BAB III METODOLOGI 3.1 Umum - Desain Dan Pengecoran Runner Propeller Berbahan Kuningan (60% Cu / 40% Zn) Untuk Turbin Air Berdaya 118 W Dan Debit 12 L/S Dengan Cetakan Pasir

BAB III METODOLOGI

3.1 Umum

Runner propeller yang akan dibuat harus didesain sesuai dengan perhitungan yang

berdasarkan ketentuan di dalam literatur dan nilai perencanaan. Perhitungan dilanjutkan dengan penggambaran desain sebelum proses pembuatan dimulai.

Proses pembuatan dijabarkan dalam diagram alir berikut : Mulai

Gambar teknik desain Pembuatan pola

Pembuatan cetakan Peleburan dan penuangan logam

Pengeluaran dan pembersihan produk

Finishing

Pembuatan lubang poros dan lubang baut Pembuatan pasak dan poros

Pemasangan baut dan poros Selesai

Gambar 3.1 Diagram alir proses pembuatan

Cetakan pasir yang digunakan merupakan campuran pasir silika, lempung bentonit dan air. Ketiga bahan tersebut dicampur menurut komposisi masing

– masing. Adapun kehalusan butiran silika dan permeabilitas campuran pasir cetak diketahui melalui proses pengujian atau perhitungan teoritis jika pengujian tidak memungkinkan.

Bahan baku yang digunakan ialah kuningan (Cu 60 % / Zn 40 %). Sifat

– sifat materialnya didapatkan melalui uji kekerasan (hardness testing) dan uji tarik (tensile testing ).

3.2 Pembuatan desain

Pembuatan desain dimulai dengan perhitungan dimensi yang diperoleh melalui sebuah program kalkulator yang ditulis dengan bahasa pemrograman C# (C sharp). Untuk melengkapi skripsi ini, perhitungan secara manual terlampir pada Lampiran 6. Perhitungan dilakukan menggunakan rumus

– rumus yang ada di literatur - literatur yang telah dipelajari. Setelah ukuran dimensi didapat, maka dilanjutkan dengan penggambaran desain dengan program AutoCAD 2013.

Adapun desain

– desain yang akan dibahas ialah : desain runner propeller, desain poros dan desain pasak.

3.2.1 Perhitungan dimensi runner propeller

– rumus yang dipergunakan adalah sebagai berikut: a.

Debit air dalam satuan (l/s) :

………………………....………………………...(3-3)

2 )

2 −D b

4.Q 1000.π.(D

Q = 100000.P W.H.η o

= n. D………………..…………………………………………….(3-2) c. Kecepatan aliran air dalam satuan (m/s) :

Diameter dalam atau boss dalam satuan meter (m) : D

3 b.

Rumus

..................................................................................... (3-1) Keterangan : rumus ini dipakai untuk mencari nilai P dan h

melalui program kalkulator dengan cara trial and error hingga didapatkan nilai Q yang mendekati 12 l/s. W bernilai 9810 N/m d.

Rasio aliran air :

V f

……………….…………………………….……...………(3-4) ψ =

√2.g.H

2 Keterangan : g bernilai 9,81 m/s e.

Kecepatan tepi (rim) diameter boss dan diameter luar dalam (m) :

π.D .N b

u = ………………………………………………..…………..(3-5)

60 π.D.N

u =

60 f.

Kecepatan pusaran air (whirl) diameter boss dan diameter luar (m/s) :

n .g.H H

…………….…………………………………………....(3-6) u =

wb 100.u b n .g.H

u =

w 100.u H yang ditentukan harus menghasilkan nilai u wb < u b dan

Keterangan : nilai h nilai u w < u g.

Lebar lengkungan (arc) sudu dalam satuan (m) :

π.D b

………………..………..…………………………………(3-7) w =

b Z π.D

w =

Z h.

Sudut sudu (blade) pada area fluida masuk (inlet) :

V f

…………………….…………………..(3-8) tan (180 − θ ) =

b u −u b wb

V f

tan (180 − θ) =

u−u w i.

Sudut sudu (blade) pada area fluida keluar (outlet) :

V f

………...………………………………….……………(3-9) tan φ =

b u b

V f

tan φ =

u j.

Sudut sudu pemandu pada inlet diameter luar :

V f

………………………..………………………….……(3-10) tan α =

u w

– nilai rencana berikut ditetapkan untuk memulai perhitungan : a.

) 120

Sudut sudu inlet diameter luar ( θ)

151

Sudu outlet dameter boss ( ϕ

b )

Sudu outlet dameter luar ( ϕ)

Kecepatan tepi diameter boss (u b ) 0,44 m/s Kecepatan tepi diameter luar (u) 1,25 m/s Kecepatan pusaran diameter boss (u wb ) 0,04 m/s Kecepatan pusaran diameter luar (u w ) 0,01 m/s Sudut sudu inlet diameter boss (

Sudut pandu inlet diameter boss ( α

)

Sudut pandu inlet diameter luar ( α)

ψ) 0,11

Perbandingan D dan D

Sudut sudu pemandu pada inlet diameter boss : tan α

V f u wb

…………………..……………………...……………(3-11) Nilai

Daya rencana (P) : 118 W b.

Diameter luar (D) :0,16 m c.

Efisiensi total (h

o ) : 50 % d.

b (n) : 0.35 e.

) 0,68 m/s Rasio aliran (

Head (H) : 2 m f.

Putaran sudu (N) :150 rpm g.

Efisiensi hidrolik (η

H ) : 0.1 % h.

