WATER JET MACHINING (WJM)

BAB V

WATER JET MACHINING (WJM)

5.1       Pengertian Water Jet Machining (WJM)

Water Jet Machining (WJM) merupakan mesin yang menggunakan pancaran air untuk memotong lembaran logam. Contoh prinsip pengerjaan dalam mesin WJM ini adalah apabila jari diletakkan pada ujung keran air, maka cucuran aliran dengan tekanan tinggi akan mencuci kotoran yang melekat secara efektif. Water jet adalah sebuah alat yang digunakan dalam proses pemotongan dingin yang menggunakan tekanan yang sangat tinggi dengan air sebagai medianya dan tambahan bahan abrasive.

Gambar Skema Water jet Machining

Pemotong tersebut mampu menembus hampir semua materi termasuk kaca,logam dan plastic dengan ketebalan lebih dari 18 inch tanpa membentuk bekas seperti warna pada hasil penggergajian.Bahan abrasive yang digunakan seperti pasir karbida dan garnet(biasanya terdapat pada amplas).Water jet digunakan dalam produksi yang tinggi diseluruh dunia,teknologi yang mendapat pujian dari dunia antara lain penggilingan, laser, EDM, plasma dan router.

Dalam teori ilmu pengetahuan, bila pancaran air diarahkan pada suatu sasaran seperti misalnya menumbuk suatu permukaa, aliran kecepatan yang tinggi seolah-olah dihentikan tiba-tiba, kemudian sebagian besar energi kinetik dari air diubah menjadi energy tekanan. Kenyataanya pada permulaan bebera[a milidetik setelah tumbukan awal dari pancaran mengenai sasaran sebelum aliran lateral dari air dimulai, tekanan transein sesungguhnya yang ditimbulkan tiga kalinya tekanan stagnasi normal.

Erosi terjadi bila tekanan fluida setempat melebihi tegangan ikay dari material yang mengikat diri bersama sasaran. Dengan kata lain, pancaran cairan pemotong mengelupas material pertama-tama oleh gaya mekanis dari cucuran dengan kecepatan tinggi yang menimpa pada luasan kecil, dimana oleh tekanan tersebut melampaui tekanan aliran material terpotong.

Farmer dan attewell melaporkan hasil eksperimennya mengenai pancaran air menimpa batu pasir. System tersebut menggunakan pancaran bergetar dengan kecepatan 500 meter/detik dan pengaruh kecepatan terhadap penetrasi dilaporkan. Studi dari Brook dan Summers memikirkan mengenai pancaran air kontinyu menimpa sasaran batu pasir. Pengaruh dari SOD pada tekanan sampai 92 MN/m² untuk pancaran dengan atau tanpa bahan tambahan polymer.

Pancaran air bergetar telah digunakan dalam penggalian batu dan permesinan alumunium dan tembaga. Fanz telah mencatat pentingnya memanfaatkan pancaran cairan koheren dan telah diberikan hasil eksperimennya pancaran cairan dengan bahan dan telah diberikan hasil eksperimennya pancaran cairan dengan bahan tambahan polymer.

Penggunaan pancaran cairan untuk pemotongan material selain batuan adalah juga telah dipelajari oleh beberapa ilmuan peneliti. Kemapuan pemotongan pada tekanan sampai 10.000 atm telah dilaporkan untuk berbagai sasaran material yang sangat luas. Material yang sangat luas tersebut seperti kayu, tembaga, karet, alumunium, perunggu, dan baja. Studi yang baru telah dilaporkan oleh Neusen dan La Brush, pengelupasan material yang efektif adalah sebagai fungsi dari tekanan masuk nosel dan jarak antara nosel dan sasaran. (www.scribd.com)

5.2       Peralatan Pemotongan WJM

Diagram air jet pemotong terdiri dari bagian-bagian seperti air bertekanan tinggi inlet, permata (ruby atau berlian), abrasive (garnet), pencampuran tabung, penjaga, pemotong air jet, pemotong bahan. Pompa sebagai sumber tekanan dan nosel sebagai pembentuk pancaran adalah bagian yang mendasar pada setiap system pemotongan dengan pancaran. Perlengkapan lainnya seperti perpipaan, fitting, dan valves. Adapun penjelasan dari peralatan-perlatan tersebut adalah sebagai berikut:

1.        Pompa

Penekanan cairan sebesar 1500 dan 4000 Mn/m² biasanya dilakukan oleh salah satu dari gerakan langsung secara mekanis terhadap  plumper berdiameter kecil atau dengan penguat (internsifier). Tekanan fluida yang cukup besar menggerakan piston berpenampang besar dimana pada langkah baliknya menggerakan ram berdiameter kecil yang menampakan fluida pemotong.

