PENGEMBANGAN ALGORITMA ”VECTOR TOOLING MESH GENERATION” UNTUK MENGHINDARI DISTORSI GEOMETRI PADA SHEET METAL FORMING
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Persoalan pembentukan komponen kendaraan dengan cara sheet metal
forming, merupakan cara yang relative sederhana karena lembaran pelat sheet
metal kemudian di lakukan penekanan (press) menggunakan cetakan atas dan
bawah sehingga akan melewati daerah karasteristik plastik dan menjadi bentuk
sesuai cetakan atas-bawah yang dipakai. Pemanfaatan yang produk sheet metal
forming yang bisa dilihat pada bodi mobil dari bahan sheet metal dan press.
Dalam proses mencetak di industri, ilustrasi sheet metal forming
ditunjukkan pada Gbr.1.
Gbr. 1. Proses umum sheet metal forming (Makinouchi, 1999)
Penerapan dalam industri manufacturing yang berkaitan dengan otomotif,
dengan peningkatan permintaan jumlah kendaraan bermotor, maka pemanfaatan
2
sheet metal forming semakin penting lagi. Di kawasan Asia pasifik penjualan
kendaraan bermotor semakain meningkat sampai tahun 2010. Sebagai gambaran,
menurut datamonitor (2005) produksi tahun 2005 sebanyak 22 juta (Gbr. 2) akan
diprediksi pada tahun 2010 mencapai 28 juta dengan angka peningkatan
pertahunnya sekitar 5.5 % sampai 6.6 %.
Gbr. 2. Ramalan Produksi Sepeda Motor di Kawasan Asia Pasific
(Sumber : Datamonitor, Motorcycles in Asia Pasific – Industri Profile, December 2005)
Dalam praktek industri, memperoleh bentuk komponen hasil press seperti
yang diharapkan ternyata tidak sesederhana prosesnya. Pengaruh ukuran pelat
sebelum dicetak (blank sheet), sifat material dan kondisi dan tekanan press
menentukan keakuratan hasil. Seringkali hasil cetakan press tidak mulus tetapi
berkerut, bergelombang bahkan bisa juga terjadi robek. Bahkan seandainya hasil
permukaan bisa mulus, tetapi terjadi melintir atau melengkung sehingga ukuran
hasil cetakan tidak sesuai lagi dengan desain ukuran yang diharapkan.
Keakuratan mulai terjadi perhatian setelah proses pemanfaatan sheet metal
forming menjadi tumpuan utama mencetak bodi mobil dijepang, Umehera (1990).
Sehingga ketidak akuratan hasil karena sifat alamiah bahan metal elastic (Tozawa,
1990) menjadi sangat penting untuk ditanggulangi. Kehalusan permukaan tidaklah
3
mencukupi apabila intergritas keakuratan antar komponen juga menjadi perhatian
yang perlu diperhatikan oleh produsen komponen otomotif, Narasimhan (1999),
dengan permintaan kualitas makin meningkat, maka bukan hanya penampilan luar
saja yang penting untuk diperhatikan, tetapi semua bagian sambungan serta yang
terkait dengan pemasangan komponen hasil sheet metal forming perlu mendapat
perhatian khusus keakuratan pemasangannya.
Penanggulangan
persoalan
ketidak
akuratan
ditangani
dengan
memperbaiki dan memodifikasi alat cetak (dies) nya setiap kali ditemukan
permasalahan. Modifikasi biasanya dilakukan saat uji coba produksi sebelum
keputusan produksi massal dilaksanakan.
Secara umum, proses perbaikan alat cetak selalu dilakukan dan
memerlukan waktu dan biaya yang tidak murah, yaitu sekitar 20 % dari total biaya
produksi. Dari 20 % biaya yang dikeluarkan, sepertiganya untuk menaggulangi
ketidak akuratan hasil (Umehera, 1990), seperti ditunjukkan pada Gbr. 3.
Gbr. 3. Biaya rata-rata produksi dies (Umehera, 1990)
Dalam proses perbaikan dies, Fallbohmer (1999), menyatakan sebagian
besar di Negara industri maju yang mempunyai kedekatan dengan ilmuan (United
4
States, Germany, Japan), masih mengandalkan perbaikan dan modifikasi dies
pengalaman karyawan, dibandingkan dengan metode analitik yang ada di
handbook maupun dengan cara simulasi virtual numerik berbasis Metode Elemen
Hingga, dengan jumlah pengguna 10%.
Gbr. 4. Metode pendekatan modifikasi dies (Fallbohmer, 1999)
Berdasarkan hasil survei tersebut memperlihatkan bahwa pemanfaatan
simulasi numerik secara virtual mengganakan perangkat komputer masih sangat
terbatas penerapannya di industri terutama untuk tahap perbaikan dan modifikasi
dies. Data dari unit pelayanan industri yang ada di Fakultas Teknik UMS, dari
berbagai mitra industri belum ada satupun yang menggunakan suatu metode
analitik untuk perbaikan dies, meskipun hampir semua gambar sudah berbasis
Computer Aided Design (CAD).
Metode numerik berbasis Metode Elemen Hingga (MEH) memang sudah
digunakan untuk melakukan analisis. Pada beberapa kasus, hasil MEH lebih
banyak sekedar memberikan informasi bahwa prediksi hasil proses pencetakan
menggunakan cetakan (dies) yang telah dirancang akan terjadi keakuratan hasil
akibat terlalu melentur (over bending) atau melintir (twisting). Berdasarkan
5
informasi hasil analisis memberikan suatu saran bahwa desain dies perlu
dimodifikasi lagi agar hasilnya dapat akurat seperti yang dikehendaki. Apabila
dikehendaki hasil modifikasi dies dilakukan analisis kembali untuk melihat hasil
pencetakan. Proses persiapan menuju produksi massal menjadi semakin tertunda
lagi bila belum diperoleh hasil simulasi cetakan yang memuaskan sesuai kualitas
yang diinginkan.
1.2. Perumusan Masalah
Pemanfaatan MEH untuk keperluan analisis sudah membantu memberikan
prediksi geometri akhir dari komponen hasil proses stamping (press). Dengan
berbagai perangkat lunak berbasis MEH non-linier yang secara komersial sudah
tersedia seperti ABAQUS, ANSYS, NASTRAN, LUSAS, COSMOS mampu
memprediksi hasil setelah komponen press dikeluarkan dari cetakannya dan
mengalami springback akibat alamiah sifat logam yang elastik.
Untuk keperluan modifikasi alat cetak, siswanto (2001) sudah mengembangkan
suatu ”SB-SF Algorithm” yang digunakan untuk membalik kondisi springback
yang pasti selalu terjadi dan dijadikan koreksi pada bentuk geometri alat cetak
(toolingdies) nya.
Dengan adanya algoritma SB-SF, secara fundamental, cara modifikasi tooling dies
mengalami perubahan dari sekedar trial and error menjadi sepenuhnya
berdasarkan prediksi geometri, seperti ilustrasi Gbr. 5. Pada Gbr. 5(a) apabila
terjadi kesalahan maka perubahan dilakukan menggunakan CAD berdasarkan
informasi visual dan perkiraan mengenai geometri yang perlu dimodifikasi.
Pengalaman dan intuisi teknik sangat diperlukan dalam proses ini. Pada Gbr. 5(b)
6
penggunaan algoritma SB-SF secara teori mampu menghasilkan bentuk part yang
secara virtual mengalami springforward, sehingga bila modifikasi surface die
yang baru mengikuti hasil springforward, maka hasil proses press dengan surface
baru hasil madifikasi akan menghasilkan ketepatan geometri karena springback
sudah diakomodasi.
(a)
(b)
Gbr. 5. Pemanfaatan SB-SF Algoritm untuk optimisasi tooling dies.
Permasalahan yang timbul adalah transformasi hasil springforward
menjadi upper dan lower surfaces dalam bentuk meshing elemen hingga yang siap
digunakan untuk analisis, sehingga pada Gbr. 5(b) bisa digunakan. Pada gambar
7
tersebut masih digunakan garis putus-putus karena belum bisa langsung
diterapkan surface baru upper dan lower dies harus mempunyai gap yang seragam
di semua bagian permukaan.
Secara translasi, memindahkan semua nodal elemen hingga dapat memperoleh
hasil yang akurat apabila komponen press tidak mempunyai bentuk yang rumit
dan tidak banyak lingkungan. Namun demikian, apabila bentuk komponen rumit
maka upper dan lower dies tidak akan mempunyai gap yang seragam, bahkan
benar-benar berhimpit (Gbr. 6), sehingga tidak akan menghasilkan komponen
yang bagus, tetapi menyebabkan robeknya komponen akibat pelat logam yang
berada ditengahnya terjepit. Gambaran gap yang gagal mempertahankan jarak
konstan dilukiskan pada Gbr. 7.
Gbr. 6. Translasi elemen dan nodal, menghasilkan gap antara yang tidak konstan.
8
Gap seharusnya
Gap yang diperoleh
Gbr. 7. Gap yang terjadi antara upper dan lower surfaces.
Berdasarkan kegagalan proses elemen meshing pada turunan upper dan lower dies,
maka ada dua masalah yang sangat perlu dipikirkan agar hasil springforward
dapat diterapkan secara langsung, apabila kemampuan pembentukan analitical
surface yang sudah memiliki semua informasi elemen hingga, baik nodal maupun
elemen. Perlu adanya suatu algoritma komputasi yang secara fundamental mampu
mengatasi dua permasalahan yang ada.