Jumlah sudu (Z) : 4 buah

Data hasil perhitungan dimensi runner dapat dilihat pada Tabel 3.1 berikut :

Tabel 3.1 Data hasil perhitungan dimensi runner

Debit (Q) 12,03 l/s Diameter boss (D b ) 0,056 m

Kecepatan air (V

Lebar sudu diameter boss (Wb) 0,04 m Lebar sudu diameter luar (W) 0,12 m Perhitungan diameter poros dilakukan dengan menggunakan rumus

Ketebalan sudu ditetapkan 4 mm dengan alasan bagian produk dengan ketebalan dibawah 4 mm rentan mengalami penghambatan aliran logam cair. Tinggi boss sebesar 80 mm. Diameter lubang poros, diameter lubang baut, dan ukuran jalur pasak akan dibahas pada sub-bab yang berikutnya.

3.2.2 Perhitungan diameter poros dan lubang poros

– rumus berikut : a.

– rata yang diperlukan
– 2,0 Daya maksimum yang diperlukan 0,8
– 1,2 Daya normal 1,0
– 1,5 (Sumber : Lit. 38 Hal: 7) b.

Momen puntir dalam satuan (kgmm) : M

5 .

…………………………………………..........……..(3-14) Keterangan : S f2 bernilai 1,3

1 .

) :

……………………….…..………………………(3-13) c. Tegangan geser izin dalam satuan (kg/mm

P d

= 9,74. 10

Daya transmisi dalam satuan kilowatt (kW) P

1,2

Daya rata

Daya yang akan ditransmisikan f

Tabel 3.2 Faktor koreksi daya (f c ) yang akan ditransmisikan

. P ………………………………………………………..……(3-12)

= f

– 3,0. Nilai kekuatan tarik untuk beberapa jenis bahan baja berstandar JIS dirangkum dalam Tabel 3.3 berikut

5,1 τ a

. K

. C

. M

]

……………………….………..…………….(3-15) Keterangan : C b bernilai 1,2

) dan faktor keamanan bentuk poros (S

). Nilai - nilai tersebut diperoleh dari keterangan

= [

Tabel 3.4 berikut menunjukkan nilai

S50C S40C S45C S50C S55C Penormalan

Tabel 3.3 Data kekuatan tarik ( σ b ) untuk beberapa jenis baja standar JIS

Standar dan jenis Lambang Perlakuan panas

Kekuatan tarik (kg/mm

) Keterangan

Baja karbon konstruksi mesin (JIS G 4501)

(Sumber : Lit. 38 Hal: 3) d. Perhitungan diameter poros dalam satuan (mm) :

66 Batang baja yang di finish dingin

S35C-D S45C-D S55C-D

72 Ditarik dingin, digerinda, dibubut atau gabungannya

– 2,3 Untuk memulai perhitungan diatas ditetapkan nilai
– nilai acuan seperti faktor keamanan bahan (S
– rumus diatas, sementara daya rencana (P) dan nilai putaran poros (N) menggunakan nilai yang telah ditetapkan dalam perhitungan dimensi runner propeller. Untuk kemudahan pembuatan, diameter lubang poros direncanakan sebesar 20 mm sehingga n
– nilai acuan selain P dan N harus disesuaikan agar besar diameter poros dapat mendekati 20 mm.
– nilai penentuan untuk memulai perhitungan dimensi poros :

Tabel 3.4 Nilai penentuan untuk memulai perhitungan dimensi porosTabel 3.5 Data hasil perhitungan dimensi poros

Saat beroperasi, runner propeller dan poros dapat saling bergeser kedudukannya menurut arah perputaran sehingga mengurangi transmisi momen puntir (torque). Untuk mencegah hal ini, digunakan pasak (key).

Berdasarkan perhitungan diatas, diameter poros bernilai 19,97 mm. Untuk kemudahan pembuatan, diameter poros ditetapkan menjadi 20 mm. Kedalaman lubang poros ditetapkan setinggi bagian boss dengan nilai 80 mm.

2 Diameter poros (D p ) 19,97 mm

) 2,94 kg/mm

) 1149,32 kgmm Tegangan geser izin ( τ

Daya transmisi (P d ) 0,177 kW Momen puntir (M

Perhitungan dilakukan dengan menggunakan program kalkulator yang sama. Perhitungan secara manual dilampirkan pada Lampiran 7 untuk kelengkapan skripsi ini. Hasil perhitungan adalah sebagai berikut :

Lambang Nilai Keterangan f c 1,5 Daya transmisi normal N 150 rpm

3 K t 2,5 Tumbukan bertipe besar C b 1,6 Pembebanan lentur diperkirakan ada

6 Material golongan S-C S

2 Material S35C-D

b 53 kg/mm

P 118 W σ

3.2.3 Perhitungan pasak

Gambar 3.2 Lokasi pasak benam segi empat (persegi empat) pada poros (lingkaran)

Pada penelitian ini, dipilih pasak dengan tipe benam segi empat (square sunk

key ). Alasan dipilihnya tipe pasak ini adalah karena pasak ini umum digunakan dan

mudah dibuat.

Perhitungan dimensi pasak ini menggunakan rumus berikut :

d . (3-16) …………………………………………………... w p = t p =

4 Keterangan : d p bernilai 20 mm

Perhitungan dimensi pasak tersebut adalah sebagai berikut :

19,927 w = t = = 4,982 ≈ 5 mm

– Pada kedua ujung pasak direncanakan bentuk setengah lingkaran yang berjari jari 2,5 mm. Panjang pasak ditetapkan 52 mm.

