Optimasi Parameter Potong Menggunakan Metode Response Surface untuk Meminimalkan Konsumsi Energi dan Memaksimalkan Kualitas Pemotongan pada Proses Pembentukan Aluminium AISI 6061 T61. Pendahuluan

Manufaktur adalah salah satu kegiatan yang menghasilkan kekayaan utama karena mentransformasi bahan baku menjadi barang jadi. Menurut beberapa penelitian terkait dengan peralatan mesin yang digunakan dalam mentransformasi dan proses penggilingan, lebih dari 99% dari dampak lingkungan yang terkait dengan mesin ini adalah karena konsumsi energi listrik.Tujuan terpenting bagi perusahaan manufaktur adalah biaya, waktu dan kualitas. Dalam tahun terakhir, efisiensi energi telah ditambahkan ke tujuan tersebut. Meningkatnya harga energi dan tren keberlanjutan saat ini telah memberikan tekanan baru pada usaha-usaha manufaktur yang telah mulai untuk mengurangi konsumsi energi untuk penghematan biaya dan ramah lingkungan.Mengoptimalkan proses yang ada lebih murah dibandingkan dengan membuat perubahan drastis, karena investasi yang diperlukan lebih rendah. Konsep berkelanjutan manufaktur sedang dilaksanakan oleh beberapa perusahaan untuk mengatasi kebutuhan akan mengoptimalkan proses mereka.

Manufaktur berkelanjutan mengacu pada sistem manufaktur atau proses yang memenuhi faktor-faktor lingkungan, ekonomi dan sosial. Konsep ini berarti bahwa manufaktur berkelanjutan berdampak pada lingkungan, ekonomi dan masyarakat. Istilah green manufacturing dapat digunakan untuk menggambarkan tindakan untuk mengurangi dampak lingkungan dari proses bila dibandingkan dengan keadaan sebelumnya. Kepentingan dalam menggunakan strategi green manufacturing meningkat karena ke penipisan sumber daya alam yang meningkatkan biaya bahan baku dan energi.Sistem manufaktur melibatkan beberapa pemangku (material, produsen dan konsumen). Industri manufaktur termotivasi untuk menerapkan strategi ini untuk mengurangi dampak lingkungan, dan meningkatkan kinerja ekonomi dari proses Untuk mencapai efisiensi energi yang lebih baik yang terkait dengan proses manufaktur, hubungan antara konsumsi energi listrik, alat mesin dan proses pemotongan harus dipelajari.

Untuk menentukan nilai parameter pemotongan yang harus dipilih untuk mengoptimalkan konsumsi energi, kekasaran permukaan, dan tingkat Material Removal Rate (MRR), volume material yang dihapus ditetapkan ke nilai konstan. Dengan cara itu, hal itu mungkin untuk membandingkan nilai-nilai parameter yang diminimalkan atau dimaksimalkan variabel respon.

Parameter pemotongan utama yang berkaitan dengan proses permesinan ini dioptimalkan untuk meminimalkan energi alat mesin yang digunakan dan untuk mendapatkan nilai terendah dari kekasaran permukaan, mengatur MRR pada nilai tertentu. Selain itu, hubungan antara parameter pemotongan, konsumsi energi, MRR dan kekasaran permukaan dianalisis.2. Analisis Konsumsi Energi pada Proses Pemesinan

Pengurangan dampak pada lingkungan dari produksi adalah salah satu masalah yang paling relevan untuk diatasi. Efisiensi energi ini menjadi penting untuk pengguna dan produsen mesin perkakas. Ilmu manufaktur memiliki tugas untuk mengurangi dampak lingkungan dari proses dengan mengoptimalkan parameter yang berhubungan dengan mereka atau dengan mengubah teknologi dan bahan-bahan yang digunakan dalam proses tersebut.

Untuk menghasilkan kuantitas produk yang sama menggunakan lebih sedikit energi, peningkatan efisiensi energi diperlukan. Proses noncutting mengkonsumsi sejumlah besar sumber daya mesin selama ini. Sebagai hasilnya, efisiensi dari mesin-mesin yang dimiliki oleh industri harus ditingkatkan, karena perusahaan manufaktur mungkin tidak memiliki cukup uang untuk mendapatkan mesin baru yang lebih efisien.

Perusahaan produksi mengubah teknologi mereka dan menerapkan strategi baru untuk mengadopsi pendekatan yang berkelanjutan. Energi adalah sumber daya yang memiliki peran utama dalam pengembangan dan proses produk baru. Karena efisiensi energi adalah tren dalam sektor industri, dan manufaktur sektor energi intensif, fasilitas produksi telah mulai mengevaluasi keberlanjutan operasi mesin mereka.