Dua masalah tersebut adalah:
a. Apabila menggunakan translasi konvensional searah dengan arah gerak
alat cetaknya, maka gap yang terbentuk antara upper dan lower dies tidak
akan konstan seperti pada Gbr. 6 dan Gbr. 7.
b. Apabila menggunakan translasi normal di semua permukaan terhadap
seluruh nodal elemen, maka upper dan lower surface yang terbentuk
memiliki gap yang konstan, memiliki jumlah elemen yang sama namun
demikian jumlah nodal tidak sama dengan hasil akhir proses
springforward. Kondisi elemen hingga yang tesusun di setiap arah normal
9
berbeda menjadi split (berpisah) dan secara numerik akan menyebabkan
discontinuity.
Terjadi pemisahan elemen
Nodal elemen
Proses translasi
Garis elemen
`
Gbr. 8. Pemisahan elemen (split) terjadi saat translasi normal disetiap elemen.
1.3. Batasan Masalah
Pada penelitian yang akan dilakukan ada beberapa asumsi digunakan serta
batasan masalah yang ada.
Asumsi dan definisi secara konsisten akan digunakan, meliputi :
a) Proses sheet metal forming yang dimaksud dalam konteks
usulan
penelitian ini merupakan proses dingin (cold process) dimana tidak
ada keterlibatan pemanasan tambahan.
b) Seluruh proses press (stamping) menggunakan alat cetak padat bukan
dari bahan yang bisa mengalami deformasi karena lunak (deformable
rigid tools).
c) Peristiwa springback yang dimaksud terjadinya karena sifat elastik dari
pelat logam yang digunakan, serta springback tidak terjadi beberapa
kali setelah dilewatinya daerah deformasi plastik. Setelah mengalami
deformasi plastik dan terjadi springback maka sheet metal yang
dibentuk akan terdeformasi secara permanen.
Sedangkan batasan masalah pada penelitian, mencakup beberapa hal:
10
a) Elemen hingga yang dipertimbangkan untuk dilakukan translasi adalah
dari katagori elemen cangkang (general shell) tiga dimensi dengan satu
lapisan. Hasil yang diperoleh, konsekuensinya juga berupa elemen
cangkang dengan satu lapisan.
b) Apabila elemen hingga blank sheet merupakan elemen solid tiga
dimensi, translasi upper digunakan bagian atas (upper side) dari
elemen solid, dan translasi lower digunakan bagian bawah (lower side)
elemen solid.
1.4. Tujuan Penelitian
Penelitian ini mempunyai fokus pada pengembangan proses optimasi alat
cetak komponen sheet metal forming, sehingga secara fundamental akan
mengalami perubahan dengan adanya kemampuan tambahan yang bisa
memanfaatkan hasil simulasi numerik berbasis metode elemen hingga, untuk
perbaikan secara langsung ke surface alat cetak press.
Secara spesifik dalam penelitian ini bertujuan:
a. Pengembangan algoritma numerik yang bertujuan memanfaatkan hasil
springforward secara langsung untuk menghasilkan upper dan lower
dies dalam bentuk elemen hingga lengkap dengan nodal-nodalnya,
serta mempunyai gap antara yang konstan.
b. Memperkenalkan
suatu
metode
optimasi
alat
cetak
untuk
menghasilkan hasil yang akurat sesuai dengan rencana desain dengan
cara konpensasi springback. Springback tidak dihilangkan tetapi
diakomodasi dengan perubahan alat cetak.
DAFTAR PUSTAKA
, 1997, ABAQUS/Standard-Implicit User's Manual V.5.7, Hibbit Karlson
and Sorenson (HKS) Inc.
, 2005, Motorcycle Manufacturer in Asia Pusific, Industry Profile,
Datamonitor, Reference code 0200-0403, December.
, 2005, Motorcycle Manufacturer in the United Kingdom Industry Profile,
Datamonitor, Reference code 0183-0403, December.
, 2005, Motorcycle Manufacturer in Japan, Industry Profile, Datamonitor,
Reference code 0104-0403, December.
, 2003, Data Gaikindo, Jawa Pos, December.
Ahmetoglu, M.; Broek, T.R.; Kinzel, G.; Altan, T., "Control of Blank Holder
Force to Eliminate Wrinkling and Fracture in Deep-Drawing Rectangular
Parts", Annals of the CIRP Vol.44, No. 1, 1995.
Dalin, J.B., Onate, E.,"An Automatic Algorithm for Contact Problems:
Application to Sheet Metal Forming", Proc. The 3`d International
Conference on Numerical Methods in Industrial Forming Processes, Editor
E.G. Thompson, Fort Collins, Colorado, 1989.
Du, C.; Zhang, L.; Wu, L., "A New Algorithm for Die Surface Development in
Sheet Metal Forming", Cray Channels, V.18, No, l, pp. l 1-13, 1996.
Fallbohmer, P.; Altan, T.; Tonshoff, H.-K.; Nakagawa, T., "Survey of the Die and
Mold Manufacturing Industry - Practices in Germany, Japan and the
United States", Journal of Materials Processing Technology, V.59, pp.
158-168, 1999.
He, N.; Wagoner, R.H., "Springback Simulation in Sheet Metal Forming",
NUMISHEET96, pp.308-31 5, 1996.
.Honecker, A., Mattiasson, K.,"Finite Element Procedures for 3D Sheet Forming
Simulation", Proceeding 1VIJMIFORM'89, pp.457-463, Balkema, 1989.
Jung, D.W.; Yoo, D.J.; Yang, D.Y., "A Dynamic Explicit Rigid-Plastic Finite
Element Formulation and Its Application to Sheet Metal Forming
Process", Engineering Computations, V.12, pp.707-722, 1995.
Jung, D.W., "Study of Dynamic Explicit Analysis in Sheet Metal Forming
Processes Using Faster Punch Velocity and Mass Scaling Scheme",
Journal of Materials Engineering and Performance, V.7, pp.479-490, 1998.
Karafillis, A.P.; Boyce, M.C., "Tooling Design in Sheet Metal Forming Using
Springback Calculation", Int.J.Mech.Sci, Vol.34, No.2, pp. l 13-131, 1992.
Karafillis, A.P.; Boyce, M.C., "Tooling and Binder Design for Sheet Metal
Forming Processes Compensating Springback Error", Int.J.Mach.Tools
Manufact. Vol.36, No.4, pp.503-526, 1996.
Karafillis, A.P., "Tooling Design for Three Dimensional Sheet Metal Forming
Using Finite Element Analysis", Ph.D. Thesis, Dept. Mechanical
Engineering, MIT, 1994.
Kawka, M.; Kakita, T.; Makinouchi, A., "Simulation of Multi-Step Sheet Metal
Forming Processes by a Static Explicit FEM Code", Journal of Materials
Processing Technology, V.80-81, pp. 54-59, 1998.
Key, S.W., Kreig, R.D., Bathe, K.J.,"On the Application of the Finite Element
Method to Metal Forming Process", Computational Methods in Applied
Mechanics and Engineering, V.17/18, pp.597-608, 1979.
Kuwabara, T.; Takahashi, S., "Optimum Process Design Simulator for 2-Stage UBending Considering Springback", Proc. Japanese Spring Conference for
technology of Plasticity, Japan, 1998.
Majlessi, S.A.; Lee, D., "Analysis of Multi-Stage Sheet metal Forming Processes",
Proc. North American Manufacturing Research Conference Vol.15
(NAMRC-XV), pp.330-334, 1987.
Majlessi, S.A.; Lee, D., "Further Development of Sheet Metal Forming Analysis
Method", Transaction of ASME, Vol.109 November, pp.330-337, 1987.
Majlessi, S.A.; Lee, D., "Development of Multistage Sheet Metal Forming
Analysis Method", J. Mater. Shaping Technology, Vol.6, No. 1, pp.41-54,
1988.
Makinouchi, A. (editor), Proc. of the 2°d International Conference
NUMISHEET'93: Numerical Simulation of 3-D Sheet Metal Forming
Processes - Verification of Simulation with Experiment, Isehara, Japan,
1993.
Makinouchi, A., "FEM Simulation and Its Related Technology in Sheet Metal
Forming", Journal of the Japan Society for Technology in Sheet Metal
Forming, V.40, No.5 No.460, pp. 12-21, 1999.
Makinouchi, A.,"Sheet Metal Forming in Industry", Journal of Materials
Processing Technology, V.60, pp. 19-26, 1996.
Makinouchi, A.; Teodosiu, C.; Nakagawa, T., "Advance in FEM Simulation and
its Related Technologies in Sheet Metal Forming", CIRP Annals
Manufacturing Technology, V.47, No.2, pp.641-649, 1998.
McLennan, M.; Cardew-Hall, M.; Kalyanasundaram, S., "Simulation and
Optimisation of Automotive Sheet Metal Forming", ABAQUS Users'
Conference, Milan June 3-6, Italy, 1997.
Nakamachi, E.; Huo, T., "Dynamic-Explicit Elastic Plastic Finite Element
Simulation of Hemispherical Punch Drawing of Sheet Metal", Engineering
Computations, Vol.13, No.2/3/4, pp.327-338, 1996.
Narasimhan, N.; Lovell, M., "Predicting Springback in Sheet Metal Forming: An
Explicit to Implicit Sequential Solution Procedure", Finite Elements in
Analysis and Design, V.33, pp.29-42, 1999.
