pada sisi-sisi  benda  uji  hasil  proses  mesin.  Dari  data pengambilan  point  kemudian  di  olah  menjadi koordinat  sistem  sebagai  datum  pengukuran  benda uji. Pengolahan program dan data pengukuran metode CMM  ini  menggunakan  software  polyworkds  dan mesin  Leica  AT  401.  Berikut  langkah  langkah pengukuran metode CMM.

## 3.4.1 Membuat program CMM
Sebelum  melakukan  pengukuran  benda  uji, program  CMM  harus  dibuat  terlebih  dahulu menggunakan  software  polyworks.  Program  di buat berdasarkan benda uji yang akan diukur dan telah  di  buat  desain  CADnya.  Untuk  spsifikasi dimensi  pengukuran  sudah  otomastis  dengan ukuran  yang  ada  pada  desain  CADnya.  Program CMM  yang  di  buat  setelah  melakukan pengambilan  data  pengukuran  benda  uji  maka akan menghasilkan report hasil pengukuran benda uji. Report yang dihasilkan mengacu pada standar toleransi  JIS  sehingga  hasil  pengukuran  dapat langsung  mengetahui accept atau reject.
Pengukuran  yang  akan  diambil  datanya  pada benda uji berupa Plane, vector dan circle. Program CMM  yang  telah  dibuat  di  software  polyworks dapat dilihat pada Gambar 6.

## Gambar 6 Program CMM polyworks

## 3.4.2 Pengambilan data pengukuran CMM
Pengambilan data diambil langsung menggunakan metode  CMM  dengan  proses  touching  probe langsung ke benda uji. Proses touching teridri tadi touch  plane,  vector dan circle pada  benda  uji.
Gambar 7 berikut adalah proses pengambilan data pengukuran metode CMM di ruangan kalibrasi.
.

## Gambar 7 Pengambilan data pengukuran CMM

## 3.4.3 Hasil pengukuran metode CMM
Setelah  pengambilan  data  pada  benda  uji  maka data  akan  di  proses  menggunakan software polyworks .  Data  yang  dikeluarkan  dari  software polyworks  berupa  3D  sesuai  dengan  hasil pengambilan  data  benda  uji.  Hasil  3D  CMM software polyworks dapat dilihat pada Gambar 8.
Gambar 8 Hasil 3D CMM software polyworks
Dari proses pengambilan data benda  uji dengan metode  CMM  pada software polyworks  akan menghasilkan  data  berupa  report.  Report  yang dikeluarkan  adalah  berupa  data  nominal  angka aktual  benda  uji  berdasarkan  spesifikasi  ukuran dan  toleransi  benda  uji  yang  telah  di  buat CADnya.  Gambar  9  berikut  adalah  hasil report CMM software polyworks dari pengambilan data benda uji.
Gambar 9 Hasil report CMM pada benda uji

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan  hasil  dan  pembahasan  pada  mekanikal pergerakan axis mesin CNC didapat hasil perhitungan motor stepper yang tepat yakni menggunakan model nema  34  seri  86HS65-3004A14-B35  torsi  2,8  Nm, sehingga  mampu  menggerakkan  axis  sumbu  untuk memperoses material logam  AISI 1046 carbon steel dengan  dimensi  160mm  x  100mm  x  25mm. Pergerakan  3  sumbu  axis  X,Y,  dan  Z  yang  akurat sehingga  menghasilkan  tingkat  kepresisian  hasil pemesinan  yang tinggi pada benda uji yakni kurang dari  0,2mm  dengan  metode  pengukuran  benda  uji menggunakan metode Coordinat Measuring Machine (CMM).

## Ucapan Terimakasih
Terima kasih kepada semua pihak yang sudah terlibat dan  membantu  penelitian  ini  terutama  kepada  PT. Sago  Design  Engineering  yang  sudah  mendukung penelitian ini.

## Referensi
[1] Sularso, Suga, Kiyokatsu. 1991. Dasar
Perencanaan  dan  Elemen  Mesindan  Pemilihan Elemen  Mesin  10th  Edition .  Jakarta:  PT.
PradnyaParamita.
[2] Hood-Daniel,  Patrick  &  Floyd  Kelly,  James. 2009. Build  Your  Own  CNC  Machine , American, New York.
[3] Kurniawan,  E.,  &  Jekky,  B.  2020. Rancang Bangun Mesin CNC Lathe Mini 2 Axis . 4 (2), 83–
90.
[4] Budynas, Richard G., dan J. Keith Nisbett. 2011. Shigley’s Mechanical Engineering Design Ninth Edition . New York: McGraw-Hill.
[5] Van  Houten,  F.  A.  1992.  Manufacturing Interfaces. CIRP Annals, 41 (2), 699-710.