Disain Mesin Homogenisasi Serbuk

Foto-disdikHadijaya, Alumni Prodi Pendidikan Kimia FKIP UT, UPBJJ Jakarta [HP : 08128727937]

Pendahuluan
1. Latar belakang
Pembuatan ingot logam dapat dilakukan dengan cara casting (pencairan) dan dapat pula dengan cara metalurgi serbuk. Dalam hal metalurgi serbuk, proses pembuatan logam dilakukan dengan jalan menekan serbuk logam paduan yang ditempatkan pada dies (cetakan) kemudian disinter dibawah titik cairnya. Metalurgi serbuk antara lain ditujukan bagi bahan yang tidak dapat atau sukar diproses dengan jalan mencairkan dan bagi bahan yang memerlukan pemrosesan yang lebih murah dengan kualitas yang lebih baik. Keuntungan lain pada aplikasi teknologi metalurgi serbuk misalnya dapat memperoleh paduan dengan sifat-sifat khusus sesuai yang diinginkan yang tidak mungkin diperoleh jika menggunakan teknik penuangan disamping itu dengan metalurgi serbuk dapat pula diperoleh homogenitas yang lebih baik dibandingkan homogenitas paduan yang dihasilkan dari proses casting. Permasalahan yang dihadapi dalam pembuatan logam paduan dengan metode metalurgi serbuk adalah bagaimana mendapatkan hasil homogenisasi atau pencampuran yang merata pada bahan serbuk.
Sejumlah material dalam industri logam maupun bahan struktur dalam industri elemen bakar nuklir seperti Zircaloy, Aluminium, Molibden, Grafit, Magnesium beserta paduannya sebagian besar tersedia dalam bentuk serbuk. Dalam dunia litbang pembuatan paduan khususnya, bahan serbuk biasanya dihomogenisasi terlebih dahulu dengan menggunakan suatu mesin atau alat pencampur selama selang waktu tertentu. Penting pula untuk diperhatikan bahwa kemurnian dan asal serbuk logam ikut mempengaruhi kualitas produk akhir, yaitu bentuk serbuk, ukuran, struktur partikel, distribusi dan keadaan permukaan. Pada kompaksi serbuk dan penyinteran, derajat kontak antar partikel harus dapat tercapai yaitu rongga-rongga antar partikel dan packing volume (volume pengepakan) harus lebih kecil dari massive volume (volume pejal). Rongga antar partikel diusahakan menjadi nol dengan menggunakan distribusi ukuran partikel tertentu dengan demikian derajat porositas dapat diperkecil. Distribusi ukuran partikel berhubungan pula dengan densitas ketuk serbuk, yaitu densitas semu serbuk yang diperoleh bila volume serbuk yang ada dalam suatu wadah diketuk-ketuk (digetar) selama pengisian pada kondisi tertentu. Densitas kompakan yang tinggi memerlukan densitas ketuk yang tinggi yang dapat diupayakan melalui suatu distribusi ukuran partikel tertentu dan pencampuran unsur paduan yang homogen. Menurut sifat-sifat serbuk logam, kemampuan untuk dikompaksi, besarnya tekanan, kehalusan permukaan dan kekerasan yang dihasilkan dapat berbeda-beda antara lain ditentukan pula oleh homogenisasi unsur-unsur paduan. Tingkat homogenitas yang tinggi dalam penyediaan serbuk tentu saja akan menunjang hasil kompaksi pelet yang berkualitas.
Mesin Pencampur serbuk atau mesin Homogenisasi serbuk (Hombuk) dirancang dalam bentuk kubus dengan poros yang memiliki 4 dudukan botol sampel serta dapat memproses sampai empat jenis variabel paduan secara sekaligus sehingga penyediaan bahan serbuk terhomogenisasi menjadi lebih cepat. Hasil rancangan mesin homogenisasi serbuk (Hombuk) ini dapat dimanfaatkan pula oleh unit litbang kalangan industri lain seperti industri baja maupun semen atau industri pengolahan tepung beras dan tepung ikan yang secara prinsip mengolah bahan-bahan serbuk.
2. Tujuan
Perancangan Mesin Homogenisasi Serbuk (Hombuk) dilakukan dengan tujuan untuk berbagi informasi teknologi, andaikata suatu saat laboratorium penelitian baik industri logam maupun industri bahan dasar pangan menghendaki tersedianya peralatan buatan sendiri.