Nagtegaal, J.C.,L.M. Taylor, "Comparison of Implicit and Explicit Finite Element
Methods for Analysis of the FE-Simulation of 3D Sheet Metal Forming
Processes", Automotive Industry Conference, VDI Verlag, Dusseldorf,
1991.
Prior, A.M.,"Applications of Implicit and Explicit Finite Element Techniques to
Metal Forming", Journal of Materials Processing Technology, V.45,
pp.649-656, 1994.
Riyadi; T.W. B.; Siswanto, W.A., "The Use of ABAOUS for Teaching
Development of Cavity Defect in Forward Extrution Processes",
Manuscript has been reviewed accepted for publication in International
Journal of Mechanical Engineering Education (IJMEE), 2007.
Rebelo, N., Nagtegaal, J.C., Hibbit, H.D.,"Practical Aspects of Modelling Sheet
Forming Processes". Proc. The 3rd International Conference on Numerical
Methods in Industrial Forming Processes, Editor E.G. Thompson, Fort
Collins, Colorado, 1989.
Shu, J.; Hung, C., "Finite Element Analysis and optimization of Springback
Reduction: The Double Bend Technique", Int. J. Mach. Tools
Manufacturing., Vol.36, No.4, pp.423434, 1996.
Siswanto, W.A., "Numerical Simulation of S-Rail Sheet Metal Forming by a
Combination of Explicit and Implicit Finite Element Methods", Journal of
Materials Processing Technology.
Siswanto, W.A.; Tomas, J.A.; Mahdavian, S.M., "Numerical Optimisation of
Tooling Geometry in Sheet Metal Forming", COMPUMOD 13 rd
Australasian Conference, pp.22-1 - 22-26, Melbourne, 1999.
Siswanto, W.A.; Tomas, J.A.; Mahdavian, S.M., "Tooling Geometry Optimisation
in Sheet Metal Forming Using Springforward Simulation", Forth
International Iranian Society of Mechanical Engineers, Proc. ISME2000,
Paper E4168, Tehran, 2000.
Siswanto, W.A., "Benefits of Computer Sismulations to Indonesian Automotive
Companies",
Journal
Teknik
GELAGAR
(terakreditasi),
No.01/Vo1.9/April, pp.4853. ISSN 0853-2850,1998.
Siswanto, W.A., "Development and Verification of General Purpose
Springback/Springforward User Materials for Tooling Design
Optimisation",
Journal
Teknik
GELAGAR
(terakreditasi),
No.02/Vo1.10/Oktober, pp.85-102, ISSN 0853-2850,1999.
Siswanto, W.A., "Numerical Simulation of S-Rail Sheet Metal Forming by Finite
Element Methods", Journal Teknik GELAGAR (terakreditasi),
No.02/Vol.12/April, pp.7280. ISSN 0853-2850,2001.
Supriyono; Aliabadi, M.H. ,"Boundary Elemen Method for Shear Deformable
Plates with Combined Geometric and Material Nonlinearities",
Engineering Analysis with Boundary Elements, Vol 30, pp.31-42., 2006
Supriyono; Aliabadi, M.H., "Analysis of shear Deformable Plates with Combined
Geometric and Material Nonlinearities by Boundary Element Methods",
International Journal of Solid and Structures, Vo144, pp. 1038-1059., 2007
Tai, H.; Sugimoto, T.; Igaki, K.; Arnaudeau, F.; Winkelmuller, G., in
NUMISHEET'93 Conference, edited by Makinouchi, Isehara, Japan, 1993.
Takahashi, S., "State of the Art of Sheet Metal Forming Simulation Technology",
Journal of the Japan Society for Technology in Sheet Metal Forming, V.40,
No.5 No.460, pp.52-56, 1999.
Taylor; Cao; Karafillis, A.P.; Boyce, M.C., "Numerical Simulations of Sheet
Metal Forming", J. Mater. Proc. Tech., Vol.50, pp. 168-179, 1995.
Teeparthi, S.; Gandikota, V.; Madhavan, V.; Hooper, S., "Multistage Sheet Metal
Forming with Intermediate Annealing: Comparison of Finite Element
Simulations with Experiments", SAE Tehnical Paper Series No. 1999-011560, 1999.
Tufekci, S.S.; Wang, C.T.; Kinzel, G.L.; Altan, T., "Estimation and Control of
Drawbead Forces in Sheet Metal Forming", SAE No.940941, 1994.
Tozawa, Y.,”Forming Technology for raising the Accuracy of Sheet-Formed
Products”, Journal of Materials Processing Technology, V.22, pp. 343-351,
1990.
Umehera, Y., “Technologies for the More Precise Press Forming of Automobile
Parts”, Journal of Materials Processing Technology, V.22, pp. 239-256,
1990.
Webb, R.D., “Spacial Frequency Based Closed-Loop Control in Sheet Metal
Forming”, Ph.D. Thesis, Dept. Mechanical Engineering, MIT, 1987.
Wu, L.; Du, C,; Zhang, L., “Iterative FEM Die Surface Design to Compensate for
Springback in Sheet Metal Stamping”, Simulation of Materials Processing:
Theory Methods, and Applications, NUMIFORM-95, pp.637-641, 1995.
Wu, L.,:Generate Tooling Mesh by FEM Virtual Forming Model for Springback
Compensation in Die Surface Design of Sheet Metal Stamping”, SAE
paper No.960592, pp.11-17, 1996
Wu, L,.”Tooling Mesh Generation Technique for Iterative FEM Die Surface
Design Algoritm to Compensate for Springback in Sheet Metal Stamping:,
Engineering Computation, Vol.14, No.6, pp.630-648, 1997.
Xu, Z.; Yuanping, W. Y.; Jun, C.; Lingshou, Z.; Xueyu, R,. “CAE Analysis of
Multi-Stage Forming Processes of Complicated Automobile Part”, journal
of Shanghai Jiaotong University, Vol.33, No.2, pp.170-173, 1999.
Yuanping, .; Xin, Jinahua, F.; Weilong, Z,. “Computer Simlation For Multi Stage
Sheet Metal Forming Processes”, Journal of Shanghai Jiaotong University,
Vol.33 No.2, pp.224-246, 1999.
PENGEMBANGAN ALGORITMA
”VECTOR TOOLING MESH GENERATION”
UNTUK MENGHINDARI DISTORSI GEOMETRI
PADA SHEET METAL FORMING
Disusun Oleh :
Ir. Supriyono, M.T., Ph.D.
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
SEPTEMBER 2008
RINGKASAN DAN SUMMARY
Paradigma desain alat cetak pelat dengan teknik sheet metal forming saat ini
mengikuti pola konvensional bahwa untuk mencapai target bentuk pelat yang di
press, maka alat cetak mengikuti pola geometri bentuk pelat yang direncanakan.
Namun demikian selama pelat yang digunakan dari bahan logam yang secara alamiah
mempunyai sifat elastik, maka hasil cetakan press setelah dilepas dari alat cetak tidak
akan sesuai dengan target karena selalu terjadi distorsi geometri akibat springback,
yaitu kecenderungan kembali kebentuk semula mengikuti karasteristik sifat elastik
bahan.
Penelitian ini akan fokus pada pemberian kemampuan pada algoritma desain
optimasi surface alat cetak yang tidak berdasarkan target geometri, tetapi akan
menghasilkan hasil cetakan yang akurat sesuai target. Oleh karena itu perlu adanya
suatu algoritma yang memungkinkan melakukan koreksi surface agar menghasilkan
hasil cetakan yang sesuai dengan target desain walaupun springback terjadi.
Pendekatan penelitian dimulai dengan pendefinisian non-uniform vector
translation yang secara teori akan dapat menghasilkan dua permukaan dengan jarak
antara yang selalu konstan. Permasalahan yang ada yaitu diskontinuitas elemen dan
terpisah (split) elemen sehingga menyebabkan kegagalan pemanfaatan surface untuk
analisis lanjutan berbasis elemen hingga atau elemen batas, akan dipecahkan dengan
pendekatan model matematik secara bertahap. Permasalahan mengenai diskontinuitas
akan dicari penyelesaian terlebih dahulu sebelum mengatasi masalah split elemen.
Setelah algoritma mesh generation didefinisikan, akan dilanjutkan dengan
pengembangan prosedur dan rutin sebagai sarana simulasi dan uji terhadap beberapa
kasus yang mungkin muncul, dimulai dari horisontal, miring, dan yang ekstrim
kemiringan 90 derajat sebelum diuji kebentuk rumit gabungan ketiganya.
Validasi eksperimental akan dilaksanakan dalam penelitian ini dengan
manufacturing hasil uji simulasi numerik dan dilakukan pengukuran. Perbaikan
ii
algoritma, prosedur dan rutin simulasi akan mengakomodasi kendala fisik yang ada
bila diperlukan. Hasil validasi akan memberikan keyakinan sebelum kajian awal
penerapan lanjutan untuk aplikasi di dunia industri masa datang.
Selain penelitian ini menargetkan menghasilkan suatu algoritma baru dalam
mesh generation yang akan merubah paradigma desain masa datang, publikasi di
jurnal nasional maupun internasional kan dilakukan.