Pada tekanan tersebut permasalahan itamanya adalah mengatasi kebocoran (sealing) akibat tekanan tinggi dari ram, sedangkan masalah kerusakan komponen mekanis dapat dibatasi oleh unsure hidup dari perlatan tersebut. Beberapa cara penyelesaian telah diketemukan salah satu diantaranya  adalah memebrikan paking tekanan tinggi yang dapat digantikan secara cepat dengan kemudahan untuk mendapatkannya. Alternative lainnya conventional fabric back, paking karet sintetis dapat dilumasi dengan menambahkan seluble oil sampai 5% kepada air yang dipompakan. Namun oil ini mungkin tidak cocok dengan material yang dipotong dan pembuangan limbah fluidanya dapat juga menjadikan pertimbangan yang menyulitkan.

Ram untuk gerak bolak-balik (reciprocating ram) dapat dilingkupi dengan fitting sleeve tertutup yang panjang. Dengan rancangan yang benar dan pembuatan yang presisi kebocoran fluida melewati kelonggaran seal dapat dikurangi serendahnya 2% dari unit pengiriman rata-rata pada tekanan 30KN/cm². Membuat komponen dari logam keras menjadikan seal mempunyai umur hidup yang panjang dan cocok untuk berbagai jenis fluida pemotong termasuk air murni.

Metode lain adalah menggunakan dua seal berkelonggaran kecil pada ram. Melalui gerak pemakanan (feeding) pada ruang antara seal dan oli yang sangat kental pada tekanan tinggi, kebocoran dapat terkurangi, namun sebagian kecil oli akan tak terelakkan keluar fluida pemotong melalui seal bagian dalam (innerseal).

2.        Perpipaan (Tubing)

Pipa tekanan tinggi yang digunakan untuk mengirim fluida dari satu system ke komponen lainnya adalah berdinding tebal dengan perbandingan antara diameter luar dan diameter dalam sedikitnya 5 dan kadang-kadang lebih tinggi dari 10. Pipa dapat dibuat dari baja stainless bor dinding pejal atau dinding kompsit dengan baja stainless didalamnya dan baja karbon sebagai kulitnya. Perpiapaan dapat digunakan untuk melawan fluida pda tekanan lebih tinggi dari pada tegangan yield material pipa melalui pemakian proses yang dikenal dengan autofrottaging atau self hooping.

3.        Penyambung Pipa (Tube Fitting)

Garis kontak antara logam dengan logam adalah teknik yang biasa dipakai untuk mendapatkan penyekatan fluida dalam penyambungan pipa tekanan tinggi, yang diberikan oleh penarikan bentuk konis masuk kedalam rongga yang melingkupinya (Rounded socket). Konis mungkin dikerjakan langsung pada pipanya atau bentuk konis yang dipasangkan dapat dipakai. Pada tekanan yang lebih tinggi, rancangan konis yang replaceable adalah yang kebanyak digunakan.

4.        Valves

Kebanyak valves untuk tekanan tinggi adalah tipe jarum (needle type). Aliran utama yang melewatinya dikontrol oleh bentuk konis yang terpasang tetap pada ujung jarum terhadap dudukannya. Seal kelenjar (Gland Seal) biasanya dibutuhkan untuk mengurangi kebocoran sepanjang batang tangkai.

5.        Nosel

Nosel berari mengubah tekanan tinggi dari cairan menjadi pancaran dengan kecepatan tinggi sesuai dengan berbagai keinginan dari perancang. Untuk erosi minimum maka material nosel harus sangat keras, sebaliknya untuk memberikan bentuk kontur yang halus material harus ulet dan mudah dikerjakan. Nosel dapat dibuat dari sintered diamond atau sappire dan dapat digunakan untuk bagian yang dipasangkan pada pemegang baja yang jelas membutuhkan tegangan dan keuletan.

Diamond, tungsten carbide, dan baja special telah digunakan untuk membuat nosel yang berkualitas. Suatu nosel dengan diameter keluar 0,05 – 0,35 mm akan memberikan pancaran koheren dengan panjang sampa 3 – 4 cm. Metode untuk menaikan panjang pancaran adalah dengan menambahkan kepada air pemotong sebanyak 1% bahan polymer dengan mata rantai panjang (a long chain polymer) seperti polyethylene- oxide dengan berat molekuler 4 milyar, yang akan menghasilkan viskositas fluida yang sangat tinggi.