Jalur pasak untuk lubang poros runner propeller direncanakan dengan ukuran sebagai berikut : a. : 5 mm

Lebar

b. : 2,5 mm Kedalaman

c. : 80 mm Panjang

Lubang penempatan pasak pada poros direncanakan dengan dengan ukuran :

a. : 2,5 mm Kedalaman b. : 52 mm (dengan kedua ujung setengah lingkarannya Panjang yang berjari

– jari 2,5 mm)

c. : 5 mm Lebar

3.2.4 Pemilihan baut Baut yang akan digunakan memiliki diameter 7 mm dengan tebal ulir 1 mm.

3.2.5 Penggambaran desain

Desain yang digambar terdiri atas : gambar desain poros, gambar desain runner

propeller dan gambar desain baut. Gambar desain pasak dimasukkan ke dalam gambar

desain poros dan gambar desain runner propeller.

Penggambaran desain runner propeller dimulai dengan penggambaran segitiga kecepatan Kaplan / propeller. Melalui gambar segitiga kecepatan ini bentuk runner

propeller selanjutnya dikembangkan.

Desain runner propeller dan poros tersebut terlampir di Lampiran 3 buku skripsi ini.

Gambar 3.3 Segitiga kecepatan Kaplan / propeller

Penggambaran desain dilakukan dengan ketentuan sebagai berikut :

a. : mm Satuan

b. : 1:1 Skala

c. : A0 Ukuran kertas

3.3 Penentuan bahan baku runner propeller

Logam kuningan (Cu 60 % / Zn 40 %) dipilih sebagai bahan baku pembuatan runner

propeller dengan alasan sebagai berikut : a.

Bersifat mampu cor yang lebih baik dibanding perunggu (Lit. 39 Hal : 41).

Sementara perunggu memiliki sifat mampu cor yang sangat baik seperti besi tuang (Lit. 39 Hal : 7) b.

Ketahanan korosi terhadap air segar dan air asin yang baik (Lit. 39 Hal : 7) sehingga cocok digunakan untuk komponen yang berada di lingkungan yang basah

3.4 Pembuatan pola Pembuatan pola dilaksanakan di bengkel kayu milik Pak Cenung yang berlokasi di Jl.

Sidodame, Medan Barat. Pola yang dibuat memiliki 2 elemen, yakni : boss dan sudu (blade). Boss menjadi elemen pertama yang dibuat dan dilanjutkan dengan pembuatan sudu.

Peralatan dan bahan yang digunakan selama pembuatan pola adalah sebagai berikut : a.

Peralatan i.

Kikir Berfungsi meratakan permukaan pola bagian boss ii.

Mesin jigsaw Mesin ini digunakan untuk memotong plywood meranti untuk membuat pola boss. Mesin jigsaw yang digunakan memerlukan daya 450 W dan bermerek Metabo

Gambar 3.4 Mesin jigsaw iii.

Penggaris dan pena Berfungsi mengukur dan memberi penandaan pada pola iv.

Jangka sorong Berfungsi memeriksa diameter boss saat sedang diratakan dan dihaluskan. Jangka sorong ini memiliki ketelitian 0,05 mm v.

Jangka Berfungsi membentuk bulatan

– bulatan untuk bagian boss pada permukaan kayu bahan baku pola vi.

Mesin bor tangan Memerlukan daya 450 W dan menggunakan diameter bit 1/16 inci.

Berfungsi melubangi permukaan bagian selimut boss untuk menempatkan paku

Gambar 3.5 Mesin bor tangan vii.

Gergaji Berfungsi memotong pipa PVC selama pembentukan pola sudu terpasang b.

Bahan i.

Lem keras

– Berfungsi merekatkan sementara bagian boss dengan bagian sudu sudunya ii.

Plywood meranti

Plywood meranti yang digunakan memiliki ketebalan 20 mm dan

merupakan sisa pemakaian sebelumnya. Plywood ini berfungsi sebagai bahan baku pembuatan pola boss

Gambar 3.6 Potongan plywood meranti berbentuk silinder kecil iii.

Pasta polyester dan bahan perekat Pasta polyester ini dicampur dengan bahan perekat dan kemudian diaduk untuk membuat bahan baku pembuatan sudu master. Pasta ini bermerek Norton dengan volume 350 ml

Gambar 3.7 Kiri ke kanan : pasta polyester dan bahan perekatnya iv.

Kertas karton Berfungsi memberi bentuk sudu pada pasta polyester dalam pembuatan pola sudu master v.

Paku Paku yang digunakan memiliki diameter betis 0,072 inci (4 buah) dan 0,109 inci (3 buah). Berfungsi menyatukan silinder

– silinder kayu kecil dan pola sudu terpasang untuk membangun pola boss vi.

Pipa PVC Berfungsi sebagai bahan pembuatan pola sudu terpasang. Memiliki diameter 6 inci vii.

Lilin Berfungsi melunakkan potongan pipa PVC sehingga mudah dibentuk dengan bantuan pola sudu master

3.4.1 Pembuatan boss Boss dibuat dari lembaran kayu meranti yang telah diolah menjadi plywood.

Langkah

– langkah pembuatannya adalah sebagai berikut : a.

Lingkaran – lingkaran kecil dibuat pada permukaan lembaran kayu meranti dengan diameter boss. Kemudian lingkaran

– lingkaran tersebut dipotong bergiliran menjadi silinder
– silinder dengan menggunakan mesin jigsaw

Gambar 3.8 Pemotongan lingkaran, lingkaran ke 5 tidak dipotong b.

