MK. Proses Produksi II Pertemuan ke XII dan XII
PEMESINAN BERKAS LASER dan BERKAS ELEKTRON (Laser Beam and Elektron E lektron Beam Machining)
1.
Pemesinan Berkas Laser (Laser Beam Machining )
1.1.
Pendahuluan Pemesinan Berkas Laser
Metode pemesinan modern diciptakan untuk membuat material yang sulit dikerjakan oleh sebuah mesin biasa (konvensioanal) seperti baja paduan tinggi, berbagai macam bahan karbida, material komposit, Stellites , dan keramik. Mesin konvensional dari meterial-meterial tersebut menghasilkan gaya potong yang tinggi, dalam kasus tertentu, mungkin tidak ditopang atau dibantu oleh benda yang dikerjakan. Laser Beam Machining (LBM) menawarkan solusi yang baik yang memang memang lebih terkait dengan sifat sifat material seperti konduktivitas termal dan panas spesifik serta temperatur lebur dan temperatur mendidih. Laser Beam Machining memproses meterial dengan laser dan proses perlakuan panas, paduan, pelapisan, pelenturan dan sebagainya. Sebagaimana proses yang dihasilkan dengan memanfaatkan energi photon yang koheren atau berkas laser, yang dikonversikan ke dalam energi panas, berinteraksi langsung dengan d engan material kerja (workpiece). Laser banyak digunakan d igunakan untuk pemesinan yang generatif atau prototype dalam proses stereolithography , pengerasan dan lain-lain. Berkas laser dapat difokuskan memakai lensa optikal menghasilkan panjang gelombang sekitar 0,5 μm sampai dengan 70 μm. Berkas laser difokuskan dengan awal kepadatan tenaga lebih 1 MW/mm2. Saat laser berinteraksi dengan meterial, energi photon diserap oleh benda kerja secara cepat sehingga meningkatkan temperatur lokal maka benda kerja akan mencair dan menguap serta akhirnya terjadi pelepasan (removal) material. Pemotongan dengan laser adalah teknologi yang menggunakan laser untuk memotong meterial, dan biasanya digunakan untuk aplikasi industri manufaktur. Laser cutting bekerja dengan mengarahkan output dari laser daya tinggi yang diatur oleh komputer, pada meterial yang akan dipotong. Material akan mencair, terbakar, menguap, atau terpengaruh oleh jet gas, menghaluskan permukaan dengan finishing permukaan yang berkualitas tinggi. Pemotong laser di industri digunakan untuk memotong meterial lembaran, material struktural dan pipa. Laser digunakan untuk berbagai jenis operasi dalam industri, termasuk perlakuan panas (heat ( heat ), pengelasan, dan pengukuran, serta penggoresan (scribing (scribing ), ), pemotongan, dan treatment ), penggurdian. Amplification of Stimulated Emission Istilah laser merupakan singkatan dari Light Amplification of Radiation . Laser adalah suatu transduser optik yang mengkonversikan energi listrik menjadi berkas sinar yang menyatu. Berkas sinar laser memiliki beberapa sifat berbeda dari sinar yang lain, yaitu : -
-
hanya memiliki satu panjang gelombang (monokromatik), dan memiliki berkas sinar sejajar (hampir sempurna).
Tinggi kepadatan daya dapat diperoleh 106 W/mm 2, sebagian besar laser yang tersedia seperti solid-state , ion, dan jenis molekul dalam gelombang kontinu (continuous (continuous wave, CW) atau mode berdenyut (pulse (pulse d mode, PM) operasi seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1.
1 dari 26
Prinsip kerja dari laser solid-state optik
Solid-state laser dengan unit pompa optik
Skema dari proses pemesinan laser-beam optik
Construction of a CO laser optik optik 2
Gambar 1 Perinsip kerja sinar laser dalam teknologi pemesian Tabel 1
Perbedaan Jenis – Jenis Laser
Laser Beam Machining berkaitan pengolahan meterial dengan mesin dan pengolahan meterial seperti perlakuan panas, paduan, cladding , pengolahan lembaran logam dan lain-lain dilakukan memanfaatkan energi foton koheren atau sinar laser, yang sebagian besar diubah menjadi energi panas pada interaksi dengan sebagian besar meterial. Saat ini, laser juga diaplikasi di pemesinan regeneratif atau prototyping cepat cepat seperti dalam proses seperti stereolitografi, selektif laser sintering dan lain-lain. Sifat-sifat memungkinkan sinar laser dapat difokuskan menggunakan lensa optik konvensional, menjadi titik terpusat sehingga memiliki densitas daya yang tinggi. Tergantung
2 dari 26
pada jumlah energi yang terkandung dalam berkas sinar dan tingkat konsentrasi sinar ke suatu titik, berbagai proses industri dapat dilakukan. Laser banyak digunakan dalam berbagai aplikasi di industri termasuk pelapisan, perlakuan panas, cladding, paduan, las, dan proses pemesinan lainnya. Sistem LBM ditunjukkan pada Gambar 1 dan 2
Gambar 2 Sistem Pemesinan Berkas Laser (LBM) 1.2.
Mekanisme Pelepasan Material
Mekanis pelepasan material LBM tergantung pada panjang gelombang laser yang digunakan. Sinar laser dihasilkan dalam rongga laser yang merupakan rongga yang sangat reflektif berisi batang laser dan sumber cahaya intensitas tinggi, atau lampu laser. Sumber cahaya digunakan untuk "memompa" batang laser yang mencakup atom-atom dari sebuah media penguat yang mampu menyerap panjang gelombang tertentu dari cahaya yang dihasilkan oleh sumber cahaya. Ketika sebuah atom media penguat dipukul oleh sebuah foton cahaya itu menjadi energi. Ketika sebuah foton kedua serangan energi atom, atom bercabang dua foton identik panjang gelombang bergerak ke arah yang sama dan dengan fase yang sama. Proses ini disebut emisi dirangsang. Laser menghasilkan sangat collimated , koheren (dalam fase) cahaya yang bila difokuskan untuk diameter kecil menghasilkan kerapatan daya tinggi yang baik untuk pemesinan. Hal ini berlaku umum bahwa untuk menguap meterial, diperlukan kerapatan daya inframerah lebih dari 105 W/mm 2. Seperti yang ditunjukan oleh Gambar 3, cahaya yang telah dipantulkan diserap, sehingga mengakibatkan permukaan benda kerja menjadi panas. Pada permukaan benda kerja yang cukup panas tadi mulai mencair dan menguap. Gejala fisika dari pemesinan berkas laser sangat kompleks, terutama karena hamburan dan refleksi pada permukaan dimesin. Selain itu, panas difusi ke materi massal menyebabkan perubahan fasa, mencair, serta menguap. Tergantung pada kerapatan daya dan waktu interaksi berkas, mekanisme berlangsung dari satu penyerapan panas dan konduksi ke salah satu dari proses mencari hingga penguapan.
3 dari 26
Laser yang intensitasnya tinggi tidak dianjurkan karena itu akan membentuk segumpal plasma pada permukaan material dengan konsekuensi pengurangan dalam efisiensi proses kerugian dalam penyerapannya.