     Dengan bahan penambah seperti itu pancaran koheren akan sampai mencapai panjang 600x diameternya. Melewati titik pisah (break-up point)  beberapa gaya pemotongan masih memungkinkan dikonsentrasi inti cairan dengan pancaran berlubang melingkupinya.

5.3       Rincian Proses WJM

Air dan polymer dicampur secara tepat dan campuran tersebut dikirm ke intensifier dimana tekanan dinaikan. Penguat hidrolis (hidrolik intesifer) menaikan intensitas tekanan air dan memberikannya ke akumualtor hidrolis (penampung reservoir), selama itu energy tidak dibutuhkan secara kontinyu. Selama periode tak ada proses (idle-periode) energy disimpan didalam akumualtor dan diberikan keluar selama pemotongan.

Gambar Proses WJM

Air bertekanan yang datang dari akumulator dikontrol oleh papan control darimana air itu pergi ke nosel setelah melewati valves pembuka dan penutup (stop-star). Aliran pancaran keluar dari nosel memotong benda kerja, dan selanjutnya dikumpulkan dalam system saluran. Kecepatan tinggi air yang keluar dari permata menciptakan ruang hampa yang menarik abrasive dari garis kasar, yang kemudian bercampur dengan air dalam tabung pencampuran.

Water jet adalah sebuah alat yang digunakan dalam proses pemotongan dingin yang menggunakan tekanan yang sangat tinggi dengan air sebagai medianya dan tambahan bahan abrasive (biasanya antara 20.000 sampai dengan 90.000 psi) dengan tekanan yang sangat tinggi melalui lubang sempit,maka menghasilkan kecepatan yang sangat tinggi pula(tekanan antara 20.000 dan 60.000 Pounds per Square Inch (PSI) (1.300-6.200 bar). Ini terpaksa melalui lubang kecil di permata, yang biasanya 0,007 “untuk 0,020″ dengan diameter (0,18-0,4 mm). Ini menciptakan kecepatan yang sangat tinggi, sangat tipis berkisar (yang adalah mengapa sebagian orang menyebut waterjets sebagai “air laser”) sedekat mungkin dengan kecepatan suara (sekitar 600 mph atau 960 km / jam).

(http://firstiawan.student.fkip.uns.ac.id)

5.4       Kegunaan WJM

WJM digunakan untuk memotong kaca, logam, non-logam kayu, karet, marmer, granit, plastic dengan ketebalan lebih dari 18 inch tanpa membentuk bekas warna. Material dan kecepatan ideal tergantung pada berbagai faktor, termasuk bahan, bentuk bagian tersebut, tekanan air dan jenis abrasive. Mengontrol kecepatan nossel abrasivejet sangat penting untuk efisien dan ekonomis mesin.

Salah satu dari beberapa bahan yang tidak dapat dipotong dengan jet air adalah gelas marah. Karena kaca pemarah stres, segera setelah Anda mulai untuk memotongnya, itu akan hancur menjadi fragmen kecil-seperti yang dirancang untuk melakukan penghancuran. Kecepatan ideal gerakan tergantung pada berbagai faktor, termasuk bahan, bentuk bagian tersebut, tekanan air dan jenis abrasive. Karena waterjets dipotong dengan menggunakan air dan kasar, mereka dapat bekerja dengan berbagai bahan. Materi ini meliputi:

a.       Tembaga, kuningan, alumunium

b.      Pre-pengerasan baja

c.       Mild baja

d.      Exotic materialss seperti titanium, Inconel dan Hastalloy 304 stainless steel

e.       Bahan rapuh seperti kaca, keramik, kuarsa, batu.
Bahan-bahan mudah terbakar

Waterjets juga memainkan peran besar sebagai salah satu bagian dalam proses manufaktur yang lebih besar. Sebagai contoh, waterjets sering digunakan untuk mesin fitur ke bagian yang sudah ada, atau untuk melakukan pra-mesin untuk menghilangkan material sebelum menyelesaikan presisi mesin lain.