Silinder - silinder yang terpotong kemudian ditumpuk satu sama lain dan kemudian tingginya diukur. Setelah mencapai tinggi boss (silinder kayu yang diperlukan mencapai 4 buah), yakni 80 mm, tumpukan silinder tersebut disatukan dengan 3 buah paku sehingga menjadi sebuah inlet dengan diameter 56 mm dan tinggi 80 mm o c.

dengan penandaan 4 Masing –masing kedua sisi diameter boss dibagi 90 buah garis disetiap permukaan tersebut dengan menggunakan pena, kemudian kedelapan garis yang telah dibuat dihubungkan dengan 4 buah garis yang melewati permukaan selimut boss seperti pada Gambar 3.9 di bawah

Gambar 3.9 Garis pada boss

– garis pembagi sudut 90 d.

Sisi selimut boss dikikir dengan kikir kayu hingga rata dan dihaluskan dengan kertas pasir. Garis

– garis di selimut boss dibiarkan. Selama perataan dan penghalusan, ukuran diameter boss disepanjang selimut terus diperiksa dengan jangka sorong agar tidak ada pengurangan ukuran diameter e.

Posisi sudu ditandai pada selimut boss seperti yang ada di Gambar 3.10 berikut

Gambar 3.10 Garis miring penanda posisi sudu

3.4.2 Pembuatan sudu Pembuatan sudu merupakan bagian dari pembuatan pola yang lebih kompleks.

Pembuatan pola sudu memiliki 2 tahap, yakni : pembuatan pola master berbahan polyester dan pembuatan “pola terpasang” berbahan PVC. Berikut adalah langkah – langkah pembuatannya : a.

“Pola master” dibuat berdasarkan bentuk sudu yang telah didesain. Kertas karton dipotong dengan gunting sesuai dengan bentuk desain sudu dan kemudian dipuntir sehingga menampilkan sudu inlet (dalam) dan sudu outlet (luar) b. Kertas tersebut ditempelkan kesalah satu tanda posisi sudu pada boss dengan menggunakan 2 buah kayu penyangga yang dipakukan pada kedua sisi diameter boss c. Pasta polyester merk Norton dicampurkan dengan bahan perekat diatas sebuah papan kayu. Kedua bahan tersebut diaduk hingga warna orange bahan perekat tidak terlihat lagi d. Campuran polyester tersebut kemudian diberikan diatas kertas tersebut dan diratakan disepanjang permukaannya dengan tebal 4 mm, kemudian ditunggu hingga mengeras

Gambar 3.11 Pola sudu master e.

Empat buah sudu untuk pola terpasang dipotong dari pipa PVC dengan ukuran sudu yang telah didesain, yakni : i. : 44 mm

Arc dalam ii. : 125.7 mm Arc luar iii. : 52 mm

Tinggi

iv. : 90 Sudut lebar arc

Gambar 3.12 Ukuran sudu yang didesain (kiri) dan potongan pipa PVC

(kiri) f. Pola master kemudian dilepas dari boss, kemudian dihaluskan dan ketebalan pinggirnya dikurangi secara manual

Gambar 3.13 “Pola master” yang telah dihaluskan g.

Potongan PVC kemudian dipanaskan dengan api lilin (potongan PVC diposisikan berada diatas api, bukan menyentuhnya) hingga menjadi lunak dan mudah dibentuk. Selama pemanasan potongan PVC dijaga agar tidak meleleh. Setelah dipanaskan, potongan PVC ditekankan secara perlahan kepermukaan atas pola master. Penekanan dilakukan hingga tidak ada celah diantara permukaan PVC dan pola master, selanjutnya PVC dibiarkan mengeras. Jika selama penekanan PVC mengeras lebih awal, maka proses pemanasan harus diulang. Proses ini dilakukan pada keempat potongan PVC yang telah dibuat

Gambar 3.14 Ilustrasi proses pemanasan PVC (kiri) dan proses penekanan

(kanan) h. Pola boss dilubangi sebanyak 4 kali dengan menggunakan mesin bor pada daerah

– daerah yang telah ditandai sebagai tempat sudu, masing – masing tanda diberi sebuah lubang dibagian tengahnya i.

Paku – paku kecil berjumlah 4 buah dipotong ujung tempat pemukulan

– palunya dengan mesin jigsaw, lalu ditancapkan terbalik kedalam lubang lubang kecil yang telah dibuat pada boss j.

Pola – pola sudu PVC yang telah dibuat kemudian dilubangi dibagian tengahnya, kemudian direkatkan dengan lem ke boss sesuai dengan tempat

– tempat yang telah ditandai sehingga didapatkan sebuah pola runner

propeller yang utuh k.

Campuran polyester dan bahan perekatnya kembali disiapkan dengan cara sebelumnya, kemudian campuran tersebut diratakan kedaerah

– daerah titik kontak antara pola sudu dengan boss, kemudian ditunggu hingga mengeras. Tujuan pemberian ini ialah agar campuran tersebut bekerja sebagai perekat sehingga sudu - sudu terpasang kokoh ke boss l.

Campuran polyester tersebut juga diratakan tipis kesepanjang permukaan sudu dengan tujuan menutup bagian

– bagian PVC yang tidak rata setelah proses penekanan dan pengerasan berakhir. Setelah diberikan, campuran polyester dibiarkan mengering m.

Untuk mengantisipasi penyusutan, diameter luar ditingkatkan menjadi 170 mm dengan cara menambah batangan karet pada ujung tiap sudu n.

Campuran polyester yang telah mengering dihaluskan dengan kertas pasir.