Komponen-Komponen Utama

1. Motor listrik
Motor listrik adalah alat yang dapat merubah energi listrik menjadi energi mekanik. Motor yang dikonfigurasikan/dihubungkan dengan star-delta dapat digunakan untuk mereduksi atau menghindarkan arus start atau arus mula yang besar terutama pada motor-motor yang berdaya besar sehingga komponen-komponen yang akan dijalankan oleh motor tersebut tidak mengalami kerusakan. Bagian-bagian motor meliputi :
1. Stator, adalah bagian motor yang tidak bergerak (diam) dan terdiri dari: badan, sikat arang, inti rotor, inti kutub, sepatu kutub, plat name dan lilitan penguat magnet
2. Rotor, adalah bagian motor yang bergerak terdiri dari : inti rotor, lilitan rotor, komutator, alur rotor, dan poros. Motor yang diperlukan adalah jenis motor induksi dengan prinsip perputaran motor pada mesin arus bolak-balik yang timbul oleh adanya medan putar (flux yang berputar) yang dihasilkan dalam kumparan stator. Medan putar terjadi apabila kumparan stator dihubungkan dalam fasa banyak. Motor induksi jenis ini mempunyai rotor dengan belitan kumparan 3 fasa sama seperti kumparan stator. Kumparan stator dan rotor juga mempunyai jumlah kutub yang sama.

Penambahan tahanan luar sampai harga tertentu, dapat membuat kopel mula mencapai harga kopel maksimum. Kopel mula yang besar memang diperlukan pada waktu start. Motor induksi dengan rotor belitan memungkinkan penambahan (pengaturan) tahanan luar. Tahanan luar yang dapat diatur ini dihubungkan ke rotor melalui cincin. Selain untuk menghasilkan kopel mula yang besar, tahanan luar tadi diperlukan untuk membatasi arus mula yang besar pada saat start. Disamping itu dengan mengubah-ubah tahanan luar, kecepatan motor pm dapat diatur.
Motor induksi jenis ini mempunyai rotor dengan kumparan yang terdiri dari beberapa batang konduktor disusun sedemikian rupa sehingga menyerupai sangkar. Konstruksi rotor jenis ini sangat sederhana bila dibandingkan dengan rotor mesin listrik lainnya.
Ketika sumber tegangan tiga fasa dihubungkan dengan kumparan stator, maka dihasilkan medan putar. Penggerak utama dipakai untuk memutar rotor searah dengan arah medan putar. Motor induksi pada umumnya berputar dengan kecepatan konstan, mendekati kecepatan sinkronnya.

gmar2Gambar 1. Penampang bagian dalam Mesin Hombuk

Keterangan :

  1. Motor listrik,
  2. Belt penghubung poros
  3. Poros dudukan botol
  4. Botol Sampel
  5. Dudukan botol dengan 4 bidang
  6. Penyangga poros dudukan botol