5.5       Keuntungan dan Kerugian Penggunaan WJM

Keuntungan dari proses water jet machining ini adalah sebagai berikut:

1.        Air adalah murah, tidak beracun, langsung dapat digunakan dan tidak menjadikan masalah pembuangannya.

2.        Pancaran air mendekati secara ideal dengan pahat bermata potong satu.

3.        Berbagai bentuk / kontur dapat dibuat. Lagipula operasi memungkinkan dilaksanakan pada bidang horizontal maupun vertical.

4.        Proses memberikan hasil pemotongan yang bersih dan tajam.

5.        Tidak seperti metode permesinan konvensional, metode ini tidak menimbulkan panas.  Konsekuensinya tidak ada kemungkinan adanya welding dari material dibelakang pemotongan sebelumnya. Juga tidak membahayakan terhadap degradasi panas material.

6.        Dustless atmosphere – terutama menguntungkan untuk pemotongan material isolasi seperti fiberglass dan asbestos yang menhasilkan debu.

7.        Suara dapat diminimumkn bila unit daya dan pompa dijauhkan dari titik pemotngan.

8.        Tidak ada komponen yang bergerak sehingga mengurangi perawatan yang dibutuhkan.

9.        Pancaran membawa keluar semua sisa pemotongan sehingga tidak ada permasalahan polusi.

10.    Fluida dapat digunakan kembali (re-used) dengan menyaring keluar bahan padat yang terbawa.

11.    Hanya jumlah sedikit fluida yang dibutuhkan (sekitar 100 – 150 liter/jam).

(www.scribd.com)

Keuntungan lain menggunakan water jet antara lain:

1.      Dapat digunakan untuk pemotongan yang sangat presisi,

2.      Waktu yang dibubutuhkan sangat cepat

3.      Ramah lingkungan, tidak menghasilkan limbah yang merusak lingkungan

4.      Lebih ekonomis karena air dan bahan abrasive mudah di daur ulang

5.      Angka toleransi sangat ketat(relative kecil), Jumlah materi dihapus oleh jet air sungai biasanya sekitar 0,02 “(0,5 mm) lebar, yang berarti bahwa sangat sedikit bahan akan dihapus. Ketika Anda bekerja dengan bahan mahal (seperti titanium) atau bahan berbahaya (seperti timah), ini dapat menjadi manfaat yang signifikan.

6.      Lebih aman karena Sebuah kebocoran pada tekanan tinggi sistem air cenderung mengakibatkan penurunan yang cepat tekanan ke tingkat yang aman. Air itu sendiri adalah aman dan non-ledakan dan abrasive garnet juga lamban dan tidak beracun.

(http://firstiawan.student.fkip.uns.ac.id).

Kerugian dalam penggunaan waterjet antara lain:

1.      Biaya awal untuk pembelian water jet tinggi,namun untuk proses produksi selanjutnya bila dibandingkan dengan peralatan lain sangat murah,serta menghemat waktu pengerjaan.

2.      Perlu adanya perawatan khusus dan berkala,karena air yang dicampur dengan bahan abrasive dipaksa untuk melewati lubang yang sangat sempit sehingga butuh perhatian yang khusus agar peralatan dalam kondisi yang baik.

(http://firstiawan.student.fkip.uns.ac.id).

5.6       Pemakaian Praktiks WJM

Penambagan batu bara telah dilakukan dirusia, cina, polandia, cekoslowakia, kanada dan jerman. Sementara eksperimen-eksperimen yang berhubungan degan masalah tersebut telah dilaksanakan di negara-negara lain. termasuk inggris. Pada kebanyakan tambang pemakaian tekanan air dibawah 3,5 KN/cm² dikombinasikan dengan nosel berdiameter lebar. Sejumlah ebrsar air yang digunakan juga membantu membawa pecahan batu bara dari permukaan. Dari tambang di kanada, dicatat bahwa dua orang pekerja dpat menghasilkan 2.250 ton batu bara dalam satu shift dengan menggunakan cara penambangan hidrolis.

Pengembangan selanjutnya diarahkan pada pengkombisian pancaran air dengan metode mekanis untuk pemotongan batu bara dan batuan. Pancaran tekanan tinggi memotong tempat yang lemah dari material, hal ini memudahkan proses pemotongan (relative terhadap pemtongan konvensional) untuk memcahkan batu vara atau batuan. Sebagai contoh ESSO (perusahaan minyak) ,menggunakan pahat pengebran berputar (roller drilling bits) konvensional dimana ditambahakan pancaran dalam beberapa pengetesan sumur minyaknya dua sampai tiga kali  leapt akan dicapat kenaikan kecepatan pengeboran dengan memakai 6 nosel masing-masing berdiameter 3,3 mm, beroperasi pada tekanan 7 – 10 Kn/cm². Sementara pahat bor berdiamater 222 mm.

Sarjana perkeretaapian Jepang telah melakukan pengetesan bor perkusif (Percussive Drill) yang dioperasikan bersama 2 – 4 nosel berdiamter 0,2 – 0,4 mm dioperasikan pada tekanan 40 KN/cm² untuk mencapai lubang berdiameter 35 – 215 mm dengan kecepatan pengeboran 2 – 5 kali kecepatan normal. Pemerintah jepang tertarik pada metode ini untuk memantu pengeboran lorong-lorong bawah tanah bagi pembangunan jaringan rel kereta api kecepatan tinggi. Metode yang hampir sama telah digunakan untuk membongkar konstruksi, beton bertulang memotong alur anti selip dilandasan pesawat terbang atau dijalan-jalan raya, membuat parit dan pemasangan kabel. (www. digilib.its.ac.id/public)

Karakteristik dari penggunaan water jet adalah sebagai berikut:

1.      Menggunakan keceatan yang sangat tinggi,aliran pertikel abrasive(20.000-90.000psi) yang dihasilkan oleh sebuah jet pompa air intensifier

2.      Dalam pengerjaan tidak mengalami kerusakan pada benda kerja,permukaan yang panas atau pinggiranya

3.      Sudut yang terbentuk kurang dari 1 derajat digunakan pada kebanyakan pemotongan,yang dapat dikurangi atau dihilangkan sama sekali dengan memperlambat proses pemotongan

4.      Jarak nosle dan benda kerja mempengaruhi ukuran guritan

5.      Digunakan pada bahan yang sensitive terhadap panas,bahan yang halus ataupun bahan yang keras.

(http://firstiawan.student.fkip.uns.ac.id).

5.7       Keunggulan WJM

            WJM (water jet machining) dapat dibandingkan dengan msin non konvensional lainya. Keunggulan waterjets dibandingkan dengan laser:

a.       Dapat bekerja dengan yang peka panas

b.      Mesin dapat reflektif Waterjets bahan-bahan yang tidak dapat laser, seperti tembaga dan aluminium. Waterjets memotong berbagai bahan tanpa perubahan dalam setup yang diperlukan. Selain itu, bahan yang peka panas dapat dipotong dengan menggunakan waterjets.

c.       Tidak ada zona yang terkena panas (Haz) atau termal distorsi, yang dapat terjadi dengan laser. Waterjets tidak mengubah sifat-sifat material.

d.      Waterjets lebih aman, tidak ada asap berbahaya, seperti logam menguap, dan tidak ada resiko kebakaran.

e.       Lebih baik menyelesaikan tepi Bahan dipotong oleh waterjets memiliki permukaan yang halus,karena cara bahan abraded, yang membuat hasil berkualitas tinggi. Bahan dipotong oleh laser cenderung memiliki lebih kasar, bersisik tepi, yang mungkin memerlukan pengoperasian mesin tambahan untuk membersihkan.

           

Keuntungan pengunaan water jet dari pada EDM (electro discharge machining) yaitu:

a.       Dapat bekerja dengan berbagai jenis bahan

b.      Mesin Waterjets dapat bekerja dengan bahan non-logam yang tidak dapat EDM kerjakan, seperti kaca, kayu, plastik, dan keramik. Hampir tidak ada batas untuk jenis bahan yang dapat mesin dengan waterjets

c.       Waterjets dapat menembus dan membuat lubang sendiri

d.      Beberapa jenis EDM, seperti kawat-cut EDM, lubang menjadi yang pertama dibuat dalam materi, harus dilakukan dalam proses terpisah. Waterjets dapat menembus materi, tidak memerlukan tambahan fixturing atau mesin.

e.       Tidak ada zona yang terkena panas (Haz) dengan waterjets

f.       Tidak ada zona yang terkena panas (Haz) atau termal distorsi, yang dapat terjadi dengan EDM.

g.      Waterjets tidak mengubah sifat-sifat material.

Keuntungan pengunaan water jet dari pada plasma yaitu keuntungan yang paling jelas dibandingkan dengan plasma pemotongan adalah bahwa waterjets beroperasi pada temperatur yang lebih rendah.

(http://firstiawan.student.fkip.uns.ac.id).