Setelah penghalusan selesai, pola runner propeller siap digunakan

Gambar 3.15 Pola runner propeller yang telah selesai dibuat

3.5 Uji kehalusan butiran pasir silika

Pengujian ini dilakukan di Laboratorium Foundry Departemen Teknik Mesin

– Universitas Sumatera Utara. Tujuan dari pengujian ini ialah mendapatkan nilai rata rata kehalusan butiran pasir silika yang akan digunakan, yakni yang berasal dari sungai. Dengan menggunakan mesin pengguncang pasir, pasir disaring oleh saringan (sieve) dari yang bernomor terbesar hingga turun ke saringan bernomor terkecil. Kemudian berat pasir masing
– masing saringan diukur untuk mendapatkan nilai rata – rata kehalusan butirannya. Semakin besar nilai
– rata tersebut, maka semakin halus / kecil butiran pasir tersebut.

Jumlah pasir yang diuji diperoleh dari selisih volume pasir cetak maksimum yang memenuhi flask dengan volume runner propeller. Perhitungan volume pasir cetak maksimum di dalam flask dan volume runner propeller adalah : a.

Volume pasir cetak di dalam flask Ukuran flask direncanakan sebagai berikut : i. f ) : 340 mm

Panjang (p

ii. ) : 340 mm Lebar (l iii. f ) : 100 mm

Tinggi (t iv. f ) : 30 mm Tebal dinding (te

Maka, volume total pasir cetak yang dapat dimuat adalah : V = (p − (2. te )). (p − (2. te )). t

max f f f f f

= (340 − (2.30)). (340 − (2.30)). 100

= 7840000 = 7840 b.

Volume runner propeller Perhitungan volume runner dibagi menjadi : perhitungan volume boss (tanpa lubang poros dan jalur pasak) dan perhitungan volume sudu. Untuk mempermudah perhitungan bagian sudunya, maka dibuat garis

– garis yang menyatakan ukuran sudu perkiraan pada gambar desain sudu runner

propeller . Garis

– garis ini menggambarkan bentuk sudu luar dan boss sebagai sebuah kesatuan, namun ukuran panjang sudu diameter boss dan panjang sudu diameter luar tetap berbeda. Posisi sudu perkiraan pada gambar desain dapat dilihat pada Lampiran 5 dari buku skripsi ini. Perhitungan – perhitungan tersebut ialah : i.

Volume boss

2 D

V = π. ( ) . t

b b

= π. ( ) . 80 = 196940,8 mm = 196,94 ml

2 ii.

Volume sudu perkiraan Ukuran volume sebuah sudu perkiraan dapat dipecah menjadi 2 prisma segitiga dan sebuah balok. Pemecahan ini dimaksudkan untuk mempermudah perhitungan. Setelah ukuran balok dan kedua prisma segitiga tersebut didapatkan, maka ukuran total keempat sudu perkiraan tersebut dapat dihitung. Perhitungan volume balok dan prisma tersebut adalah sebagai berikut :

1. Volume kedua prisma segi tiga :

a .t s s

V = 2. . t

pr pr

47,84 . 52 . 25,9

= 2. = 64430,91 mm = 64,43 ml

2 2. Volume balok

V = p . l . t

bl bl bl bl

= 75,85 . 52 . 25,9 = 102154,78 mm = 102,15 ml

Gambar 3.16 Kiri ke kanan : ukuran boss dan ukuran perkiraan sudu

Dari kedua ukuran volume boss dan sudu diatas, dapat ditentukan ukuran perkiraan total runner propeller tersebut : V = + (4. ( + ))

= 196,94 + (4 . (64,43 + 102,15)) = 863,26 ml Maka, volume pasir silika yang diperlukan untuk pengujian ialah :

silika

max

− = 7840 − 863,26 = 6976,74 ml

Namun, jumlah ini disesuaikan lagi dengan ukuran bejana sehingga dibulatkan menjadi 7000 ml. Untuk mengantisipasi terbuangnya pasir saat pengujian, maka ditambahkan pasir cetak tambahan sebanyak 200 ml sehingga total pasir yang akan diuji ialah 7200 ml.

3.5.1 Alat dan bahan

Peralatan yang digunakan dalam pengujian ini adalah sebagai berikut : a.

Mesin pengguncang pasir Alat ini terdiri dari sebuah mesin dan wadah – wadah yang tersusun vertikal. Wadah

– wadah tersebut masing – masing memiliki saringan dengan nomor

ukuran butiran dari yang paling besar (berada paling atas) hingga yang paling kecil (berada paling bawah) dengan susunan berurutan sebagai berikut :

Tabel 3.6 Nomor saringan mesin uji

Nomor 1,680 1,190 0,841 0,595 0,420 0,297 0,210 0,149

Saringan Nomor

0,105 0,074 0,053 Saringan

Gambar 3.17 Mesin pengguncang pasir

Melalui guncangan yang dihasilkan oleh putaran mesin, pasir yang dituang ke atas saringan akan turun ke bawah. Tiap saringan memisahkan butiran pasir yang cukup besar sehingga pada wadah paling bawah didapatkan butiran pasir yang paling halus. Mesin ini merupakan alat penguji utama b.

Bejana ukur Berfungsi sebagai alat ukur volume pasir yang diuji. Bejana yang dipakai berjumlah 2 buah dengan jumlah volume maksimum yang mampu diukur masing

– masing 1000 ml

Gambar 3.18 Bejana ukur terisi pasir silika c.

Sekop Dipakai untuk memindahkan pasir ke dalam bejana ukur d. Ayakan kecil

Berfungsi menyaring pasir dari batu, plastik dan benda besar lainnya sebelum masuk ke dalam bejana ukur e.

Timbangan geser Berfungsi menimbang berat pasir. Timbangan yang digunakan berjumlah 2 buah masing

– masing dapat mengukur berat maksimal 1 kg dan 25 kg. Keduanya berjenis timbangan geser

Bahan yang dipergunakan adalah sebagai berikut : a.

Pasir silika Berfungsi sebagai spesimen pengujian dengan volume yang diuji sebesar 7200 ml (11.412 gram). Pasir ini berasal dari sungai b.

Plastik dan kertas Berfungsi sebagai sarana penempatan pasir

– pasir yang telah disaring dengan jumlah 11 buah. Pasir – pasir tersebut dipisahkan menurut nomor saringannya masing - masing

3.5.2 Prosedur pengujian

Berikut adalah prosedur pengujian kehalusan butiran pasir ini : a.

Kedua bejana ukur, mesin uji dan kedua timbangan dibersihkan b.

Dengan bantuan sekop dan saringan, pasir silika diisikan ke dalam kedua bejana ukur c.

Mesin uji dihidupkan, kemudian pasir dari kedua bejana dituang ke atas tumpukan wadah bersaringan yang terpasang pada mesin uji secara cepat d.

Mesin uji dibiarkan beroperasi hingga 2 menit setelah penuangan selesai e. Setelah 2 menit, mesin uji dimatikan f. Masing – masing wadah dilepas, kemudian pasir di dalamnya dituangkan ke atas sarana penampungannya masing

– masing. Sarana – sarana penampungan tersebut kemudian diberi nomor saringan yang sesuai dengan pasir yang menempatinya g.

Langkah a hingga f diulangi hingga volume pasir yang telah diuji mencapai mencapai 7200 mL h.

Kedua timbangan disiapkan. Pasir yang sedikit ditimbang pada timbangan 1 kg, sementara yang banyak ditimbang dengan timbangan 25 kg i.

Data – data pengukuran berat dicatat, kemudian persen beratnya masing - masing dihitung j.

Nilai kehalusan butir pasir dihitung dengan menggunakan berat tiap – tiap pasir tersebut

3.6 Uji material

Untuk mengertahui sifat

– sifat material kuningan (Cu 60 % / Zn 40%), dilakukan uji material berupa uji kekerasan dan uji tarik

3.6.1 Uji kekerasan (hardness)

Uji kekerasan dilaksanakan di Laboratorium Metalurgi Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara pada tanggal 12 Maret 2014. Tujuan pengujian kekerasan adalah untuk mendapatkan nilai kekerasan kuningan ( Cu 60 % / Zn 40 %) yang dinyatakan dalam Brinell Hardness Number (BHN).

Alat dan bahan yang dipergunakan selama pengujian adalah sebagai berikut : a.

Alat i.

Mesin uji Brinell

Gambar 3.19 Mesin uji Brinell

Berfungsi sebagai alat penguji. Mesin ini menggunakan bola baja berdiameter 5 mm sebagai indentor atau penetrator untuk spesimen bukan besi (non

– ferrous) dengan beban maksimum 3000 kg. Beban

tersebut diberikan secara hidrolis dengan menggunakan oli. Mesin uji Brinell yang dipakai bermerek Torsee dengan tipe BH-3CF. ii.

Teropong mikro Berfungsi mengukur diameter deformasi yang dihasilkan melalui penekanan indentor terhadap spesimen. Teropong ini memiliki pembesaran maksimum 10 x

Gambar 3.20 Teropong mikro iii.

Spidol permanen Berfungsi menomori spesimen iv. Jangka sorong

Berfungsi mengukur diameter dan tinggi spesimen v. Gelas ukur

Berfungsi sebagai pengukur volume oli yang diperlukan mesin uji Brinell sehingga mampu memberikan beban. Volume ukur maksimum 500 ml b.

Bahan : i.

Silinder kuningan (Cu 60 % / Zn 40 %)

Gambar 3.21 Ketiga silinder spesimen

Berfungsi sebagai spesimen pengujian. Berjumlah 3 buah yang ditandai

– 3. Permukaan yang akan diuji telah dihaluskan sebelumnya dengan kertas pasir di tempat pembelian. Diameter dan tinggi masing
– masing adalah sebagai berikut :

Tabel 3.7 Diameter dan tinggi spesimen

Nomor spesimen

3 Diameter (mm) 32,6 32,4 32,6 Tinggi (mm) 0,97 0,99 0,92 ii.

Oli Berfungsi sebagai pemberi beban hidrolik pada mesin uji Brinell. Oli yang dipakai berjumlah 100 ml. Oli ini bermerek Mesran dengan sertifikasi SAE 20W-50

Prosedur pengujian kekerasan ini adalah sebagai berikut : a.

Setiap spesimen diberi nomor 1-3 dengan menggunakan spidol b.

Oli diisikan ke dalam tangki oli mesin uji Brinell c. Salah satu spesimen diletakkan di landasan spesimen mesin uji Brinell d.

Bola baja indenter ditempatkan menyentuh sebuah bagian permukaan spesimen yang telah dihaluskan e.

Katup tekanan mesin uji Brinell ditutup f. Beban diaplikasikan dengan handle hingga mencapai 500 kg, kemudian ditahan hingga 5 detik g.

Setelah 5 detik, katup tekanan dibuka dan spesimen diambil setelah gauge beban mencapai 0 kg, sekarang pada titik yang tersentuh indenter telah terdapat deformasi berupa kawah kecil h. Langkah d hingga g diulang kembali pada 2 titik lainnya disekitar titik yang terdeformasi tadi i.

Masing - masing deformasi diberi nomor 1-3 disampingnya j. Dengan menggunakan teropong mikro, diameter tiap deformasi diukur dalam satuan mm. Lalu diameter ketiga deformasi tersebut dicatat k.

Langkah b hingga j diulang kembali terhadap kedua spesimen berikutnya

l. Nilai BHN tiap deformasi pada ketiga spesimen tersebut dihitung m.

Nilai BHN rata – rata tiap spesimen dihitung dari ketiga deformasi mereka, kemudian dilanjutkan dengan menghitung nilai BHN rata

– rata akhir dari

BHN rata

– rata tiap spesimen tadi

3.6.2 Pengujian tensil

Pengujian tensil dilaksanakan di Laboratorium Mekanika Teknik Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara pada tanggal 20 Maret 2014. Tujuan diadakannya pengujian ini adalah untuk medapatkan sifat

– sifat material berikut yang dimiliki kuningan (Cu 60 % / Zn 40 %) : a.

Batas luluh (yield point) b.

Kekuatan tarik atau ultimate tensile strength (UTS) c. Penguluran atau elongation d.

Ketangguhan atau toughness Pengujian ini dilakukan terhadap spesimen yang telah dibentuk melalui proses pembubutan dari bentuknya semula yang berupa billet silinder.

Peralatan dan bahan yang digunakan adalah sebagai berikut : a.

Alat i.

Mesin uji tarik Berfungsi sebagai alat penguji tarik. Beban tarik maksimum yang dapat diberikan mencapai 10 tonne force. Mesin ini bermerek Torsee dengan tipe AMU-10. Mesin ini dilengkapi dengan pencatat grafik beban

– perpanjangan yang beroperasi bersamaan dengan berlangsungnya proses penarikan spesimen

Gambar 3.22 Mesin uji tarik ii.

Jangka sorong Berfungsi mengukur dimensi

– dimensi spesimen iii.

Spidol Berfungsi menandai spesimen b.

Bahan i.

Silinder kuningan (Cu 60 % / Zn 40%)

Gambar 3.23 Ketiga spesimen sebelum pengujian

Ketiga silinder ini berfungsi sebagai spesimen pengujian. Ketiganya dibentuk di Laboratorium Teknologi Mekanik Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara melalui proses pembubutan dengan dimensi

– dimensi sebagai berikut :

Tabel 3.8 Dimensi spesimen uji tarik

Urutan spesimen A B C

Diameter pegangan (mm)

12,8 12,9 13,1 Diameter kecil (mm) 9,35 9,10 9,45 Panjang daerah diameter kecil (mm)

55,25 52,30 55,20 ii.

Kertas grafik Berfungsi sebagai tempat mencatat grafik beban

– perpanjangan selama pengujian

Prosedur pengujian tarik ini adalah sebagai berikut : a.

Salah satu spesimen dipasangkan pada bagian pencengkram (chuck) mesin penguji, kemudian sebuah kertas grafik dipasang pada alat pencatat grafiknya

Gambar 3.24 Spesimen terpasang pada pencengkram, siap ditarik b.

Mesin dihidupkan dan pembebanan tarik disetel, pembebanan terus meningkat hingga spesimen putus c.

Pembebanan diakhiri setelah spesimen putus. Kertas grafik dan spesimen diambil untuk dianalisa d.

Langkah a hingga c diulang kembali untuk kedua spesimen berikutnya e. Pertambahan panjang tiap spesimen diukur, kemudian grafik masing – masing dianalisa. Data - data yang diambil dari grafik ialah beban yield, beban maksimum dan beban patah f. Dengan menggunakan data – data yang diperoleh, nilai – nilai tegangan mulur, kekuatan tarik, tegangan patah, persen penguluran dan ketangguhan tiap spesimen dihitung g. Nilai – nilai yang didapat pada poin f kemudian dihitung nilai rata – ratanya

3.7 Perhitungan permeabilitas campuran pasir cetak

Perhitungan permeabilitas dilakukan melalui perhitungan interpolasi menggunakan grafik yang terdapat dalam Gambar 2.26. Hasil yang didapat melalui perhitungan ini bersifat teoritis.

3.8 Proses pengecoran

Proses pengecoran dilakukan di tempat pengecoran milik Pak Sarman yang berlokasi di Jl. Madiosantoso, Medan Barat. Proses ini terdiri atas 3 tahapan : peleburan logam bahan baku, pembuatan cetakan dan penuangan logam cair.

3.8.1 Alat dan bahan

Alat dan bahan yang digunakan selama proses pengecoran logam ini ialah sebagai berikut : a.

Alat i.

Flask kayu Berfungsi sebagai casing cetakan, namun hanya berupa bagian cope saja.

Memiliki ukuran 340 x 340 x 30 dalam milimeter

Gambar 3.25 Flask yang digunakan ii.

Tungku peleburan Alat ini berfungsi melebur logam bahan baku. Jenis tungku ini ialah krus dengan diameter 40 cm. Bahan bakar yang digunakan ialah kayu bakar

Gambar 3.26 Tungku peleburan iii.

Centrifugal Blower Alat ini berfungsi menyalurkan udara ke dalam tungku peleburan selama proses peleburan berlangsung. Diameter saluran udara sebesar 2 inci

Gambar 3.27 Blower yang terpasang dengan tungku iv.

Cawan logam bergagang panjang Cawan ini berfungsi mengambil logam cair dari tungku v. Batangan logam panjang

Alat ini berfungsi memindahkan obyek

– obyek yang berada di tungku selama proses peleburan berlangsung vi.

Pasak kayu Pasak kayu yang dipakai berjumlah 8 buah. Fungsi pasak

– pasak ini ialah sebagai patokan posisi flask

Gambar 3.28 Pasak kayu vii.

Silinder besi Silinder ini dipakai untuk membentuk downsprue pada cetakan.

Memiliki tinggi 220 mm dan diameter 20 mm viii.

Ayakan

– Ayakan digunakan untuk menyaring campuran pasir cetak dari benda benda asing yang berukuran besar seperti plastik dan batu kerikil

Gambar 3.29 Ayakan ix.

Penyembur api Penyembur api ini berbahan bakar LPG (liquid petroleum gas).

Berfungsi untuk mengeringkan cetakan

Gambar 3.30 Penyembur api (kiri) dan tabung gasnya (kanan) x.

Sendok aluminium Sendok ini digunakan untuk menghaluskan bagian dalam cetakan yang baru dibentuk dengan menggunakan pola xi.

Pola Pola digunakan untuk memberi bentuk pada cetakan

Gambar 3.31 Pola xii.

Palu Alat ini dipakai untuk menancapkan pasak ke sekeliling flask dan menyingkirkan bagian

– bagian berlebih yang ada pada runner

propeller yang telah dicor dengan pukulan xiii.

Gergaji logam Gergaji logam digunakan untuk memotong bagian

– bagian runner

propeller yang berlebih

Gambar 3.32 Gergaji logam xiv.

Mesin bubut Mesin bubut digunakan untuk membuat lubang poros pada runner dan membuat porosnya dari batangan baja. Pahat yang

propeller

digunakan ialah high speed steel (HSS). Center yang digunakan ialah 3 buah bit yang masing

– masing berdiameter 5 mm, 12,5 mm dan 20 mm xv.

Tap

Tap digunakan untuk membuat ulir pada lubang baut. Diameternya 7

mm dengan nomor ulir M8. Bahan alat ini ialah HSS

Gambar 3.33 Tap berulir xvi.

Kunci inggris (adjustable wrench) Alat ini dipakai untuk memegang tap selama proses pembuatan ulir

Gambar 3.34 Kunci inggris xvii.

Gerinda tangan Gerinda tangan digunakan untuk meratakan dan menghaluskan permukaan runner propeller xviii.

Kikir Kikir dipakai untuk meratakan permukaan runner propeller yang tidak dapat dijangkau oleh gerinda xix.

Mesin bor Mesin bor bermerek Breda ini digunakan untuk membuat lubang baut pada runner propeller dan membuat lubang pasak pada poros.

Diameter bit yang digunakan ialah 7 mm dan 5 mm

Gambar 3.35 Mesin bor xx.

Mesin skrap Mesin skrap digunakan untuk membuat jalur pasak pada runner

propeller b.

Bahan i.

Geram kuningan Geram kuningan digunakan sebagai bahan baku pembuatan runner

propeller . Geram kuningan ini merupakan hasil pembubutan dari billet

berbentuk silinder. Kuningan tersebut memiliki komposisi 60 % tembaga (Cu) dan 40 % seng (Zn). Warna kuningan ini ialah kuning cerah yang mengindikasikan kandungan seng diantara 35 % - 45 % dengan alotrof (

α+β) (berdasarkan Gambar 2.13). Massa jenisnya 8520

3 [24]

kg/m dan jumlah yang digunakan mencapai 7 kg

Gambar 3.36 Geram kuningan didalam tempat penampungannya ii.

Campuran pasir cetak Campuran pasir cetak digunakan sebagai bahan pembuatan cetakan.

Berat total yang digunakan 12 kg dengan komposisi : 1. pasir silika sungai (10 kg = 83,3 %) 2. bentonit (1 kg = 8,3 %) 3. air (1 l = 1 kg = 8,3 %)

Permeabilitas campuran ini didapatkan melalui perhitungan teoritis,

yang bernilai 84,8 cm /menit. Perhitungan ini dibahas pada Bab IV buku skripsi ini. Campuran pasir ini sudah dipakai lebih dari setahun

Gambar 3.37 Campuran pasir cetak iii.

Potongan kayu Potongan kayu digunakan sebagai bahan bakar tungku peleburan

Gambar 3.38 Tumpukan potongan kayu iv.

Tepung kalsium Tepung kalsium digunakan sebagai zat pemisah sehingga pengambilan pola semakin mudah. Selain itu tepung ini juga digunakan untuk mencegah persentuhan permukaan dalam campuran pasir cetak terhadap zat

– zat lain v.

Air Air digunakan sebagai bahan campuran pasir cetak dan pendingin runner propeller yang baru siap dicor

vi.

LPG

digunakan sebagai bahan bakar penyembur api. Jumlah yang

LPG

digunakan sebanyak 1 tabung 12 kg vii. Kertas pasir

Kertas pasir dipakai untuk menghaluskan permukaan runner propeller yang telah digerinda dan yang tidak dapat dijangkau oleh kikir. Kertas pasir yang digunakan terdiri atas 2 jenis : P80 (1 meter) dan P100D (2 lembar) viii.

Batangan baja Batangan baja dipakai sebagai bahan baku pembuatan poros. Batangan ini berdiameter 20 mm dengan panjang 1 m

3.8.2 Pembuatan cetakan

Pembuatan cetakan meliputi tahap

– tahap sebagai berikut : a.

BAB III METODOLOGI 3.1 Umum - Desain Dan Pengecoran Runner Propeller Berbahan Kuningan (60% Cu / 40% Zn) Untuk Turbin Air Berdaya 118 W Dan Debit 12 L/S Dengan Cetakan Pasir