Gambar 3 Proses Fisik Yang Terjadi Selama LBM Pemesinan oleh laser terjadi ketika kerapatan daya berkas lebih besar dari apa yang hilang secara konduksi, konveksi, radiasi, dan terlebih lagi harus menembus dan diserap ke dalam material. Kepadatan kekuatan sinar laser meterial. Kepadatan sinar laser (Pd) dapat dihitung dengan persamaan :
=
4 ∆
Ukuran diameter spotnya ds:
= Tingkat pemesinan Ø (mm/menit) dapat diformulakan sebagai berikut:
∅=
ℎ
= ∅=
4
( )2 4
( ) ℎ
Volumetric Removal Rate (VRR) (mm3 /min) dapat dihitung sebagai berikut ini:
=
ℎ
4 dari 26
Keterangan Pd = daya densitas, W/cm2 L p = daya laser , W Fl = panjang fokus lensa, cm ΔT = durasi pulse laser, s = perbedaan berkas, rad α Cl = konstanta, tergantung pada efisiensi material dan konversi Ev = energi penguapan dari meterial, W/mm 3 A b = luas sinar laser pada titik fokus, mm2 h = ketebalan material, mm ds = Ukuran diameter spotnya, mm Dalam LBM meterial benda kerja dikeluarkan melalui beberapa efek. Seperti refleksi, penyerapan, dan konduksi cahaya yang diikuti dengan proses pelelehan dan penguapan. Perilaku benda kerja sehubungan ini menentukan tingkat pembuangan material. Tergantung reflektifitas pada panjang gelombang, sifat-sifat material, permukaan akhir, tingkat oksidasi dan temperatur. Pada panjang gelombang yang telah diberikan, semakin tinggi reflektifitas material, semakin rendah tingkat penghapusan material (VRR), dan juga sebaliknya. Dalam hal ini logam yang paling mencerminkan sekitar 90 % dari radiasi insiden dikerapatan daya rendah. Tingkat reflektifitas secara substansial dapat dikurangi dan material pemesinan dapat ditingkatkan dengan cara yaitu memodifikasi kondisi permukaan. Pantulan cahaya ini kemudian diserap, yang kemudian pada logam menimbulkan elektron yang kedaan energinya lebih lebih tinggi. Energi yang diserap oleh elektron dengan cepat dilewatkan ke celah-celah. Pada benda kerja yang cukup panas mulai mencair dan menguap. Energi laser minimum yang diperlukan untuk menguapkan plastik lebih rendah dari logam. Sifat termal dari material tersebut menunjukan bahwa pemesinan yang ditingkatkan untuk meterial konduktivitas termal rendah, difusivitas, dan titik lebur. Kebanyakan bukan logam konduktivitas termal rendah dan menyerap CO2 laser panjang gelombang 10,6 μm. Oleh karena itu, material plastik dapat dengan mudah mencair oleh laser CO2 berdaya rendah.
Gambar 4 Kecepatan Potong Dalam LBM CO2 Karena logam memiliki reflektifitas tinggi dan konduktivitas termal, kecepatan mesin untuk yang bukan logam lebih tinggi dari pada yang bukan logam (Gambar 4). 5 dari 26
Selain itu untuk mencapai kecepatan pemesinan yang sama, laser dengan kepadatan daya yang lebih besar harus digunakan untuk meterial logam. Kedalaman lebih kecil dari lapisan ikut berubah seiring dengan tingkat pemesinan yang lebih tinggi, hal ini merupakan keuntungan dari LBM. Dalam laser dibantu dengan gas panas menyebabkan material mencair dan oksidasi logam. Pemesinan dicapai oleh pelepasan panas dari proses oksidasi. Aliran-aliran gas juga berkontribusi dengan melepaskan oksida dari daerah sekitar mesin. Dengan menggunakan metode tersebut, titanium ketebalan 0,5 mm telah dipotong dengan laser CO2 dari 135 W pada 15 m/menit, sehingga sehingga membuat lapisan panas terkena 0,375 mm. Ketebalan yang sama juga bisa dipotong sebesar 2,4 m/min, sebagaimana yang dimilik oleh tembaga, yaitu mempunyai ketebalan 0,025 mm dengan klorin sebagai reaktif gas. Perlu diingat bahwa semakin kecil diameter gas nosel dan jarak yang sempit dari permukaan benda kerja, maka kualitas yang dipotong lebih baik. Tekanan gas juga menunjukan memainkan peran yang penting dalam menentukan kualitas dan laju mesin. Gambar 5 menunjukan indeks pemesinan relatif untuk berbagai meterial. Sebuah indeks 100 diambil untuk Ti.6Al.6V.2Sn, yang memotong pada kecepatan tertinggi seperti pada Gambar 5.
Gambar 5 Pemesinan Dari Beberapa Material Dalam LBM 1.3.
Penerapan
Pemesinan berkas laser digunakan dalam berbagai jenis penggurdian, pembelahan, pembuatan alur, penggoresan, dan operasi penandaan. Penggurdian diameter lubang kecil dapat dilakukan di bawah 0,001 in. (0,025 mm). Untuk lubang yang lebih besar, diameter di atas 0,020 in. (0,50 mm), dilakukan dengan mengendalikan berkas laser memotong garis luar dari lubang. LBM tidak digunakan untuk proses produksi massal, dan pada umumnya digunakan untuk bendakerja yang tipis. Bendakerja yang dapat dikerjakan dengan LBM sebenarnya tidak terbatas. Sifat material yang ideal untuk dikerjakan dengan LBM adalah material yang memiliki: daya absorbsi energi sinar tinggi, reflektivitas (daya pantul sinar) rendah, konduktivitas termal baik, temperatur lebur rendah, temperatur penguapan rendah. -
-
-
-
-
Material bendakerja yang dapat dikerjakan dengan LBM adalah : logam dengan kekerasan dan kekuatan yang tinggi, 6 dari 26
logam lunak, keramik, gelas dan epoksi gelas, plastik, karet, kain, dan kayu.
Laser dapat digunakan dalam berbagai aplikasi manufaktur /pelepasan Meterial Removal Welding Pemaduan Perlakuan panas Pembentukan
Aplikasi yang paling dominan pada industri adalah pengeboran lubang berukuran mikro, dalam pengeboran laser sinar laser difokuskan melebihi ukuran titik yang dikehendaki. Untuk lembaran tipis laser pula dapat digunakan.
Gambar 6 Machining speeds of aerospace alloys in gas-assisted LBM (El-Hofy, 1995). 1.3.1 Drilling
Meterial komposit dan beberapa paduan eksotis telah telah banyak digunakan dalam fabrikasi struktur, kerangka pesawat dan mesin pesawat. Paduan yang kuat (super alloy) sering digunakan untuk pembuatan komponen mesin aero-gas seperti blade , setelah pembakaran, dan coran dimana temperaturnya mencapai 2000° C. Pembuatan keramik dan paduan titanium, meterial tersebut perlu menggunakan teknologi dalam pembuatan dan pengolahannya. Pengeboran konvensional tidak mampu melakukannya karena ketangguhan material tersebut. Selain proses pemesinan nonkonvensional seperti pemesinan elektrokimia (ECM), elektrokimia pengeboran (ECD), (EDM), mesin ultrasonic (USN), air jet mesin (WJM), harus mengeluarkan biaya yang tinggi dan juga menghabiskan waktu yang lama. Kemampuan LBM untuk memproduksi lubang yang halus dibandingkan dengan mesin yang lainnya, proses yang ditinjau oleh Snoeys et al.(1986), sejak tahun 1970-an, laser drilling 7 dari 26
telah terbukti menjadi alat drilling paling efisien dalam hal pengeluaran biaya, kualitas hasil produksinya, dan keandalan untuk aplikasi produksi yang besar-besaran. Laser drilling dilakukan dengan menggunakan tiga metode: 1) Direct (percussion) drilling , menghasilkan ukuran lubang yang sesuai kita inginkan oleh satu apliaksi atau lebih sasaran laser terfokus. Ukuran lubang ditentukan oleh daya input dan penyesuaian dari fokusnya. 2) Drill and ream terdiri dari pengeboran dan kemudian merubah parameter lubang tadi, dengan meningkatkan ukuran tempat untuk membuka keluar lubang dengan diameter yang dibutuhkan. 3) Trepanning, digunakan pada lubang besar dengan baik memindahkan suatu bagian dan kemudian memutar sinar laser dalam sistem pengiriman atau lensa. Karena rendahnya energi pada setiap pulses , lapisan perombakan dan out-of-cylinderity dikurangi. Proses ini bagaimanapun memberikan control lebih mudah dengan ukuran lubang yang besar dengan memutar diameter berkasnya. Tabel 2 Kemampuan Laser Drilling
Karakteristik kualitas lubang : Lancip dan miring . Tingkat kemiringan yang berkisar antara 5 sampai 20 persen dari diameter lubang berkurang dengan peningkatan kedalaman lubang. Lancip tergantung pada durasi pulse dan energinya. Jumlah pulse dan desain dari sistem optik. Secara umum, semakin pendek durasi pulse maka semakin besar lancip tersebut. Kemiringan dibentuk oleh pelepasan meterial dari rongga material, hal ini dengan mengurangi tekanan gas yang ada. Merombak lapisan dan retak kecil. Pemilihan kerapatan daya rendah yang efektif dapat menghilangkan penguapan cairan dan pelepasan meterial dari daerah mesin, hal ini dapat mengurangi lapisan perombakan. Tingkatan untuk meminimalkan pemanasan dalam sekitar material dapat mengurangi retak kecil. Umumnya, kedalaman yang lebih kecil dari lapisan dapat diubah seiring dengan tingkat pemotongan yang tinggi, hal ini merupakan keuntungan dari LBM. Sudut masuk, Sinar laser mampu melakukan pengeboran lubang dengan sudut masuk yang berbeda dari 10° sampai dengan kejadian normal pada temperatur 90° dengan lubang yang sesuai karakteristiknya. Sebagai sudut masuk, sehubungan dengan permukaan yang menjadi lebih kecil, kepadatan permukaan efektif daya dikurangi. Dalam keadaan seperti itu, perlu meningkatkan kualitas berkas lasernya (beam laser), Waktu pengeboran (Drilling Time), dalam pengeboran lubang sampai dengan 17 mm dapat dicapai dengan mengoperasikan berkas laser dalam modes capat-berdenyut sehingga total waktunya adalah sebanding dengan jumlah energi yang dikirimkan 8 dari 26
perdetik. Yoet al. pada tahun 1994 menemukan bahwa lubang dengan resiko aspek yang sama dapat dibor dalam waktu pemesinan yang sama pula (aspek rasio 20:01 membutuhkan 7 detik). Parameter yang mempengaruhi kualitas lubang : Gambar 7 menampilkan berbagai faktor yang mempengaruhi kualitas dari lubang pengeboran (drill holes).
Gambar 7 Parameter Yang Mempengaruhi Kualitas Laser-Lubang Dibor Pulse energy, disarankan bahwa puncak daya yang dibutuhkan harus diperoleh dengan meningkatkan energi pulse sambil menjaga getaran yang konstan dalam jangka waktu tertentu. Pengeboran lubang dengan pulse ini juga menyebabkan pembesaran dari sudut masuk lubang. Pulse duration, kisaran jangka waktu pulse yang sangat cocok untuk pengeboran lubang didapati 0,1-2,5 ms. Pulse energi tinggi (20 J) dan durasi pendek pulse yang ditemukan cocok untuk pengeboran lubang yang dalam. Assist gases, Jet gas biasanya diarahkan dengan sinar laser ke daerah yang berinteraksi untuk menghapus cairan yang dihasilkan oleh mesin dan mendapatkan potongan yang bersih. Bantuan gas juga melindungi lensa dari sisa sisa material yang berhamburan keluar dengan membentuk penghalang bertekanan tinggi pada mulut pipa (nozzle). Sifat meterial dan lingkungan (Material properties and environment), ini termasuk karakteristik permukaan seperti pemantulan dan penyerapan koefisien terbesar dari material. Selain itu, termal konduktifitas dan difusivitas, kepadatan panas spesifik dan panas laten juga dipertiimbangkan. Masalah kedalaman maksimum lubang terbatas, profil ketidaksilindrisan, dan adanya material perombakan yang berlebihan, biasanya berhubungan dengan laser konvensional. 1.3.2 Pemotongan dan Membuat Alur (Cutting And Grooving)
Kekuatan dalam kisaran 200 W untuk 1 kW adalah yang disarankan untuk memotong material yang terbuat dari baja atau besi. Jet oksigen cocok untuk kebanyakan logam, misalnya
9 dari 26
gas membebaskan energi tambahan dengan adanya reaksi kimia exothermal yang terjadi di daerah pemesinan. Boehme (1983) menggambarkan penggunaan laser 500 W CO2 dalam hubungannya dengan sebuah sistem CNC untuk memotong pelat baja dengan ketebalan mencapai 5 mm. oleh karena itu, kecepatan potong menjadi lebih menurun seiring peningkatan ketebalan dari material baja tersebut. Pemotongan laser CNC juga telah digunakan dalam produksi pakaian. Untuk memecahkan masalah yang berkaitan dengan pemotongan laser yang berbahan besi stainless, Hsu dan Molian pada tahun 1995 telah mengembangkan teknik mesin laser yang menggunakan kerja gas jet ganda (Gambar 8) untuk menghilangkan cairan yang melekat pada saat pemotongan dan, dengan demikian memungkinkan besi steinless akan dipotong lebih cepat, lebih bersih, dan juga lebih tebal. Untuk perilaku pemahaman yang lebih baik dan prosesnya untuk itu diperlukan pemahaman guna mencapai hasil yang baik, perkembangan di bidang pengawasan, diagnosis, peraturan dan pemodelan menjadi lebih penting.
Gambar 8 Off-axial gas-assisted laser cutting (Hsu and Molian, 1995). 1.3.3 Bentuk dan Penataan (Texturing And Structuring)
Bertekstur atau berbentuk besi dan aluminium strip atau lembaran yang benyak digunakan terutama oleh kalangan produsen mobil. Texturing memfasilitasi pelumasan selama logam membentuk dan mencegah pelekatan atau penempelan logam selama proses pendinginan (annealing). Proses ini diterapkan untuk menggulung besi lembaran atau aluminium yang mengambil pola permukaan selama tahap akhir dari penggulungan dingin. Para desainer produk secara akurat dapat menentukan tekstur atau bentuk sifat kekerasan dari gulungan ini tidak ada batasannya. Dalam Laser Beam Texturing (LBT), sinar cahaya dari energi mekanis gas laser terpotong atau terpecah ke pulse sebelum fokus ke tahap permukaan penggulungan. Energi yang tinggi tadi mengakibatkan mencairnya sekitar gulungan, hasilnya terbentuk sebuah kawah yang terpisah. Kedalaman ukuran kawah bisa dikendalikan atau dikontrol oleh energi pada saat berkas diam. Siamo dan para pekerja pada tahun 1994 menyimpulkan bahwa LBT yang dapat menghasilkan pola yang teratur karena sifat periodik dari sebuah proses tersebut. Gambar 9 menunjukan contoh khas dari bentuk atau tekstur permukaan yang banyak digunakan dalam pembuatan cetakan, bantalan, dan pembuatan pencetak gulungan.
10 dari 26
Acak (random) Persegi panjang (pembuatan cetakan) (permukaan Bearing)
Takaran (doses) (cetakan gulungan)
Gambar 9 Penataan Permukaan Radiasi Laser 1.3.4 Pemakaian Roda Grinda (Dressing Of Grinding Wheels)
Laser dapat membuat alur pada roda gerinda dengan baik karena penguapan dan kerusakan material dari material komposit. Sangat cocok dalam pemilihan pemakaian gerak makan yang akan menghasilkan produk dari seluruh permukaan roda, sehingga dapat mengubahnya menjadi kondisi yang topografi. Pemakaian laser menghasilkan tepi potongan kecil karena pembentukan kawah yang kecil pada butiran. Ketika kawah terbentuk pada obligasi tersebut, butiran yang longgar kemudian dihilangkan atau dihapuskan karena tidak cukup volume ikatan di sekitar butiran. Selanjutnya beberapa retakan yang disebabkan secara termal selama pemakaian sinar laser juga membantu menghilangkan lapisan resolidifies pada saat pengrindaan sedang berlangsung yang kemudian akan menciptakan bagian tepi potong yang baru. Hal ini juga memungkinkan untuk memperbaharui dengan menguapkan keping-keping logam yang tersumbat pada roda dengan memfokuskan sinar laser dengan tepat, namun pemilihan dan pengontrolan sinar laser juga harus berhati-hati. 1.3.5 Milling
Proses yang menghasilkan chips (beram) dan menghasilkan permukaan yang datar atau berbentuk profil pada ukuran yang ditentukan dan kehalusan atau kualitas permukaan yang ditentukan. Laser milling ini menggunakan laser CO 2 yang bergetar, dalam proses ini material yang dilepaskan dikerjakan dengan memindai berkas yang terfokus di seluruh permukaan dari benda kerja, sejajar, tumpang tindih alur. Agar untuk menghilangkan lapisan yang dibatasi pada tepi dengan dinding yang tegak lurus terhadap bidang lapisan, berkas sinar dimiringkan sesuai dengan bidang lapisan. 1.3.6 Pemotongan Halus dan Pengeboran
Pemotongan halus dan pengeboran (fine cutting and drilling ), sinar laser CO2 yang searah jarum jam lebih banyak digunakan untuk pemotongan yang halus dari pelat – pelat baja pada kendaraan bermotor, listrik, dan industri elektronik, peralatan kantor, peralatan rumah tangga, bagian mesin industri, peralatan bagian-bagian konstrksi dan bahan konstruksi. Dalam pemotongan yang halus pada ketebalan plat baja bervariasi 5-16 mm, memungkinkan kecepatan potong yang bervariasi pula yaitu masing-masing 6 sampai 10 m/menit. Pencapaian potongan yang lebarnya tipis dan permukaan potongan yang halus dan juga bersih. Pelat dengan ketebalan 0.2 sampai 2 mm dapat dipotong halus dengan daya 200 W, telah juga
11 dari 26
diketahu sebuah kecepatan potong dari 5 m/s untuk 1 mm pelat. Lebar celah dan kebersihan permukaan yang hampir mirip dengan proses menggunakan sinar laser CO2. 1.3.7 Pengendalian Patahan (Controlled Fracturing)
Energi Laser juga dapat digunakan untuk patahan atau mematahkan dengan cara yang terkendali atau terkontrol, barang-barang yang rapuh seperti elektronik atau rangkaian sebuah komponen. Penyerapan dari berkas, difokuskan pada daerah kecil dari permukaan, menciptakan kemiringan, kemudian termal yang pada gilirannya membentuk tekanan mekanis yang cukup untuk mengakibatkan pemotongan material di atas daerah patahan yang begitu kecil. Dengan menggunakan seperti sebuah teknik, ketebalan keramik alumina tinggi 0.46 mm, dibuat retak dengan cara ini menggunakan sebuah laser CW 100-1 CO2N2He. 1.3.8 Keseimbangan Dinamis pada Komponen Cadangan
Pemotongan laser dapat mencapai keseimbangan yang sangat akurat, dengan pelepasan material dengan kecepatan miligram per pulse , lubang yang dangkalpun dapat dihasilkan. Keseimbangan dinamis ini disederhanakan dengan penggunaan sebuah sinyal dari titik ketidakseimbangan untuk memicu pulse atau getaran laser. 1.3.9 Memotong (Scribing)
Material yang rapuh seperti silicon, kaca, keramik yang mungkin secara efektif dipisahkan atau dibentuk oleh laser pemotong (scribing). Dengan teknik ini, material dihapus atau dihilangkan oleh laser di sepanjang jalur atau lintasan tertentu dipermukaan benda kerja. Ketika material cukup tertekan, patahan yang terjadi di sekitar material. 1.3.10Pemesinan Mikro (Micromachining)
Tonshif pada tahun 1993 meneliti aplikasi radiasi yang disebabkan oleh laser pada unit CNC berbagai poros pemesinan mikro dengan desain moduler. Unit ini digunakan untuk menghasilkan struktur mikro pada permukaan keramik dan polimer. Dengan menggunakan pengaturan tersebut, hal itu memungkinkan untuk menghasilkan bagian mikro (kecil) dari bahan-bahan plastik yang berlapisi serat. 1.3.11Laser Dibantu EDM (Electroda Discharge Machining)
Alen dan Huang pada tahun 1997 mengembangkan sebuah proses pemesinan gabungan untuk membuat lubang kecil (mikro). Sebelum lubang dari mikro-EDM, penguapan tembaga akibat radiasi laser digunakan untuk mendapatkan serangkaian lubang kecil dulu, lubang ini kemudian diselesaikan oleh mikro-EDM. Metode mereka menunjukan bahwa kecepatan pemesinan dari mikro-EDM telah meningkat dan keausan pahat elektroda secara nyata berkurang, sedangkan kualitas permukaan yang dihasilkan tetap baik. Secara umum, LBM (Laser Beam Machining) menawarkan aplikasi pemesinan yang beragam dan dapat mengatasi material-material yang berbeda. Karena itu pemelihan jenis laser tergantung pada aplikasi tambahan yang digunakan pada mesin sesuai yang diperlukan material, Table 3 menyediakan panduan pemilihan sinar laser yang baik.
12 dari 26
Tabel 3 Panduan Pemilihan Sinar Laser
1.4.
Proses Penguatan Pemesinan Berkas Laser
Proses penguatan merupakan dasar operasi dari laser, misalkan generasi dari berkas yang koheren dari cahaya oleh amplifikasi cahaya memakai emisi yang distimulasi. Dalam model atom, elektron negatif yang terbeban berputar pada elektron positif terbeban dalam suatu alur edar khusus. Ukuran dan radius alur edar tergantung pada suatu varisasi dari jumlah parameter elektron, terdapat atom yang bersebelahan dan struktur elektronnya, adanya medan elektromagnetik, dan lain-lain. Tiap-tiap orbit elektron berhubungan dengan tingkat energi. Pada temperatur nol absolut dipertimbangkan ditingkat dasar, jika seluruhnya terdapat electron maka energi potensialnya akan rendah. Elektron-elektron yang terdapat pada bagian dasar dapat ditingkatkan energinya dengan menyerap energi dari sumber luar yang meningkatkan hasil oleh getaran elektronik sehingga meningkatnya temperatur, melalui reaksi kimia baik sebagai energi yang diserap dari photon. Gambar 10 diperlihatkan skematik penyerapan dari suatu photon oleh elektron. Elektron bergerak dari suatu tingkat energi lebih rendah ke tingkat energi lebih tinggi. Dalam mencapai energi tinggi, elektron menjangkau suatu energy yang tidak stabil dan akan kembali lagi ke keadaan dasarnya di dalam suatu waktu sangat kecil dengan melepaskan suatu photon. Keadaan ini disebut emisi secara spontan. Skematik yang sama ditunjukkan pada Gambar 10 dan 11 Spontan fotoneutron dipancarkan dengan frekwensi sama sebagai yang fotoneutron yang ada.
Gambar 10 Rombongan Energi Pada Material Kadang-kadang perubahan keadaan energi menempatkan elektron di dalam suatu rombongan energi metastabil. Sebagai ganti kembali datang ke keadaan dasar (dalam masa ns) akan tertinggal pada peningkatan keadaan energi untuk mikro ke seperseribu detik. Di dalam suatu material, jika lebih jumlah elektron dapat dipompa kepada keadaan energi metastabil
13 dari 26
yang lebih tinggi dibandingkan dengan jumlah atom pada keadaan dasar, ini disebut pembalikan populasi.
Gambar 11 Emisi yang spontan dan stimulus Seperti elektron pada keadaan metastabil lebih tinggi, dapat kembali kekeadaan dasar dalam wujud suatu salju yang disajikan oleh suatu photon dari frekuensi atau energi yang terdapat. Ini dikenal dengan nama emission yang distimulasi. Gambar 11 memperlihatkan elektron keadaan tinggi dalam garis edar metastabil. Jika hal ini distimulasi oleh suatu photon dari energi yang tersedia maka elektron akan turun kepada keadaan energi yang lebih rendah dan kembali pada satu photon asli, photon lainnya dipancarkan oleh beberapa mempunyai stimulasi sementara dan tahap ruang yang tersedia. Dalam cara ini berkas laser yang koheren akan dihasilkan. Gambar 11 memperlihatkan skematik kerja suatu laser. Terdapat suatu gas di dalam suatu selinder, gas ini disebut medium penguat. Satu ujung dari kaca adalah dihalangi dengan kaca 100% yang memantulkan cahaya dan ujung lain mempunyai suatu miror parsila yang memantulkan cahaya. Pembalikan populasi dapat dilaksanakan oleh molekul atau atom gas yang dipemompakannya dengan kilat lampu. Bilamana pancaran distimulasikan maka terjadi tindakan penguat. Pancaran stimulasi dari photon bisa di segala jarah. Kebanyakan dari photon distimulasi tidak pada sepanjang arah yang membujur akan hilang dan menghasilkan barang sisa yang panas. Photon dalam arah membujur akan membentuk koheren, sangat terarah, berkas lasernya terpadu. 1.5.
Medium Penguat
Banyak material dapat digunakan sebagai inti laser. Laser dapat digolongkan berdasarkan pada medium penguatnya yaitu sebagai laser keadaan penuh dan gas. Laser keadaan padat umumnya tipenya disesuaikan dengan : Ruby dimana terdiri dari paduan chromium-alumina mempunyai panjang gelombang 0,7 μm. Laser gelas-ND mempunyai panjang gelombang 1,64 μm. Laser Nd- YAG panjang gelombang 1,06 μm. 14 dari 26
Laser keadaan penuh biasanya digunakan pada prosesing material. Laser gelas umumnya yang dipakai adalah : o Helium-Neson o Argon o CO2 dan lain-lain Laser dapat dioperasikan dalam cara kontinu atau pulse . Tipe laser gas CO2 dioperasikan dengan cara kontinu sedangkan laser Nd-YAG dengan cara pulse .
Gambar 12 Aksi penguat 1.6.
Konstruksi Laser
Pada Gambar 13 ditunjukan laser tipe Nd-YAG. Laser Nd-YAG dipompakan menggunakan flash tube. Flash tube dapat berbentuk helical atau berbentuk datar. Kekhususan material penguat laser pada bidang focal dari flash tube , namun demikian adalah helical flash tube lebih baik terdapat pemompaan yang mana terjadi kesulitan dalam perawatannya. Pada Gambar 14 diperlihatkan sirkuit listrik untuk operasi suatu laser keadaan penuh. Flash tube dioperasikan dengan cara pulse yang dari kapasitor dilakukan pengisian dan pelepasan, dengan demikian pulse tepat waktu dilepaskan oleh resistasi dari sisi flash tube dan pulse waktu dihentikan saat terjadinya resistansi pengisian.
Gambar 13 Laser Keadaan Penuh Dengan Unit Pemompaan Optikalnya
Gambar 14 Cara Kerja Laser Kedaan Penuh 15 dari 26
Ada juga tersedia pemindahan suatu tegangan tinggi untuk inisiasi pulse . Pada gambar 15 ditunjukan laser CO2. Laser gas dapat mengalir secara aksial, melintang dan melipat secara aksial (Gambar 16).
Gambar 15 Konstruksi Laser CO2 Besar tenaga suatu laser CO2 adalah sekitar 100 Watt per meter panjang tabung. Penggunaan tenaga laser yang tinggi sangat diperlukan tabung tetapi agak menyulitkan. Untuk pemakaian yang optimal lantai dasar, Laser CO2 dengan tenaga yang besar dibutuhkan atau dirancanglah laser cara melipat.
Gambar 16 Konstruksi Laser Gas Melipat (Folded Gas Laser) Pada laser CO2, campuran CO2, N2 dan He disirkulasi secara kontinu pada tabung gas (gas tube). Sirkulasi yang terus menerus dari gas akan dapat meminimumkan pemakaian gas. Aksi dari CO2 sebagai medium penguat utama dimana akan membantu Nitrogen dalam mendukung plasma gas He akan membantu mendinginkan gas. Pada Gambar 16 diperlihatkan juga pemakaian voltase listrik yang tinggi pada dua ujung pengarah ke pelepasan dan formasi plasma gas. Energi berasal dari pelepasan ini diarahkan ke pembalikan populasi dan aksi penguatan. Pada kedua ujung laser terdapat satu reflektor yang 100% dan satu reflektor parsial. Reflektor yang 100% mengalihkan arah photon pada bagian dalam tabung gas sedangkan reflektor parsial membolehkan suatu bagian dari berkas elektron dipakai untuk memproses material. Tipe Tabung Laser sangat baik pendinginan bagian luar. Pada Gambar 16 ditunjukan laser aliran aksial yang dilipat terdapat dua kaca pengarah (turning mirror) guna mengarahkan berkas laser dari suplai gas baik sebagai suplai voltase tinggi. Tabel 4 memperlihatkan kemampuan dan karakteristik umumnya suatu laser.
16 dari 26
Tabel 4 Karakteristik proses dari tipe laser yang berbeda
1.7. A
B
Keuntungan dan Keterbatasan Pemesinan Berkas Laser Keuntungan Pada pemesian berkas laser tidak membutuhkan pahat (tool cutting). Dalam pekerjaan mengebor, rasio ketelitian yang besar dapat dicapai pada ukuran, bentuk atau lokasi. Ukuran lubang mikro dapat didrill dengan tingkat kesulitan dan dari bahan apapun. Pengaruh panas pada benda kerja tidak signifikan jika memakai proses dengan laser pulse . Keuasan dan kerusakan alat aus jarang ditemui. Lubang dapat dibuat secara akurat dengan menggunakan system laser optic untuk penyelarasan Lubang sangat kecil dengan perbandingan aspek besar dapat dihasilkan Berbagai macam material keras sulit untuk mesin dapat ditangani. Pemesinan sangat cepat dan waktu pengaturan yang ekonomis. Lubang dapat dibor di sudut masuknya sulit (10° ke permukaan) Karena fleksibilitasnya, proses yang dapat diotomatisasi dengan mudah seperti operasi sambil mengecek untuk mengukur material tipis, yang memerlukan satu tembakan untuk menghasilkan lubang. Biaya operasional rendah.
Keterbatasan Biaya awal (investasi) amat tinggi Biaya perawatan tinggi Proses tidak amat efisiensi -
-
-
17 dari 26
-
-
-
-
-
Daerah pengaruh panas (HAZ) amat tinggi untuk pemotongan dengan laser gas CO2. Proses Panas tidak baik untuk bahan yang sensitif terhadap panas antara lain aluminium glass fibre laminate. Tingginya biaya alat/mesin. Kemiringan biasanya ditemui dalam pengeboran lubang langsung. Sebuah lubang buta (tidak tembus) dengan kedalaman yang akurat merupakan sesuatu yang sulit untuk dicapai dalam pengerjaan dengan laser.
2.
Pemesinan Berkas Elektron (Elektron Beam Machining)
2.1
Pendahuluan Pemesinan Berkas Elektron
Pembersihan material dengan menggunakan suatu berkas elektron ditemukan oleh Steigerwald melalui mesin prototipe rancanganya pada tahun 1947. Pemesinan berkas elektron (EBM) telah digunakan di industri sejak tahun 1960-an, awalnya dalam aplikasi pengelasan nuklir dan ruang angkasa. Pengedrill an lubang kecil, pemotongan, ukiran, dan perlakuan panas adalah seperangkat aplikasi modern yang digunakan dalam pembuatan alat-alat semikonduktor dan perangkat-perangkat kecil pemesinan. Pemesian berkas Elekron (Electron Beam Machining, EBM) dan pemesinan berkas laser (Laser Beam Machining, LBM) adalah proses termal mempertimbangkan mekanisme dari pelepasan material. Pengerjaan dengan EBM, energi listrik digunakan untuk menghasilkan elektron daya tinggi dan pengerjaan dengan LBM energi foton tinggi dikombinasikan. Dengan demikian dua proses ini sering tergolong seperti proses termal optik elektron. Terdapat perbedaan antara proses jet atau berkas, yaitu jet abrasif, jet air dan sebagainya, Ini adalah dua proses jet mekanik . Ada juga jet termal atau berkas. Beberapa adalah penyalaan oxyacetylene , busur las, penyalaan plasma dan sebagainya. EBM seperti halnya LBM adalah proses termal.
Gambar 17 Skema ilustrasi dari proses electron-beam machining, proses ini membutuhkan ruang hampa, sehingga ukuran benda kerja terbatas pada ukuran ruang vakum Gambar 18 memperlihatkan variasi dalam kepadatan daya versus karakteristik dimensi dari proses berkas termal yang berbeda. Karaktristik panjang jika berkas atau penyalaan diaktifkan terletak pada pembesaran diameter. Jika penyalaan oxyacetylene atau busur las, karakteristik panjang adalah tipe rendah jika berada di dalam milimeter ke puluhan dari milimeter dan kepadatan daya. Berkas elektron mungkin punya satu karakteristik panjang dari puluhan mikron ke milimeter bergantung kepada derajat dari pemfokusan
18 dari 26
Gambar 18 Variasi kepadatan energi dengan diameter spot dari proses berkas termal. 2.2
Peralatan Dasar Dan Mekanisme Pemakanan.
Komponen utama dari instalasi EBM (Gambar 19) letaknya tepat di ruang vakum dan diungsikan ke sekitar 10-4 torr. Dimana katoda tungsten dipanaskan sekitar 25000-30000C agar dapat memancarkan elektron. Ukuran efeknya ialah emisi arus (mA) yang bervariasi antara 20 dan 100 mA. Saat ini kerapatannya berkisar di antara 5 dan 15 A/cm 2. Emisi tergantung pada material katoda, temperatur, dan tegangan tinggi, yang biasanya mencapai sekitar 150 kV. Seperti sebuah tegangan tinggi yang dapat mempercepat aliran elektron kearah benda kerja. Setelah dipercepat, elektron terfokus pada lapangan, yaitu perjalanan melalui lubang anoda.
Gambar 19 Sistem Komponen EBM Berkas elektron kemudian memfokuskan kembali sistem lensa magnetik atau elektronik sehingga balok diarahkan dan dikendalikan ke benda kerja. Elektron mempertahankan kecepatan (228 × 103 km/s) yang diberikan oleh akselerasi bertegangan hingga memakan benda, di wilayah yang jelas, umumnya 0,25 mm. Energi kinetik pada elektron ini kemudian secara cepat ditransmisikan menjadi panas, sehingga menyebabkan peningkatan pesat sesuai dengan temperatur benda kerja, agar di atas titik didih, sehingga menyebabkan pengangkatan material dengan penguapan. Dengan densitas daya 1,55 MW/mm 2 yang terlibat dalam EBM, hampir semua bahan teknik dapat dibuat dengan pemesinan oleh orang teknik mesin dengan keakuratan memanipulasi benda kerja dan dengan kontrol yang tepat untuk menghasilkan proses pemesinan yang sepenuhnya otomatis. Berkas difokuskan menembus benda kerja tersebut tidak sepenuhnya dapat dilakukan, karena rumitnya mekanisme yang terlibat. Namun, diyakini bahwa permukaan benda kerja dicairkan oleh kombinasi tekanan elektron dengan tegangan permukaan, leburan cairan tersebut secara cepat dikeluarkan dan diuapkan, sehingga membutuhkan pengangkatan kira-kira sekitar 10 mm 3 /min, sinar elektron berdetak sebesar 104 19 dari 26
Hz mereduksi temperatur dari benda kerja di luar wilayah pemesinan. Sebuah atraksi awal EBM adalah besarnya kedalaman relatif diubah menjadi perbandingan luas (100:1) pada aplikasi pengeboran lubang halus menjadi semakin baik. Dengan tidak adanya kontak mekanik dan kesesuaian atas kontrol otomatis meningkatkan kemampuan proses pemesinan, namun jika bekerja di ruang hampa akan memperpanjang siklus waktu lantai ke lantai. Jumlah getaran yang dibutuhkan untuk memakan kedalaman lubang g dapat dijelaskan dengan :
=
Waktu pemesinan:
=
1
=
+
Drilling rate:
Ψ=
(mm/min)
Menurut Kaczmarek (1976), jumlah pulse ne hanya dapat digambarkan sebagai fungsi dari mempercepat tegangan Va dan emisi Ie :
=
1
Sehingga drilling rate dan Volumetric removal rate adalah:
Ψ =
VRR = 2 4
In case of slotting a depth g dan length L , the slotting time t m adalah:
=
. .
The slotting rate
(mm/min) adalah:
= The VRR (mm3 /min) adalah:
VRR = 2 Keterangan: depth of hole removed per pulse, mm g e depth of hole or slot required, mm g frequency of pulses, s –1 f p t p pulse time, μs t i pulse interval, μs beam diameter in contact with the workpiece (slot width), mm d b beam accelerating voltage, kV V a beam emission current, mA I e constant K
20 dari 26
L
slot length, mm
Penetrasi kedalaman tergantung pada diameter berkas, kerapatan daya, dan akselerasi tegangan. Selain itu kedalaman terkikis per getaran tergantung pada kerapatan bahan benda kerja serta pada diameter berkas. Jumlah getaran yang menghasilkan kedalaman lubang yang diberikan biasanya ditemukan pada penurunan dan peningkatan akselerasi tegangan. Untuk setiap setnya kondisi prosesnya tetap, jumlah getaran yang dibutuhkan meningkat (hyperbolically) seperti halnya peningkatan kedalaman lubang. Kesimpulannya bahwa ketika kedalaman tertentu sudah dicapai, maka setiap EBM yang bertujuan untuk memperdalam lubang akan membutuhkan peningkatan jumlah getaran yang sangat besar. Pada waktu Pemesinan , EBM yang dibutuhkan untuk mengebor lubang tergantung pada jumlah getaran yang diperlukan untuk mengikis kedalaman tertentu dan frekuensi getaran tertentu. Untuk slotting pada EBM, waktu pemesinan dipengaruhi oleh panjang slot, diameter balok, durasi getaran, dan jumlah getaran yang dibutuhkan untuk memakan kedalaman tertentu. Tingkat EBM biasanya dievaluasi dalam jumlah getaran yang dibutuhkan untuk menguapkan beberapa bahan tertentu. Maka gunakan penghitung elektron, yang ada jumlah getaran, serta memungkinkan penyesuaian waktu dari pemesinan untuk menghasilkan kedalaman yang dipotong. Sifat bahan benda kerja seperti titik didih dan termal konduktivitas, kedua sifat tersebut berperan penting dalam menentukan seberapa mudah mesin dapat melakukannya. Sifat termal seperti konduktivitas listrik dianggap sebagai faktor tambahan. Dalam merangkum faktor-faktor yang mempengaruhi kinerja EBM. Dalam gambar juga menunjukkan jumlah getaran versus indeks relatif machinability . Dalam hal ini, aluminium dianggap sebagai bahan yang terbaik dari machinable karena memerlukan jumlah getaran yang minimum. Berbagai logam dalam waktu pemesinan yang sama pada aluminium yang ada pada Gambar 20, bahan yang terdapat pada benda kerja memiliki konsumsi daya yang rendah.
Gambar 20 Efek parameter dari performa EBM Sehingga pemanfaatan sejumlah getaran kecil untuk pemakanan volume yang sama, dan peningkatan machinability . Machinability ini dipengaruhi oleh sifat termal bahan serta oleh kepadatan dan konduktivitas listrik. Penelitian telah menunjukkan bahwa meningkatnya percepatan tegangan di atas 120 kV cukup efektif. Jumlah getaran, diambil sebagai sebuah indeks machinability , tergantung pada kedalaman lubang . Meningkatkan durasi getaran atau
21 dari 26
mengurangi jumlah getaran yang dibutuhkan karena dalam kasus ini membutuhkan energi yang lebih tinggi . Diameter lubang atau rongga yang diperoleh sebagai hasil dari getaran tergantung pada materi yang sedang mesin kerjakan. Lebar alur maksimum meningkat secara linear dengan nilai yang dibutuhkan. Dan untuk nilai getaran yang diberikan, Ag memiliki lebar alur terbesar yang merupakan volum terbesar dan karena itu machinability tertinggi pula.
Gambar 21 Jumlah pulse yang dibutuhkan (vertikal) versus Indeks-mesin relatif (Kaczmarek, 1976).
Kisaran diameter rongga antara 35 sampai 40 μm yang diperoleh dengan out-off kebulatan 3-6 μm yang lebih dari 50 persen kasus. Diameter lapisan berubah sebanding dengan diameter lubang yang didapatkan 40 hingga 75 μm untuk lubang 20-55 μm. Kondisi yang mengarah ke tingkat pamakanan yang lebih besar dan machinability tinggi serta dengan ketebalan lapisan lebih besar dan kekasaran permukaan yang lebih besar. Pengaruh jumlah getaran pada tegangan mempercepat tingkat kedalaman lubang yang memerlukan kenaikan yang jauh lebih besar pada tegangan rendah, terutama disebabkan oleh kenaikan relatif sehingga panas yang dihasilkan dari konduksi akan hilang dan lapisan logam yang berdekatan akan mencair. Untuk jumlah getaran yang diberikan, maka akan sedikit perbaikan tingkat materialnya yang diperoleh dengan meningkatkan percepatan tegangan di atas 120 kV. peningkatan getaran maka akan meningkatkan energi yang tersedia, yang akan mengakibatkan pengurangan jumlah getaran yang dibutuhkan untuk mendapatkan hasil mesin yang diperlukan. Kaczmarek (1976) mengambil jarak kerja yang optimal di mana jumlah getaran yang diperlukan minimum. Dia menunjuk bahwa titik fokus tepat di bawah permukaan atas benda kerja yang paling efektif. Tingkat pengeboran oleh EBM (dalam lubang kedua) menurun dengan peningkatan ketebalan benda kerja sebagai diameter lubang yang akan dihasilkan. Kualitas permukaan yang dihasilkan oleh EBM tergantung pada jenis bahan. Dalam hal ini, peningkatan kekasaran permukaan dengan nilai getaran untuk nikel, karbon, emas, dan tungsten. Perkiraan dari kekasaran permukaan untuk lubang kecil dan pemotongan yang dekat 1 μm R a. Permukaan lapisan bahan diperlakukan oleh EBM dan dipengaruhi oleh temperatur sinar terfokus, seperti digambarkan oleh cincin lapisan putih yang mengelilingi lubang, ditunjukkan pada Gambar 22. Diameter meningkat lapisan rusak dengan durasi getaran dan diameter lubang. A zona yang terkena panas khas dapat sebagai sebanyak 0,25 mm MBE, yang dapat merugikan bagi integritas struktural yang sangat menekankan komponen dan, untuk komponen tersebut, harus dihapus/dibuang.
22 dari 26
Gambar 22 Penampang rongga oleh pulsa tunggal EBM di baja kromium molibdenum
Gambar 23 Daya Relatif Dari Material Yang Berbeda 2.3
Proses Pemesian Berkas elektron
Berkas elektron dihasilkan pada satu alat berkas elektron. alat berkas elektron menyediakan elektron percepatan tinggi pada ukuran spot amat kecil. Pemesinan berkas elektron diperlukan diselesaikan di ruang hampa. Jika tidak, elektron akan saling berinteraksi dengan molekul udara, dan akan kehilangan kemampuan daya dan potong. Benda kerja yang akan dilakukan pemesinan ditempatkan di bawah berkas elektron dan dipertahankan di bawah ruang hampa. Berkas elektron yang mengasilkan energi tinggi pada spot ukuran 10 - 100 μm dibenturkan ke benda kerja. Energi kinetik dari kecepatan tinggi elektron dikonversi ke energi panas sebagai electron membentur benda kerja. Gambar 23 memperlihatkan hubungan tinggi kepadatan daya dan peleburan seketika secara berangsur-angsur. Bahan cair akhir dikeluarkan dari daerah pemotong oleh tekanan uap tinggi pada bagian lebih rendah. Berbeda pada pengelasan berkas elektron, alat/tool di EBM dipergunakan mode pulse . Lubang dapat digurdi pada pelat tipis memakai pulse tunggal. Untuk pelat lebih tebal, akan menggunakan beberapa pulse . Berkas elektron juga dapat diarahkan mempergunakan koil defleksi elektronmagnetik untuk menggurdi lubang berbagai bentuk.
Gambar 24 Mekanisme pelepasan material pada pemesian berkas electron 23 dari 26
2.4
Peralatan Pemesinan Berkas Elektron
Gambar 25 terlihat skema suatu alat berkas elektron, merupakan jantung dari fasilitas pemesinan berkas elektron apapun.
Gambar 25 Alat/tool Berkas Elektron Fungsi dasar dari apapun alat berkas elektron adalah untuk menghasilkan elektron bebas pada katoda, percepatkannya untuk mencapai suatu kecepatan tinggi dan mengfokuskannya pada satu ukuran spot kecil. Selanjutnya, berkas elektron oleh senapan diarahkan sesuai yang diinginkan. Katoda seperti seperti yang ditunjukan Gambar 25 umumnya terbuat dari tungsten atau tantalum. Filamen katoda dipanaskan, sering secara induktif, ke satu temperatur dari sekitar 2500°C. Pemanasan tersebut diarahkan ke thermo ionic emission dari elektron, yang mana lebih lanjut ditingkatkan dengan menjaga kevakuman yang rendah dalam ruang alat berkas elektron. Lebih dari itu, magasin katoda ini terbias negatif sangat tinggi sedemikian sehingga electron ionik termor benar-benar dilepaskan jauh dari katoda. Katoda ini adalah sering dalam bentuk suatu magasin yang sedemikian sehingga sangat cepat dirubah untuk mengurangi waktu tunggu jika terjadi kerusakan. Setelah katoda, terdapat sebuah anular bias grid. Sebuah bias negative tinggi dimasukkan ke grid ini sehingga dihasilkan electron oleh katoda ini, yang tidak menyebar dan mendekati elemen berikutnya. Anoda anular dalam bentuk balok (beam) tersebut yang kemudian menarik berkas elektron dan dipercepat terus-menerus. Ketika anoda anular meninggalkan bagian anoda, kecepatan electron dapat mencapai setengah dari kecepatan cahaya. Sinaran secara alamiah hanya terjadi setelah katoda mengontrol aliran electron dan bias grid dengan menggunakan saklar untuk mengoperasikan senapan berkas elektron di dalam
24 dari 26
model pulse . Setelah anoda, berkas elektron melewati sebuah lensa magnet (magnetic lenc) dan aperture . Lensa magnet memotong berkas elektron dan mencoba untuk mengurangi penyebarannya. Aperture di sisi yang lain hanya mengikuti penyebaran elektron, untuk melewati dan menangkap penyebaran electron energi rendah dari tepi-tepi. Dengan cara ini, aperture dan lensa magnet kualitas berkas elektron meningkat. Table 5 Parameter proses dan kapabilitas EBM
2.5
Kemampuan Proses Berkas Elektron
Pemesinan berkas elektron (EBM) dapat membuat lubang dengan ukuran 100 μm sampai 2 mm dengan kedalam sampai dengan 15 mm yaitu pada perbandingan l/d sekitar 10. Pada Gambar 26 memperlihatkan suatu tipe lubang yang dilakukan bor oleh berkas elektron. Kedalaman lubang dapat berbentuk kerucut atau batang. Dengan membalikan pemusatan berkas di bawah permukaan dapat memperoleh bentuk yang runcing.
Gambar 26 Tipe bentuk kerf dari lubang yang dibor berkas electron Pemesinan berkas elektron berhasil melakukan fungsinya pada bahan atau metarial yang lebar cakupannya antara lain baja, baja tahan karat, Ti dan Ni super-alloys, aluminium,
25 dari 26
plastik, keramik, dan bahan kulit. Panas adalah sumber mekanisme pelepasan bahan atau material untuk contoh pada pemesinan berkas elektron (EBM), panas atau thermal dipakai untuk merusak atau melepaskan bahan. Bagaimanapun, daerah pengaruh panas (heat affected zone, HAZ) dibatasi dengan pendeknya denyutan (pulse) dari EBM. Tipe daerah pengaruh panas bernilai sekitar 20 sampai dengan 30 μm. Umumnya bahan Ti dan Ni lebih mudah dipemesinan dibandingkan dengan bahan baja. Banyaknya lubang per detik yang dibor pada suatu tipe bahan tergantung pada diamater lubang, kepadatan tenaga/daya, dan kedalaman. Gambar 27 memperlihatkan variasi kecepatan pengeboran terkait dengan volume bahan yang dilepaskan dari material baja dan aluminium.
Gambar 27 Variasi kecepatan bor pada volume pelepasan bahan untuk baja dan aluminium. 2.6
Keuntungan dan Batasan Pemesinan Berkas Elektron
EBM menghasilkan nilai tinggi dalam membuat lubang yang kecil dengan perbandingan aspek besar dalam pengedrill an tersebut. Selain itu dapat melakukan pemesinan benda kerja apapun tipe bahan dengan berbagai sifat mekanisnya serta dengan tidak menggunakan gaya potong mekanikal, pemegang benda kerja dan biaya pembuatan rendah. Lebih lanjut, pembuatan proses pelepasan bahan gampang baik untuk material yang rapuh dapat juga diproses. Daerah pengaruh panas (HAZ) pada EBM nilainya rendah karena denyut/pulsanya pendek. EBM dapat menghasilkan lubang dengan berbagai bentuk akurasi tinggi oleh kombinasi defleksi berkas memakai gulungan elektromagnetik dan meja CNC. EBM mempunyai keterbatasan dalam operasi yaitu biaya awal tinggi untuk investasi peralatan juga termasuk biaya perawatan khusus pada peralatan memakai sistem vakum. Selain itu dalam periode tertentu akan terdapat waktu yang tidak produktif penurunan pemompaan karena untuk pencapaian kevakuman yang diinginkan. Masalah ini dapat dikurangi dengan menggunakan beberapa kunci beban vakum. Meskipun demikian daerah pengaruh panas agak tak sebanyak di EBM tetapi bisa dihindarkan dengan formasi lapis kembali.
26 dari 26