2. Dudukan dan Botol sampel
Dudukan yang dimaksudkan adalah bagian yang bersatu dengan poros sebagai tempat meletakkan botol-botol sampel. Dudukan dapat berputar bolak-balik menurut kerja motor listrik. Pada dudukan terdapat 4 (empat) sudut dengan bentuk penampang seperti huruf X yang memungkinkan bagi penempatan empat botol sampel. Jadi setiap satu botol ditempatkan pada satu sudut dudukan seperti pada Gambar-1. Panjang dudukan disesuaikan dengan panjangnya botol sampel. Dimensi dudukan adalah panjang x lebar = 50 cm x 30 cm. Ujung poros dudukan dihubungkan dengan sebuah belt ke motor penggerak agar pada saat motor berputar poros ikut pula berputar. Dikedua ujung poros dudukan dipasang lagher yang memungkinkan poros dapat bergerak dengan mudah.
Botol sampel adalah wadah sampel serbuk-serbuk logam yang akan diproses pencampuran. Jumlah botol sampel 4 (empat) buah, masing-masing memiliki bentuk seperti silinder bertutup dengan dimensi : diameter x panjang = 8 cm x 40 cm seperti pada Gambar-2. Botol sampel dibuat dari besi pejal stainless steel yang bagian tengahnya dikorter (dibubut) dengan kedalaman 38 cm dan diameter dalam 7,5 cm, sedangkan panjang tutup 2 cm. Botol sampel ditempatkan pada dudukan dengan posisi kemiringan 45° dan agar penempatan botol sampel kokoh pada dudukannya maka diberi 2 (dua) buah klem (penjepit).

gmar3Gambar 2. Bentuk dan Dimensi Botol Sampel

Mesin Hombuk menggunakan mesin motor 3 fasa. Motor ini dihubungkan star dengan tegangan 380 V. Pengontrolan motor menggunakan sistem semi otomatis yaitu saklar tekan, start-stop dan sebuah kontaktor. Pada Gambar-3 dapat dilihat rangkaian pengendalinya yang diletakkan di panel. Komponen yang terdapat pada panel antara lain meliputi :
a.Line terminals, untuk menyambungkan kabel-kabel ke rangkaian lain (R.S.T)
b.Line fuses, untuk mengamankan rangkaian bila terjadi hubungan singkat atau beban lebih. (F1,F2.F3)
c.Magnetic Stater Coil, dengan type LAI DN22 (K2)
d.Over load, untuk mengamankan beban motor (O.R)
e.Timer motor, untuk mengatur waktu yang dibutuhkan lamanya motor berputar (T .M)
f.ON P.B dan Stop P.B, untuk menjalankan dan menghentikan motor (S1.S2)
g.Single-Phase Transformer 380/110V, 50HZ-50VA, untuk pengaturan tegangan (T .R)
h.Lampu yang terdiri dari :
1. over load alarm lamp, untuk tanda bila terjadi hubung singkat atau beban lebih (L3)
2. running lamp, untuk tanda bahwa arus sudah masuk ke beban (motor berputar); (L2)
3. line lamp, untuk tanda bahwa arus sudah masuk ke rangkaian kontaktor (L1).
Perhitungan waktu dan kecepatan pencampuran menggunakan rumus:
gmar_hombukDimana V = kecepatan atau laju putaran (m/detik)
T = periode, yaitu waktu untuk menempuh satu titik putaran (detik)
R = jari-jari bidang lingkaran dalam botol (meter)
f = frequensi, banyaknya partikel yang dapat melakukan lingkaran penuh
dalam satu detik

Berdasarkan rumus diatas ditentukan harga R adalah tetap yaitu jari-jari bidang lingkaran dalam botol = 8 cm. dengan demikian setelah dimasukkan rumus akan diperoleh data seperti pada Tabel-1  terlampir. Mengingat laju putaran ideal untuk sebuah mesin hombuk tidak perlu secepat putaran kipas angin ataupun blower (60-100 m/det) yang memiliki frekwensi (f) tinggi, diatas 125 oleh kanena itu spesifikasi teknis yang dipilih cukup dengan frekwensi maksimum 100 dan minium 25, kebutuhan arus Iistrik 15 Ampere, tegangan 125 Watt serta mampu melakukan putaran balik.

Prinsip Kerja Mesin Hombuk
Apabila sumber tegangan 3 fasa dipasang pada kumparan stator, timbulah medan putar dengan kecepatan : ns = 120 f/P. Medan putar stator akan memotong batang konduktor pada rotor. Akibatnya pada kumparan rotor timbul induksi (ggl) sebesar : E2S = 4,4f2N2 (untuk satu fasa). Karena kumparan rotor merupakan rangkaian yang tertutup, ggI(E) akan menghasilkan arus (l). Adanya arus (l) didalam medan magnet menimbulkan gaya (F) pada roton. Pada saat start dan rotor belum berputar frekuensi pada stator dan rotor sama.