Tiga parameter pemotongan utama (kecepatan, kedalaman potong dan feed rate) yang dioptimalkan untuk meminimalkan konsumsi energi dan kekasaran permukaan, dan memaksimalkan MRR selama proses turning aluminium AISI 6061 T6. Nilai-nilai parameter pemotongan yang mengoptimalkan variabel respon ini telah ditemukan oleh analisis pusat Central Composite Design (CCD), ANOVA dan analisis desirabilitas. Hasil dimodelkan menggunakan metode response surface.

3. Metode Response Surface (RSM)Metode response surface adalah sekelompok matematika dan statistik teknik yang berguna untuk pemodelan dan analisis masalah di mana respon menarik dipengaruhi oleh beberapa variabel dan tujuan adalah untuk mengoptimalkan respon iniMetode ini menggabungkan teknik matematika dengan teknik statistika yang digunakan untuk membuat dan menganalisa suatu respon Y yang dipengaruhi oleh beberapa variabel bebas atau faktor X guna mengoptimalkan respon tersebut. Langkah pertama dari metode response surface adalah menemukan hubungan antara respon y dengan variabel independen xi melalui persamaan polinomial orde satu. Dinotasikan variabel-variabel independen dengan x1, x2, , xk. Variabel-variabel tersebut diasumsikan terkontrol oleh peneliti dan mempengaruhi variabel respon y yang diasumsikan sebagai variabel random. RSM menghemat biaya dan waktu dalam eksperimen dengan mengurangi jumlah keseluruhan tes yang diperlukan. Selain itu, pendekatan RSM memungkinkan tingkat optimal dari faktor yang harus diperkirakan lebih akurat. Ketika bergerak adalah mencari nilai optimal respon, model yang menggabungkan kelengkungan biasanya diperlukan untuk perkiraan respon.

3.1. Central Composite Design (CCD)

CCD adalah rancangan percobaan yang digunakan dalam metode response surface. CCD digunakan untuk membangun model (polinomial) suatu fungsi matematis dari variabelvariabel bebas terhadap respon (y) yang terbentuk. CCD terdiri dari rancangan faktorial atau fraksional faktorial dengan titik pusat. Titikpusat adalah titik di mana semua variabel yang ditetapkan pada nilai tengah dari data.

Gambar 1. Central Composite Design4. Proses Turning: Prosedur Eksperimental

Karakteristik dari bagian-bagian mesin dipengaruhi oleh dua jenis parameter: parameter alat pemotong dan yang terkait dengan operasi pemotongan. Pemilihan parameter ini dikaitkan dengan materi potongan pekerjaan, dan pilihan ini juga dikaitkan dengan alat mesin.

Uji eksperimental dilakukan menggunakan batang silinder aluminium AISI 6061 T6 dengan panjang 150 mm. Panjang pemotongan adalah 50 mm. Mesin bubut ini dapat memberikan kekuatan 10 hp dan memiliki kecepatan maksimum gelendong 6000 RPM. Alat pemotong yang digunakan diproduksi oleh Sandvik, mesin yang dirancang untuk pemotongan aluminium.Untuk meminimalkan jumlah energi yang dikonsumsi oleh proses permesinan, perlu untuk menghitung jumlah energi yang dibutuhkan untuk melakukan optimasi parameter yang berkaitan dengan proses. Jumlah daya yang dituntut oleh proses balik diukur setiap 0.1 s menggunakan antarmuka LabVIEW. Langkah-langkah ini dilakukan di saklar utama dari alat mesin, tiga kali untuk setiap percobaan eksperimental CCD desain matriks. Nilai energi yang dikonsumsi diperoleh dengan mengalikan nilai waktu rata-rata daya yang dikonsumsi saat siklus.

Untuk setiap tes, data akuisisi dimulai dengan mesin dalam keadaan idle. Kemudian, mulai program kontrol numerik (NC), dan operasi mesin dimulai dengan gerakan poros dan alat pemotong. Setelah program dieksekusi, dan poros kembali ke kondisi siaga, data akuisi dihentikan. Kualitas permukaan ditentukan dengan mengukur kekasaran. Nilai-nilai kekasaran diperoleh tiga kali untuk setiap permukaan. Untuk semua cobaan percobaan dilakukan, MRV ditetapkan sebesar 35000 mm3.

Gambar 2. HAAS SL10 Lathe5. Hasil dan Analisis Data

Hasil rata-rata untuk variabel respon berikut adalah:

a. Total konsumsi energi (E), merujuk kepada energi yang dibutuhkan untuk menghapus bahan per detik dan semua komponen alat mesin. b. Material Removal Rate (MRR), menunjukkan jumlah bahan yang dihapus dari potongan pekerjaan per detik. c. Total khusus energi (SE), berkaitan dengan energi yang dikonsumsi oleh alat mesin untuk menghapus 1 mm3 bahan. d. Kekasaran permukaan (SR) mengacu pada rata-rata aritmatika nilai-nilai mutlak kekasaran permukaan.

Menggunakan perangkat lunak Minitab, model regresi untuk variabel respon (E, MRR, SE dan SR) diperoleh. Nilai energi yang dikonsumsi oleh alat mesin selama proses turning menunjukkan hasil minimal ketika feed rate dan kedalaman potong mencapai nilai tertinggi, dan kecepatan potong di nilai terendah.

Gambar 3. Plot Kontur Konsumsi Total EnergiUntuk MRR, semakin besar nilai-nilai parameter pemotongan, semakin besar nilai variabel respon ini. Nilai tertinggi dari kedalaman potong, feed rate dan kecepatan maksimal jumlah bahan dihapus per detik. Dalam kasus SE, nilai minimum dari variabel ini tercapai ketika tingkat kedalaman potong dan feed rate terdapat pada tingkat tertinggi mereka.

Gambar 5. Plot Kontur MRRKarena kenyataan bahwa SE berkaitan dengan MRR, dan energi yang dikonsumsi selama proses permesinan, diharapkan bahwa tingkat parameter potong yang memaksimalkan jumlah bahan yang dihapus, sama seperti yang diperlukan untuk meminimalkan jumlah tertentu energi dihabiskan selama proses turning. Seperti yang dinyatakan dalam grafik yang ditunjukkan dalam Gambar 6, nilai dari kecepatan pemotongan itu tidak signifikan dalam mengurangi SE dari proses.

Gambar 6. Plot Kontur Total Khusus Energi

Gambar 7. Plot Kontur Kekasaran Permukaan6. Kesimpulan

Metode response surface digunakan untuk mengoptimalkan proses turning yang kasar, yang melibatkan aluminium AISI 6061 T6 sebagai material dan alat pemotong terbuat dari silikon karbida, kelas keramik yang diperkuat. Nilai-nilai optimal dari parameter pemotongan ditemukan untuk meminimalkan dua variabel respon: energi spesifik yang dikonsumsi selama mesin dan kekasaran permukaan, memiliki jumlah remove material dalam pencobaan eksperimental yang sama.

Energi spesifik merupakan salah satu variabel respon. SE melibatkan total konsumsi energi mesin dan bahan yang dihapus per detik. Nilai minimum ini berhubungan dengan konsumsi energi minimum pada proses turning, dan MRR maksimum. Kekasaran permukaan juga penting karena nilainya menentukan kualitas potong. Potongan aluminium yang ditolak diakibatkan masalah kualitas melibatkan proses kembali. Oleh karena itu, lebih banyak energi yang akan dikonsumsi.Feed rate dan kedalaman potong adalah faktor yang paling penting untuk meminimalkan total konsumsi energi tertentu, dan feed rate adalah faktor yang paling penting untuk meminimalkan kekasaran permukaan. Hasil yang paling optimal untuk energi spesifik konsumsi dan permukaan kekasaran diperoleh dengan menggunakan nilai pakan tingkat 0,14 mm, kedalaman memotong 2.30 mm dan memotong kecepatan 434 m/min. Parameter optimal proses turning ditentukan dengan metode optimasi yang diusulkan akan mengurangi konsumsi energi di 14.41%, dan kekasaran permukaan di 360.47%. Akibatnya, kesinambungan dan kualitas proses dicapai pada waktu yang sama. Tabel 1. Hasil dengan Nilai Parameter Pemotongan yang Berbeda-bedaItemMRV[mm3]Ap

[mm]f

[mm/rev]Vc

[m/min]MRR

[mm3/s]SEE

[J/mm3]SR

[M]

Initial turning parameters35.00001,50,204002170,4596,653,96

Traditional objectives35.00002,340,144342335,7984,660,92

Multi-objective optimization35.00002,300,144342329,1384,480,86

Kedepannya pendekatan untuk mengoptimalkan parameter ini akan dilakukan kepada baja, yang akan mengoptimalkan parameter pemotongan untuk menentukan nilai-nilai yang meminimalkan dampak lingkungan dari mesin tanpa mempengaruhi aspek akhir produk tersebut.