Penelitian ini dilakukan dengan mensimulasikan proses stamping dengan
program ABAQUS 6.5-1, simulasi dilakukan dengan menggunakan empat model
yang berbeda, sehingga didapatkan koordinat masing-masing model saat forming dan
springback pada blank, koordinat blank dapat diketahui dari nodal atau elemen pada
blank, sehingga dapat diketahui besarnya nilai springback, yang kemudian akan
digunakan sebagai nilai yang digunakan untuk memodifikasi bentuk atau geometri
die atau punch yang lama menjadi bentuk die dan punch yang baru, sehingga setelah
terjadi springback target sesuai yang diinginkan.
Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa simulasi pada setiap model
terjadi springback yang berbeda-beda sesuai dengan kondisi permukaan dari die atau
punch. Springback dapat diatasi dengan memodifikasi bentuk die atau punch yang
lama menjadi bentuk die dan punch yang baru dengan memanfaatkan informasi
springback. Transformasi nodal atau elemen adalah suatu metode untuk mendapatkan
permukaan die atau punch yang baru
iii
DAFTAR ISI
HALAMAN PENGESAHAN.......................................................................
i
RINGKASAN DAN SUMMARY.......................................................
ii
PRAKATA ......................................................................................................
iii
DAFTAR TABEL ..........................................................................................
iv
DAFTAR GAMBAR......................................................................................
v
DAFTAR LAMPIRAN ..................................................................................
vi
BAB I. PENDAHULUAN ...........................................................................
1
1.1. Latar Belakang ..........................................................................
1
1.2. Perumusan masalah ...................................................................
5
1.3. Batasan Masalah ........................................................................
9
1.4. Tujuan Penelitian ......................................................................
10
TINJAUAN PUSTAKA.................................................................
11
BAB III METODE PENELITIAN ..............................................................
25
3.1. Rancangan Penelitian .................................................................
27
a. Pemodelan Matematik ...........................................................
27
b. Simulasi dan Uji Numerik dengan Kasus .............................
28
c. Validasi Experimental ...........................................................
29
BAB IV HASIL SIMULASI DAN PEMBAHASAN ..................................
31
4.1. Studi Tentang Springback ..........................................................
31
a. Simulasi Model 1 .................................................................
31
BAB II
iv
b. Simulasi Model 2 .................................................................
37
c. Simulasi Model 3 .................................................................
40
d. Simulasi Model 4 .................................................................
44
4.2. Identifikasi nodal atau elemen yang mengalami pergeseran......
48
a. Menampilkan koordinat nodal target ...................................
48
b. Menampilkan koordinat nodal yang mengalami springback
48
c. Melakukan perbandingan untuk setiap nodal.......................
48
d. Teridentifikasi nodal atau elemen mengalami pergeseran ...
48
4.3. Algoritma untuk Mesh Generation ...........................................
49
a. Aplikasi algoritma untuk mesh generation untuk model 1 ..
50
b. Aplikasi algoritma untuk mesh generation untuk model 2 ..
53
c. Aplikasi algoritma untuk mesh generation untuk model 3 ..
56
d, Aplikasi algoritma untuk mesh generation untuk model 4 ..
59
BAB V PENUTUP .......................................................................................
63
5.1 Kesimpulan ...............................................................................
63
5.2 Saran ..........................................................................................
63
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
v
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.. Beberapa proses Sheet Metal Forming..........................................
1
Gambar 2. Ramalan Produksi Sepeda Motor...................................................
2
Gambar 3. Biaya Rata-rata Produksi die..........................................................
3
Gambar 4. Metode Pendekatan modifikasi dies...............................................
4
Gambar 5. Pemanfaatan SB-SF Algoritm untuk Optimasi Tooling Dies ........
6
Gambar 6. Translasi Elemen dan Nodal ..........................................................
7
Gambar 7. Gap yang terjadi antara Upper dan Lower Surface ........................
8
Gambar 8. Pemisahan Elemen (Split) ..............................................................
9
Gambar 9. Proses Springback dan Springforward...........................................
14
Gambar 10. Konsep Optimasi dengan perhitungan Springforward.................
15
Gambar 11. Hasil Benchmarking Algoritm SB-SF dengan Built-in ABAQUS
16
Gambar 12. Kegagalan Pembentukan Punch dan Die ....................................
17
Gambar 13. Teknik Translasi Elemen .............................................................
19
Gambar 14. Diagram Alir Algoritma ITE dan ETE.........................................
20
Gambar 15. Permasalahan belum tersedianya Algoritma Untuk pemanfaatan
Springforward ..............................................................................
24
Gambar 16. Diagram Alir Peran Simulasi Numerik dan Experimental...........
27
Gambar 17. Penghilangan Split Elemen ..........................................................
29
Gambar 18. Diagram Rancangan Penelitian ....................................................
32
vi
Gambar 19. Target Model 1 .............................................................................
33
Gambar 20. Visualisasi Proses Forming Model 1 ...........................................
34
Gambar 21. Visualisasi Springback Model 1...................................................
34
Gambar 22. Overlay antara proses Forming dan Springback model 1 ............
35
Gambar 23. Overlay antara proses Forming dan Springback yang diperbesar
35
Gambar 24. Posisi nodal-nodal pada Blank .....................................................
35
Gambar 25. Grafik perbandingan antara Forming dan Springback pada........
Model 1 sebelum modifikasi bentuk Die atau Punch ...................
36
Gambar 26. Target model 2 .............................................................................
37
Gambar 27. Proses Forming Model 2 ..............................................................
37
Gambar 28. Fenomena Springback Model 1....................................................
38
Gambar 29. Hasil Overlay proses Forming dan Springback. .........................
38
Gambar 30. Posisi nodal-nodal pada Blank. ....................................................
39
Gambar 31. Grafik perbandingan antara Forming dan Springback pada........
Model 2 sebelum modifikasi bentuk Die atau Punch. ..................
40
Gambar 32. Dimensi dari target Die ................................................................
40
Gambar 33. Proses forming pada model 3........................................................
41
Gambar 34. Fenomena Springback pada model 3 ...........................................
42
Gambar 35. Hasil penggabungan (overlay) antara proses Forming dan .........
Springback pada model ..............................................................
42
Gambar 36. Posisi nodal-nodal pada Blank .....................................................
43
vii
Gambar 37. Grafik perbandingan antara forming dan springback pada ….....
Model 3 sebelum modifikasi bentuk die atau punch.....................
44
Gambar 38. Dimensi Target.............................................................................
44
Gambar 39. Proses Forming pada model 4......................................................
45
Gambar 40. Springback pada model 4 .............................................................
45
Gambar 41. Overlay dari Forming dan Springback model 4...........................
46
Gambar 42. Overlay dari Gbr. 41 yang diperbesar ..........................................
46
Gambar 43. Posisi koordinat Blank..................................................................
46
Gambar 44. Grafik perbandingan antara forming dan Springback pada..........
Model 4 sebelum modifikasi bentuk Die/ Punch........................
47
Gambar 45. Algoritma optimasi Mesh Generation..........................................
49
Gambar 46. Dimensi target model 1 ................................................................
50
Gambar 47. Dimensi target model 1 setelah modifikasi ..................................
50
Gambar 48. Simulasi Forming pada model 1 setelah modifikasi betuk Die....
51
Gambar 49. Simulasi springback pada model 1 setelah modifikasi bentuk Die
51
Gambar 50. Grafik perbandingan antara Forming dan Springback pada .......
model 1 setelah adanya modifikasi bentuk Die...........................
52
Gambar 51. Bentuk target model 2...................................................................
53
Gambar 52. Dimensi target model 2 setelah modifikasi..................................
53
Gambar 53. Forming pada model 2 setelah modifikasi bentuk Die…………..
54
Gambar 54. Simulasi Springback model 2 setelah modifikasi bentuk die…...
54
viii
Gambar 55. Grafik perbandingan antara Forming dan Springback pada .......
model 2 setelah adanya modifikasi bentuk die…………………
55
Gambar 56. Dimensi target model 3…………………………………………
57
Gambar 57. Simulasi forming model 3 setelah mengubah dimensi Die……
57
Gambar 58. Simulasi Springback model 3 setelah mengubah dimensi Die.....
57
Gambar 59. Grafik perbandingan antara Forming dan Springback pada
Model 3 sesudah modifikasi bentuk Die atau Punch...................
58
Gambar 60. Dimensi target model 4...............................................................
59
Gambar 61. Menunjukkan Ilustrasi Koordinat Blank.....................................
59
Gambar 62. Menunjukkan ilustrasi koordinat Die...........................................
60
Gambar 63. Dimensi target (Die) setelah dilakukan modifikasi.....................
60
Gambar 64. Simulasi Forming Model 4 setelah mengubah dimensi Die……
61
Gambar 65. Simulasi Springback model 4 setelah memodifikasi ukuran
Punch dan Die…………………………………………….......
61
Gambar 66. Grafik perbandingan antara Forming dan Springback pada
model 4 setelah modifikasi bentuk Die…………………….
ix
62
DAFTAR TABEL
Tabel 1. Tabel koordinat Blank pada model 1 sebelum modifikasi Die ..........
36
Tabel 2. Koordinat nodal Blank model 2 sebelum modifikasi bentuk.............
39
Tabel 3. Koordinat nodal Blank model 3 sebelum modifikasi bentuk Die.......
43
Tabel 4. Tabel koordinat Blank model 4 sebelum modifikasi bentuk Die.......
47
Tabel 5. koordinat Blank model 1 setelah modifikasi bentuk Die ...................
52
Tabel 6. Koordinat Blank model 2 setelah modifikasi bentuk Die ..................
55
Tabel 7. Koordinat Blank setelah transformasi nodal ......................................
58
Tabel 8. Koordinat Blank setelah transformasi nodal ......................................
62
x
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Persoalan pembentukan komponen kendaraan dengan cara sheet metal
forming, merupakan cara yang relative sederhana karena lembaran pelat sheet
metal kemudian di lakukan penekanan (press) menggunakan cetakan atas dan
bawah sehingga akan melewati daerah karasteristik plastik dan menjadi bentuk
sesuai cetakan atas-bawah yang dipakai. Pemanfaatan yang produk sheet metal
forming yang bisa dilihat pada bodi mobil dari bahan sheet metal dan press.
Dalam proses mencetak di industri, ilustrasi sheet metal forming
ditunjukkan pada Gbr.1.
Gbr. 1. Proses umum sheet metal forming (Makinouchi, 1999)
Penerapan dalam industri manufacturing yang berkaitan dengan otomotif,
dengan peningkatan permintaan jumlah kendaraan bermotor, maka pemanfaatan
2
sheet metal forming semakin penting lagi. Di kawasan Asia pasifik penjualan
kendaraan bermotor semakain meningkat sampai tahun 2010. Sebagai gambaran,
menurut datamonitor (2005) produksi tahun 2005 sebanyak 22 juta (Gbr. 2) akan
diprediksi pada tahun 2010 mencapai 28 juta dengan angka peningkatan
pertahunnya sekitar 5.5 % sampai 6.6 %.
Gbr. 2. Ramalan Produksi Sepeda Motor di Kawasan Asia Pasific
(Sumber : Datamonitor, Motorcycles in Asia Pasific – Industri Profile, December 2005)
Dalam praktek industri, memperoleh bentuk komponen hasil press seperti
yang diharapkan ternyata tidak sesederhana prosesnya. Pengaruh ukuran pelat
sebelum dicetak (blank sheet), sifat material dan kondisi dan tekanan press
menentukan keakuratan hasil. Seringkali hasil cetakan press tidak mulus tetapi
berkerut, bergelombang bahkan bisa juga terjadi robek. Bahkan seandainya hasil
permukaan bisa mulus, tetapi terjadi melintir atau melengkung sehingga ukuran
hasil cetakan tidak sesuai lagi dengan desain ukuran yang diharapkan.
Keakuratan mulai terjadi perhatian setelah proses pemanfaatan sheet metal
forming menjadi tumpuan utama mencetak bodi mobil dijepang, Umehera (1990).
Sehingga ketidak akuratan hasil karena sifat alamiah bahan metal elastic (Tozawa,
1990) menjadi sangat penting untuk ditanggulangi. Kehalusan permukaan tidaklah
3
mencukupi apabila intergritas keakuratan antar komponen juga menjadi perhatian
yang perlu diperhatikan oleh produsen komponen otomotif, Narasimhan (1999),
dengan permintaan kualitas makin meningkat, maka bukan hanya penampilan luar
saja yang penting untuk diperhatikan, tetapi semua bagian sambungan serta yang
terkait dengan pemasangan komponen hasil sheet metal forming perlu mendapat
perhatian khusus keakuratan pemasangannya.
Penanggulangan
persoalan
ketidak
akuratan
ditangani
dengan
memperbaiki dan memodifikasi alat cetak (dies) nya setiap kali ditemukan
permasalahan. Modifikasi biasanya dilakukan saat uji coba produksi sebelum
keputusan produksi massal dilaksanakan.
Secara umum, proses perbaikan alat cetak selalu dilakukan dan
memerlukan waktu dan biaya yang tidak murah, yaitu sekitar 20 % dari total biaya
produksi. Dari 20 % biaya yang dikeluarkan, sepertiganya untuk menaggulangi
ketidak akuratan hasil (Umehera, 1990), seperti ditunjukkan pada Gbr. 3.
Gbr. 3. Biaya rata-rata produksi dies (Umehera, 1990)
Dalam proses perbaikan dies, Fallbohmer (1999), menyatakan sebagian
besar di Negara industri maju yang mempunyai kedekatan dengan ilmuan (United
4
States, Germany, Japan), masih mengandalkan perbaikan dan modifikasi dies
pengalaman karyawan, dibandingkan dengan metode analitik yang ada di
handbook maupun dengan cara simulasi virtual numerik berbasis Metode Elemen
Hingga, dengan jumlah pengguna 10%.
Gbr. 4. Metode pendekatan modifikasi dies (Fallbohmer, 1999)
Berdasarkan hasil survei tersebut memperlihatkan bahwa pemanfaatan
simulasi numerik secara virtual mengganakan perangkat komputer masih sangat
terbatas penerapannya di industri terutama untuk tahap perbaikan dan modifikasi
dies. Data dari unit pelayanan industri yang ada di Fakultas Teknik UMS, dari
berbagai mitra industri belum ada satupun yang menggunakan suatu metode
analitik untuk perbaikan dies, meskipun hampir semua gambar sudah berbasis
Computer Aided Design (CAD).
Metode numerik berbasis Metode Elemen Hingga (MEH) memang sudah
digunakan untuk melakukan analisis. Pada beberapa kasus, hasil MEH lebih
banyak sekedar memberikan informasi bahwa prediksi hasil proses pencetakan
menggunakan cetakan (dies) yang telah dirancang akan terjadi keakuratan hasil
akibat terlalu melentur (over bending) atau melintir (twisting). Berdasarkan
5
informasi hasil analisis memberikan suatu saran bahwa desain dies perlu
dimodifikasi lagi agar hasilnya dapat akurat seperti yang dikehendaki. Apabila
dikehendaki hasil modifikasi dies dilakukan analisis kembali untuk melihat hasil
pencetakan. Proses persiapan menuju produksi massal menjadi semakin tertunda
lagi bila belum diperoleh hasil simulasi cetakan yang memuaskan sesuai kualitas
yang diinginkan.
1.2. Perumusan Masalah
Pemanfaatan MEH untuk keperluan analisis sudah membantu memberikan
prediksi geometri akhir dari komponen hasil proses stamping (press). Dengan
berbagai perangkat lunak berbasis MEH non-linier yang secara komersial sudah
tersedia seperti ABAQUS, ANSYS, NASTRAN, LUSAS, COSMOS mampu
memprediksi hasil setelah komponen press dikeluarkan dari cetakannya dan
mengalami springback akibat alamiah sifat logam yang elastik.
Untuk keperluan modifikasi alat cetak, siswanto (2001) sudah mengembangkan
suatu ”SB-SF Algorithm” yang digunakan untuk membalik kondisi springback
yang pasti selalu terjadi dan dijadikan koreksi pada bentuk geometri alat cetak
(toolingdies) nya.
Dengan adanya algoritma SB-SF, secara fundamental, cara modifikasi tooling dies
mengalami perubahan dari sekedar trial and error menjadi sepenuhnya
berdasarkan prediksi geometri, seperti ilustrasi Gbr. 5. Pada Gbr. 5(a) apabila
terjadi kesalahan maka perubahan dilakukan menggunakan CAD berdasarkan
informasi visual dan perkiraan mengenai geometri yang perlu dimodifikasi.
Pengalaman dan intuisi teknik sangat diperlukan dalam proses ini. Pada Gbr. 5(b)
6
penggunaan algoritma SB-SF secara teori mampu menghasilkan bentuk part yang
secara virtual mengalami springforward, sehingga bila modifikasi surface die
yang baru mengikuti hasil springforward, maka hasil proses press dengan surface
baru hasil madifikasi akan menghasilkan ketepatan geometri karena springback
sudah diakomodasi.
(a)
(b)
Gbr. 5. Pemanfaatan SB-SF Algoritm untuk optimisasi tooling dies.
Permasalahan yang timbul adalah transformasi hasil springforward
menjadi upper dan lower surfaces dalam bentuk meshing elemen hingga yang siap
digunakan untuk analisis, sehingga pada Gbr. 5(b) bisa digunakan. Pada gambar
7
tersebut masih digunakan garis putus-putus karena belum bisa langsung
diterapkan surface baru upper dan lower dies harus mempunyai gap yang seragam
di semua bagian permukaan.
Secara translasi, memindahkan semua nodal elemen hingga dapat memperoleh
hasil yang akurat apabila komponen press tidak mempunyai bentuk yang rumit
dan tidak banyak lingkungan. Namun demikian, apabila bentuk komponen rumit
maka upper dan lower dies tidak akan mempunyai gap yang seragam, bahkan
benar-benar berhimpit (Gbr. 6), sehingga tidak akan menghasilkan komponen
yang bagus, tetapi menyebabkan robeknya komponen akibat pelat logam yang
berada ditengahnya terjepit. Gambaran gap yang gagal mempertahankan jarak
konstan dilukiskan pada Gbr. 7.
Gbr. 6. Translasi elemen dan nodal, menghasilkan gap antara yang tidak konstan.
8
Gap seharusnya
Gap yang diperoleh
Gbr. 7. Gap yang terjadi antara upper dan lower surfaces.
Berdasarkan kegagalan proses elemen meshing pada turunan upper dan lower dies,
maka ada dua masalah yang sangat perlu dipikirkan agar hasil springforward
dapat diterapkan secara langsung, apabila kemampuan pembentukan analitical
surface yang sudah memiliki semua informasi elemen hingga, baik nodal maupun
elemen. Perlu adanya suatu algoritma komputasi yang secara fundamental mampu
mengatasi dua permasalahan yang ada.
Dua masalah tersebut adalah:
a. Apabila menggunakan translasi konvensional searah dengan arah gerak
alat cetaknya, maka gap yang terbentuk antara upper dan lower dies tidak
akan konstan seperti pada Gbr. 6 dan Gbr. 7.
b. Apabila menggunakan translasi normal di semua permukaan terhadap
seluruh nodal elemen, maka upper dan lower surface yang terbentuk
memiliki gap yang konstan, memiliki jumlah elemen yang sama namun
demikian jumlah nodal tidak sama dengan hasil akhir proses
springforward. Kondisi elemen hingga yang tesusun di setiap arah normal
9
berbeda menjadi split (berpisah) dan secara numerik akan menyebabkan
discontinuity.
Terjadi pemisahan elemen
Nodal elemen
Proses translasi
Garis elemen
`
Gbr. 8. Pemisahan elemen (split) terjadi saat translasi normal disetiap elemen.
1.3. Batasan Masalah
Pada penelitian yang akan dilakukan ada beberapa asumsi digunakan serta
batasan masalah yang ada.
Asumsi dan definisi secara konsisten akan digunakan, meliputi :
a) Proses sheet metal forming yang dimaksud dalam konteks
usulan
penelitian ini merupakan proses dingin (cold process) dimana tidak
ada keterlibatan pemanasan tambahan.
b) Seluruh proses press (stamping) menggunakan alat cetak padat bukan
dari bahan yang bisa mengalami deformasi karena lunak (deformable
rigid tools).
c) Peristiwa springback yang dimaksud terjadinya karena sifat elastik dari
pelat logam yang digunakan, serta springback tidak terjadi beberapa
kali setelah dilewatinya daerah deformasi plastik. Setelah mengalami
deformasi plastik dan terjadi springback maka sheet metal yang
dibentuk akan terdeformasi secara permanen.
Sedangkan batasan masalah pada penelitian, mencakup beberapa hal:
10
a) Elemen hingga yang dipertimbangkan untuk dilakukan translasi adalah
dari katagori elemen cangkang (general shell) tiga dimensi dengan satu
lapisan. Hasil yang diperoleh, konsekuensinya juga berupa elemen
cangkang dengan satu lapisan.
b) Apabila elemen hingga blank sheet merupakan elemen solid tiga
dimensi, translasi upper digunakan bagian atas (upper side) dari
elemen solid, dan translasi lower digunakan bagian bawah (lower side)
elemen solid.
1.4. Tujuan Penelitian
Penelitian ini mempunyai fokus pada pengembangan proses optimasi alat
cetak komponen sheet metal forming, sehingga secara fundamental akan
mengalami perubahan dengan adanya kemampuan tambahan yang bisa
memanfaatkan hasil simulasi numerik berbasis metode elemen hingga, untuk
perbaikan secara langsung ke surface alat cetak press.
Secara spesifik dalam penelitian ini bertujuan:
a. Pengembangan algoritma numerik yang bertujuan memanfaatkan hasil
springforward secara langsung untuk menghasilkan upper dan lower
dies dalam bentuk elemen hingga lengkap dengan nodal-nodalnya,
serta mempunyai gap antara yang konstan.
b. Memperkenalkan
suatu
metode
optimasi
alat
cetak
untuk
menghasilkan hasil yang akurat sesuai dengan rencana desain dengan
cara konpensasi springback. Springback tidak dihilangkan tetapi
diakomodasi dengan perubahan alat cetak.
DAFTAR PUSTAKA
, 1997, ABAQUS/Standard-Implicit User's Manual V.5.7, Hibbit Karlson
and Sorenson (HKS) Inc.
, 2005, Motorcycle Manufacturer in Asia Pusific, Industry Profile,
Datamonitor, Reference code 0200-0403, December.
, 2005, Motorcycle Manufacturer in the United Kingdom Industry Profile,
Datamonitor, Reference code 0183-0403, December.
, 2005, Motorcycle Manufacturer in Japan, Industry Profile, Datamonitor,
Reference code 0104-0403, December.
, 2003, Data Gaikindo, Jawa Pos, December.
Ahmetoglu, M.; Broek, T.R.; Kinzel, G.; Altan, T., "Control of Blank Holder
Force to Eliminate Wrinkling and Fracture in Deep-Drawing Rectangular
Parts", Annals of the CIRP Vol.44, No. 1, 1995.
Dalin, J.B., Onate, E.,"An Automatic Algorithm for Contact Problems:
Application to Sheet Metal Forming", Proc. The 3`d International
Conference on Numerical Methods in Industrial Forming Processes, Editor
E.G. Thompson, Fort Collins, Colorado, 1989.
Du, C.; Zhang, L.; Wu, L., "A New Algorithm for Die Surface Development in
Sheet Metal Forming", Cray Channels, V.18, No, l, pp. l 1-13, 1996.
Fallbohmer, P.; Altan, T.; Tonshoff, H.-K.; Nakagawa, T., "Survey of the Die and
Mold Manufacturing Industry - Practices in Germany, Japan and the
United States", Journal of Materials Processing Technology, V.59, pp.
158-168, 1999.
He, N.; Wagoner, R.H., "Springback Simulation in Sheet Metal Forming",
NUMISHEET96, pp.308-31 5, 1996.
.Honecker, A., Mattiasson, K.,"Finite Element Procedures for 3D Sheet Forming
Simulation", Proceeding 1VIJMIFORM'89, pp.457-463, Balkema, 1989.
Jung, D.W.; Yoo, D.J.; Yang, D.Y., "A Dynamic Explicit Rigid-Plastic Finite
Element Formulation and Its Application to Sheet Metal Forming
Process", Engineering Computations, V.12, pp.707-722, 1995.
Jung, D.W., "Study of Dynamic Explicit Analysis in Sheet Metal Forming
Processes Using Faster Punch Velocity and Mass Scaling Scheme",
Journal of Materials Engineering and Performance, V.7, pp.479-490, 1998.
Karafillis, A.P.; Boyce, M.C., "Tooling Design in Sheet Metal Forming Using
Springback Calculation", Int.J.Mech.Sci, Vol.34, No.2, pp. l 13-131, 1992.
Karafillis, A.P.; Boyce, M.C., "Tooling and Binder Design for Sheet Metal
Forming Processes Compensating Springback Error", Int.J.Mach.Tools
Manufact. Vol.36, No.4, pp.503-526, 1996.
Karafillis, A.P., "Tooling Design for Three Dimensional Sheet Metal Forming
Using Finite Element Analysis", Ph.D. Thesis, Dept. Mechanical
Engineering, MIT, 1994.
Kawka, M.; Kakita, T.; Makinouchi, A., "Simulation of Multi-Step Sheet Metal
Forming Processes by a Static Explicit FEM Code", Journal of Materials
Processing Technology, V.80-81, pp. 54-59, 1998.
Key, S.W., Kreig, R.D., Bathe, K.J.,"On the Application of the Finite Element
Method to Metal Forming Process", Computational Methods in Applied
Mechanics and Engineering, V.17/18, pp.597-608, 1979.
Kuwabara, T.; Takahashi, S., "Optimum Process Design Simulator for 2-Stage UBending Considering Springback", Proc. Japanese Spring Conference for
technology of Plasticity, Japan, 1998.
Majlessi, S.A.; Lee, D., "Analysis of Multi-Stage Sheet metal Forming Processes",
Proc. North American Manufacturing Research Conference Vol.15
(NAMRC-XV), pp.330-334, 1987.
Majlessi, S.A.; Lee, D., "Further Development of Sheet Metal Forming Analysis
Method", Transaction of ASME, Vol.109 November, pp.330-337, 1987.
Majlessi, S.A.; Lee, D., "Development of Multistage Sheet Metal Forming
Analysis Method", J. Mater. Shaping Technology, Vol.6, No. 1, pp.41-54,
1988.
Makinouchi, A. (editor), Proc. of the 2°d International Conference
NUMISHEET'93: Numerical Simulation of 3-D Sheet Metal Forming
Processes - Verification of Simulation with Experiment, Isehara, Japan,
1993.
Makinouchi, A., "FEM Simulation and Its Related Technology in Sheet Metal
Forming", Journal of the Japan Society for Technology in Sheet Metal
Forming, V.40, No.5 No.460, pp. 12-21, 1999.
Makinouchi, A.,"Sheet Metal Forming in Industry", Journal of Materials
Processing Technology, V.60, pp. 19-26, 1996.
Makinouchi, A.; Teodosiu, C.; Nakagawa, T., "Advance in FEM Simulation and
its Related Technologies in Sheet Metal Forming", CIRP Annals
Manufacturing Technology, V.47, No.2, pp.641-649, 1998.
McLennan, M.; Cardew-Hall, M.; Kalyanasundaram, S., "Simulation and
Optimisation of Automotive Sheet Metal Forming", ABAQUS Users'
Conference, Milan June 3-6, Italy, 1997.
Nakamachi, E.; Huo, T., "Dynamic-Explicit Elastic Plastic Finite Element
Simulation of Hemispherical Punch Drawing of Sheet Metal", Engineering
Computations, Vol.13, No.2/3/4, pp.327-338, 1996.
Narasimhan, N.; Lovell, M., "Predicting Springback in Sheet Metal Forming: An
Explicit to Implicit Sequential Solution Procedure", Finite Elements in
Analysis and Design, V.33, pp.29-42, 1999.
Nagtegaal, J.C.,L.M. Taylor, "Comparison of Implicit and Explicit Finite Element
Methods for Analysis of the FE-Simulation of 3D Sheet Metal Forming
Processes", Automotive Industry Conference, VDI Verlag, Dusseldorf,
1991.
Prior, A.M.,"Applications of Implicit and Explicit Finite Element Techniques to
Metal Forming", Journal of Materials Processing Technology, V.45,
pp.649-656, 1994.
Riyadi; T.W. B.; Siswanto, W.A., "The Use of ABAOUS for Teaching
Development of Cavity Defect in Forward Extrution Processes",
Manuscript has been reviewed accepted for publication in International
Journal of Mechanical Engineering Education (IJMEE), 2007.
Rebelo, N., Nagtegaal, J.C., Hibbit, H.D.,"Practical Aspects of Modelling Sheet
Forming Processes". Proc. The 3rd International Conference on Numerical
Methods in Industrial Forming Processes, Editor E.G. Thompson, Fort
Collins, Colorado, 1989.
Shu, J.; Hung, C., "Finite Element Analysis and optimization of Springback
Reduction: The Double Bend Technique", Int. J. Mach. Tools
Manufacturing., Vol.36, No.4, pp.423434, 1996.
Siswanto, W.A., "Numerical Simulation of S-Rail Sheet Metal Forming by a
Combination of Explicit and Implicit Finite Element Methods", Journal of
Materials Processing Technology.
Siswanto, W.A.; Tomas, J.A.; Mahdavian, S.M., "Numerical Optimisation of
Tooling Geometry in Sheet Metal Forming", COMPUMOD 13 rd
Australasian Conference, pp.22-1 - 22-26, Melbourne, 1999.
Siswanto, W.A.; Tomas, J.A.; Mahdavian, S.M., "Tooling Geometry Optimisation
in Sheet Metal Forming Using Springforward Simulation", Forth
International Iranian Society of Mechanical Engineers, Proc. ISME2000,
Paper E4168, Tehran, 2000.
Siswanto, W.A., "Benefits of Computer Sismulations to Indonesian Automotive
Companies",
Journal
Teknik
GELAGAR
(terakreditasi),
No.01/Vo1.9/April, pp.4853. ISSN 0853-2850,1998.
Siswanto, W.A., "Development and Verification of General Purpose
Springback/Springforward User Materials for Tooling Design
Optimisation",
Journal
Teknik
GELAGAR
(terakreditasi),
No.02/Vo1.10/Oktober, pp.85-102, ISSN 0853-2850,1999.
Siswanto, W.A., "Numerical Simulation of S-Rail Sheet Metal Forming by Finite
Element Methods", Journal Teknik GELAGAR (terakreditasi),
No.02/Vol.12/April, pp.7280. ISSN 0853-2850,2001.
Supriyono; Aliabadi, M.H. ,"Boundary Elemen Method for Shear Deformable
Plates with Combined Geometric and Material Nonlinearities",
Engineering Analysis with Boundary Elements, Vol 30, pp.31-42., 2006
Supriyono; Aliabadi, M.H., "Analysis of shear Deformable Plates with Combined
Geometric and Material Nonlinearities by Boundary Element Methods",
International Journal of Solid and Structures, Vo144, pp. 1038-1059., 2007
Tai, H.; Sugimoto, T.; Igaki, K.; Arnaudeau, F.; Winkelmuller, G., in
NUMISHEET'93 Conference, edited by Makinouchi, Isehara, Japan, 1993.
Takahashi, S., "State of the Art of Sheet Metal Forming Simulation Technology",
Journal of the Japan Society for Technology in Sheet Metal Forming, V.40,
No.5 No.460, pp.52-56, 1999.
Taylor; Cao; Karafillis, A.P.; Boyce, M.C., "Numerical Simulations of Sheet
Metal Forming", J. Mater. Proc. Tech., Vol.50, pp. 168-179, 1995.
Teeparthi, S.; Gandikota, V.; Madhavan, V.; Hooper, S., "Multistage Sheet Metal
Forming with Intermediate Annealing: Comparison of Finite Element
Simulations with Experiments", SAE Tehnical Paper Series No. 1999-011560, 1999.
Tufekci, S.S.; Wang, C.T.; Kinzel, G.L.; Altan, T., "Estimation and Control of
Drawbead Forces in Sheet Metal Forming", SAE No.940941, 1994.
Tozawa, Y.,”Forming Technology for raising the Accuracy of Sheet-Formed
Products”, Journal of Materials Processing Technology, V.22, pp. 343-351,
1990.
Umehera, Y., “Technologies for the More Precise Press Forming of Automobile
Parts”, Journal of Materials Processing Technology, V.22, pp. 239-256,
1990.
Webb, R.D., “Spacial Frequency Based Closed-Loop Control in Sheet Metal
Forming”, Ph.D. Thesis, Dept. Mechanical Engineering, MIT, 1987.
Wu, L.; Du, C,; Zhang, L., “Iterative FEM Die Surface Design to Compensate for
Springback in Sheet Metal Stamping”, Simulation of Materials Processing:
Theory Methods, and Applications, NUMIFORM-95, pp.637-641, 1995.
Wu, L.,:Generate Tooling Mesh by FEM Virtual Forming Model for Springback
Compensation in Die Surface Design of Sheet Metal Stamping”, SAE
paper No.960592, pp.11-17, 1996
Wu, L,.”Tooling Mesh Generation Technique for Iterative FEM Die Surface
Design Algoritm to Compensate for Springback in Sheet Metal Stamping:,
Engineering Computation, Vol.14, No.6, pp.630-648, 1997.
Xu, Z.; Yuanping, W. Y.; Jun, C.; Lingshou, Z.; Xueyu, R,. “CAE Analysis of
Multi-Stage Forming Processes of Complicated Automobile Part”, journal
of Shanghai Jiaotong University, Vol.33, No.2, pp.170-173, 1999.
Yuanping, .; Xin, Jinahua, F.; Weilong, Z,. “Computer Simlation For Multi Stage
Sheet Metal Forming Processes”, Journal of Shanghai Jiaotong University,
Vol.33 No.2, pp.224-246, 1999.
PENGEMBANGAN ALGORITMA
”VECTOR TOOLING MESH GENERATION”
UNTUK MENGHINDARI DISTORSI GEOMETRI
PADA SHEET METAL FORMING
Disusun Oleh :
Ir. Supriyono, M.T., Ph.D.
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA
SEPTEMBER 2008
RINGKASAN DAN SUMMARY
Paradigma desain alat cetak pelat dengan teknik sheet metal forming saat ini
mengikuti pola konvensional bahwa untuk mencapai target bentuk pelat yang di
press, maka alat cetak mengikuti pola geometri bentuk pelat yang direncanakan.
Namun demikian selama pelat yang digunakan dari bahan logam yang secara alamiah
mempunyai sifat elastik, maka hasil cetakan press setelah dilepas dari alat cetak tidak
akan sesuai dengan target karena selalu terjadi distorsi geometri akibat springback,
yaitu kecenderungan kembali kebentuk semula mengikuti karasteristik sifat elastik
bahan.
Penelitian ini akan fokus pada pemberian kemampuan pada algoritma desain
optimasi surface alat cetak yang tidak berdasarkan target geometri, tetapi akan
menghasilkan hasil cetakan yang akurat sesuai target. Oleh karena itu perlu adanya
suatu algoritma yang memungkinkan melakukan koreksi surface agar menghasilkan
hasil cetakan yang sesuai dengan target desain walaupun springback terjadi.
Pendekatan penelitian dimulai dengan pendefinisian non-uniform vector
translation yang secara teori akan dapat menghasilkan dua permukaan dengan jarak
antara yang selalu konstan. Permasalahan yang ada yaitu diskontinuitas elemen dan
terpisah (split) elemen sehingga menyebabkan kegagalan pemanfaatan surface untuk
analisis lanjutan berbasis elemen hingga atau elemen batas, akan dipecahkan dengan
pendekatan model matematik secara bertahap. Permasalahan mengenai diskontinuitas
akan dicari penyelesaian terlebih dahulu sebelum mengatasi masalah split elemen.
Setelah algoritma mesh generation didefinisikan, akan dilanjutkan dengan
pengembangan prosedur dan rutin sebagai sarana simulasi dan uji terhadap beberapa
kasus yang mungkin muncul, dimulai dari horisontal, miring, dan yang ekstrim
kemiringan 90 derajat sebelum diuji kebentuk rumit gabungan ketiganya.
Validasi eksperimental akan dilaksanakan dalam penelitian ini dengan
manufacturing hasil uji simulasi numerik dan dilakukan pengukuran. Perbaikan
ii
algoritma, prosedur dan rutin simulasi akan mengakomodasi kendala fisik yang ada
bila diperlukan. Hasil validasi akan memberikan keyakinan sebelum kajian awal
penerapan lanjutan untuk aplikasi di dunia industri masa datang.
Selain penelitian ini menargetkan menghasilkan suatu algoritma baru dalam
mesh generation yang akan merubah paradigma desain masa datang, publikasi di
jurnal nasional maupun internasional kan dilakukan.
Penelitian ini dilakukan dengan mensimulasikan proses stamping dengan
program ABAQUS 6.5-1, simulasi dilakukan dengan menggunakan empat model
yang berbeda, sehingga didapatkan koordinat masing-masing model saat forming dan
springback pada blank, koordinat blank dapat diketahui dari nodal atau elemen pada
blank, sehingga dapat diketahui besarnya nilai springback, yang kemudian akan
digunakan sebagai nilai yang digunakan untuk memodifikasi bentuk atau geometri
die atau punch yang lama menjadi bentuk die dan punch yang baru, sehingga setelah
terjadi springback target sesuai yang diinginkan.
Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa simulasi pada setiap model
terjadi springback yang berbeda-beda sesuai dengan kondisi permukaan dari die atau
punch. Springback dapat diatasi dengan memodifikasi bentuk die atau punch yang
lama menjadi bentuk die dan punch yang baru dengan memanfaatkan informasi
springback. Transformasi nodal atau elemen adalah suatu metode untuk mendapatkan
permukaan die atau punch yang baru
iii
DAFTAR ISI
HALAMAN PENGESAHAN.......................................................................
i
RINGKASAN DAN SUMMARY.......................................................
ii
PRAKATA ......................................................................................................
iii
DAFTAR TABEL ..........................................................................................
iv
DAFTAR GAMBAR......................................................................................
v
DAFTAR LAMPIRAN ..................................................................................
vi
BAB I. PENDAHULUAN ...........................................................................
1
1.1. Latar Belakang ..........................................................................
1
1.2. Perumusan masalah ...................................................................
5
1.3. Batasan Masalah ........................................................................
9
1.4. Tujuan Penelitian ......................................................................
10
TINJAUAN PUSTAKA.................................................................
11
BAB III METODE PENELITIAN ..............................................................
25
3.1. Rancangan Penelitian .................................................................
27
a. Pemodelan Matematik ...........................................................
27
b. Simulasi dan Uji Numerik dengan Kasus .............................
28
c. Validasi Experimental ...........................................................
29
BAB IV HASIL SIMULASI DAN PEMBAHASAN ..................................
31
4.1. Studi Tentang Springback ..........................................................
31
a. Simulasi Model 1 .................................................................
31
BAB II
iv
b. Simulasi Model 2 .................................................................
37
c. Simulasi Model 3 .................................................................
40
d. Simulasi Model 4 .................................................................
44
4.2. Identifikasi nodal atau elemen yang mengalami pergeseran......
48
a. Menampilkan koordinat nodal target ...................................
48
b. Menampilkan koordinat nodal yang mengalami springback
48
c. Melakukan perbandingan untuk setiap nodal.......................
48
d. Teridentifikasi nodal atau elemen mengalami pergeseran ...
48
4.3. Algoritma untuk Mesh Generation ...........................................
49
a. Aplikasi algoritma untuk mesh generation untuk model 1 ..
50
b. Aplikasi algoritma untuk mesh generation untuk model 2 ..
53
c. Aplikasi algoritma untuk mesh generation untuk model 3 ..
56
d, Aplikasi algoritma untuk mesh generation untuk model 4 ..
59
BAB V PENUTUP .......................................................................................
63
5.1 Kesimpulan ...............................................................................
63
5.2 Saran ..........................................................................................
63
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
v
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.. Beberapa proses Sheet Metal Forming..........................................
1
Gambar 2. Ramalan Produksi Sepeda Motor...................................................
2
Gambar 3. Biaya Rata-rata Produksi die..........................................................
3
Gambar 4. Metode Pendekatan modifikasi dies...............................................
4
Gambar 5. Pemanfaatan SB-SF Algoritm untuk Optimasi Tooling Dies ........
6
Gambar 6. Translasi Elemen dan Nodal ..........................................................
7
Gambar 7. Gap yang terjadi antara Upper dan Lower Surface ........................
8
Gambar 8. Pemisahan Elemen (Split) ..............................................................
9
Gambar 9. Proses Springback dan Springforward...........................................
14
Gambar 10. Konsep Optimasi dengan perhitungan Springforward.................
15
Gambar 11. Hasil Benchmarking Algoritm SB-SF dengan Built-in ABAQUS
16
Gambar 12. Kegagalan Pembentukan Punch dan Die ....................................
17
Gambar 13. Teknik Translasi Elemen .............................................................
19
Gambar 14. Diagram Alir Algoritma ITE dan ETE.........................................
20
Gambar 15. Permasalahan belum tersedianya Algoritma Untuk pemanfaatan
Springforward ..............................................................................
24
Gambar 16. Diagram Alir Peran Simulasi Numerik dan Experimental...........
27
Gambar 17. Penghilangan Split Elemen ..........................................................
29
Gambar 18. Diagram Rancangan Penelitian ....................................................
32
vi
Gambar 19. Target Model 1 .............................................................................
33
Gambar 20. Visualisasi Proses Forming Model 1 ...........................................
34
Gambar 21. Visualisasi Springback Model 1...................................................
34
Gambar 22. Overlay antara proses Forming dan Springback model 1 ............
35
Gambar 23. Overlay antara proses Forming dan Springback yang diperbesar
35
Gambar 24. Posisi nodal-nodal pada Blank .....................................................
35
Gambar 25. Grafik perbandingan antara Forming dan Springback pada........
Model 1 sebelum modifikasi bentuk Die atau Punch ...................
36
Gambar 26. Target model 2 .............................................................................
37
Gambar 27. Proses Forming Model 2 ..............................................................
37
Gambar 28. Fenomena Springback Model 1....................................................
38
Gambar 29. Hasil Overlay proses Forming dan Springback. .........................
38
Gambar 30. Posisi nodal-nodal pada Blank. ....................................................
39
Gambar 31. Grafik perbandingan antara Forming dan Springback pada........
Model 2 sebelum modifikasi bentuk Die atau Punch. ..................
40
Gambar 32. Dimensi dari target Die ................................................................
40
Gambar 33. Proses forming pada model 3........................................................
41
Gambar 34. Fenomena Springback pada model 3 ...........................................
42
Gambar 35. Hasil penggabungan (overlay) antara proses Forming dan .........
Springback pada model ..............................................................
42
Gambar 36. Posisi nodal-nodal pada Blank .....................................................
43
vii
Gambar 37. Grafik perbandingan antara forming dan springback pada ….....
Model 3 sebelum modifikasi bentuk die atau punch.....................
44
Gambar 38. Dimensi Target.............................................................................
44
Gambar 39. Proses Forming pada model 4......................................................
45
Gambar 40. Springback pada model 4 .............................................................
45
Gambar 41. Overlay dari Forming dan Springback model 4...........................
46
Gambar 42. Overlay dari Gbr. 41 yang diperbesar ..........................................
46
Gambar 43. Posisi koordinat Blank..................................................................
46
Gambar 44. Grafik perbandingan antara forming dan Springback pada..........
Model 4 sebelum modifikasi bentuk Die/ Punch........................
47
Gambar 45. Algoritma optimasi Mesh Generation..........................................
49
Gambar 46. Dimensi target model 1 ................................................................
50
Gambar 47. Dimensi target model 1 setelah modifikasi ..................................
50
Gambar 48. Simulasi Forming pada model 1 setelah modifikasi betuk Die....
51
Gambar 49. Simulasi springback pada model 1 setelah modifikasi bentuk Die
51
Gambar 50. Grafik perbandingan antara Forming dan Springback pada .......
model 1 setelah adanya modifikasi bentuk Die...........................
52
Gambar 51. Bentuk target model 2...................................................................
53
Gambar 52. Dimensi target model 2 setelah modifikasi..................................
53
Gambar 53. Forming pada model 2 setelah modifikasi bentuk Die…………..
54
Gambar 54. Simulasi Springback model 2 setelah modifikasi bentuk die…...
54
viii
Gambar 55. Grafik perbandingan antara Forming dan Springback pada .......
model 2 setelah adanya modifikasi bentuk die…………………
55
Gambar 56. Dimensi target model 3…………………………………………
57
Gambar 57. Simulasi forming model 3 setelah mengubah dimensi Die……
57
Gambar 58. Simulasi Springback model 3 setelah mengubah dimensi Die.....
57
Gambar 59. Grafik perbandingan antara Forming dan Springback pada
Model 3 sesudah modifikasi bentuk Die atau Punch...................
58
Gambar 60. Dimensi target model 4...............................................................
59
Gambar 61. Menunjukkan Ilustrasi Koordinat Blank.....................................
59
Gambar 62. Menunjukkan ilustrasi koordinat Die...........................................
60
Gambar 63. Dimensi target (Die) setelah dilakukan modifikasi.....................
60
Gambar 64. Simulasi Forming Model 4 setelah mengubah dimensi Die……
61
Gambar 65. Simulasi Springback model 4 setelah memodifikasi ukuran
Punch dan Die…………………………………………….......
61
Gambar 66. Grafik perbandingan antara Forming dan Springback pada
model 4 setelah modifikasi bentuk Die…………………….
ix
62
DAFTAR TABEL
Tabel 1. Tabel koordinat Blank pada model 1 sebelum modifikasi Die ..........
36
Tabel 2. Koordinat nodal Blank model 2 sebelum modifikasi bentuk.............
39
Tabel 3. Koordinat nodal Blank model 3 sebelum modifikasi bentuk Die.......
43
Tabel 4. Tabel koordinat Blank model 4 sebelum modifikasi bentuk Die.......
47
Tabel 5. koordinat Blank model 1 setelah modifikasi bentuk Die ...................
52
Tabel 6. Koordinat Blank model 2 setelah modifikasi bentuk Die ..................
55
Tabel 7. Koordinat Blank setelah transformasi nodal ......................................
58
Tabel 8. Koordinat Blank setelah transformasi nodal ......................................
62
x