Berdasarkan Hk. Lorenz, jika penghantar diberi arus listrik dan diletakkan dimedan magnet maka akan timbul gaya dan gaya tersebut akan menggerakkan motor sehingga motor berputar. Arus akan masuk ke rangkaian panel dengan menaikan MCB pada Master Distribusi Panel. Ketika saklar utama (main switch) diputar maka lampu line menyala dan bila tombol ON ditekan kontaktor akan bekerja, lampu Running hidup berganti lampu line mati dan beban motor akan berputar menggerakan mesin pencampur. Jika motor berputar, kecepatan dan tegangan induksi Ea masih sama dengan nol. Pada persamaan Ia = vt – Ea, untuk Ea = 0 dan Ra yang cukup kecil, arus Ia yang mengalir besar sekali. Oleh karena itu untuk membatasi arus jangkar (la) yang sangat besar pada waktu start, perlu diberikan tahanan mula yang dipasang seri terhadap tahanan jangkar. Secara perlahan-lahan tegangan induksi akan dibangkitkan dan rotor-pun berputar, bersamaan dengan ini tahanan mula akan diturunkan. Untuk menurunkan tahanan mula dapat dilakukan manual atau otomatis (dengan menggunakan relay elektromagnetik).

gmar1aGambar 3. Wiring Diagram Mesin Hombuk

gmar1bUntuk menentukan lamanya motor berputar digunakan suatu komponen yaitu TDR (Time Delay Rosy) yang dihubung paralel pada coil kontaktor. Timer Contact inl bekerja berdasarkan waktu dengan batasan tertentu. Proses pencampuran akan berlangsung sesuai batas waktu yang telah ditentukan dan akan berhenti sendirinya bila Timer Contact telah mencapai 0 (nol). Over Load dihubungkan paralel pada kontaktor fungsinya untuk mengamankan beban motor bila terjadi hubungan singkat dengan ditandai lampu alarm. Untuk menghentikan motor tekan tombol emergency stop. Motor berhenti dan lampu running mati berganti lampu line. Bila switch Off dilepas atau tutup tempat pengaduk dilepas motor berhenti berputar dengan sendirinya karena switch Off terhubung ke TDR. Hal ini bertujuan sebagai sistem safety agar tidak terjadi kecelakaan pada operator.

Kesimpulan
Mesin Hombuk diperlukan untuk menunjang litbang metalurgi serbuk khususnya pada pencampuran serbuk-serbuk bahan logam yang akan disiapkan dalam bentuk pelet hasil press. Mesin Hombuk dirancang dengan dimensi pxlxt = 70 cm x 60 cm x 70 cm. Berdasarkan perhitungan rancangan disimpulkan bahwa spesifikasi teknis yang dipilih adalah mesin hombuk yang bekerja dengan frekwensi (f) 100, kebutuhan arus listrik 15 Ampere, tegangan 125 Watt serta mampu melakukan putaran balik.

Pustaka
1.Prof. DR. Ir. TATA SURDIA MS, Met, E dan Prof. DR. SHINROKU SAITO, “Pengetahuan Bahan Teknik”, PT. Pradnya Paramita, Jakarta, 1979.
2.WD. ALEXANDER dkk, “Dasar Metalurgi Untuk Rekayasawan”, PT. Gramedia Pustaka Utama, 1991.
3.BARUS PK, PURNOMO IMAM. “Fisika-3”, Balai Pustaka Jakarta, 1994.
4.RE. SMALLMAN, “Metalumi Flsik Modeni”, Ed. IV, PT. Gramedia Jakarta, 1991
5.G. TAKESHI SATO dan N. SUGIHARTO, “Menggambar Mesin”, PT.Gramedia Paramita Jakarta”. 1986.

Lampiran

Tabel 1. Korelasi Frekwensi dan Periode Terhadap Kecepatan Putar Mesin Hombuk

tabel hombuk

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *