A. Project Title
Simulasi Pendinginan Benda Kerja untuk Machining Menggunakan Konveksi Alami dan Paksa dengan Framework DAI5
B. Author Complete Name
Rafi Daffa Putra Hariza
C. Affiliation
Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia
D. Abstract
Suhu benda kerja merupakan faktor yang krusial dalam proses machining. Benda kerja yang telah melalui proses pembentukan seperti forging perlu didinginkan terlebih dahulu sebelum melalui proses machining. Hal ini bertujuan untuk mencegah terjadinya kegagalan termal dan juga untuk menjaga hasil permukaan akhir. Oleh karena itu, melakukan simulasi menjadi hal yang penting untuk kita bisa mengetahui parameter-parameter penting dalam pendinginan benda kerja. Pada simulasi ini, benda kerja didinginkan dari suhu 800°C hingga 50°C menggunakan kombinasi konveksi alami dari udara dan konveksi paksa blower dari blower. Simulasi ini dilakukan dengan prinsip Newton’s Law of Cooling yang berbentuk persamaan diferensial:
Persamaan ini diselesaikan dengan metode Euler Forward menggunakan software GNU Octave. Parameter yang digunakan meliputi massa benda kerja, kalor jenis, suhu lingkungan, serta koefisien perpindahan panas konvektif alami dan paksa. Proyek ini bertujuan untuk menganalisis proses pendinginan benda kerja pasca-proses manufaktur kerja panas (hot-working) untuk menganalisa total waktu dan energi yang dibutuhkan untuk proses pendinginan benda kerja.
E. Author Declaration
Deep Awareness (of) I
Simulasi pendinginan benda kerja dengan konveksi alami dan paksa digunakan untuk memahami dinamika proses pendinginan, meliputi aspek energi, kalor, hingga konsumsi energi listrik. Tujuan simulasi ini bukan hanya untuk penelitian akademis, tetapi juga sebagai cara untuk mendekatkan diri kepada Tuhan Yang Maha Esa dengan mempelajari dan memanfaatkan ciptaan-Nya, yaitu fenomena konveksi. Simulasi ini menggunakkan software GNU Octave yang dapat menyelesaikan persamaan-persamaan matematis yang kompleks secara numerik. Hal ini juga membuka pikiran kita kepada aspek penting bahwasannya kemampuan penyelesaian persoalan matematika manusia cukup terbatas. Maka dari itu dibutuhkan software computing untuk menghitung persamaan matematika yang kompleks. Software ini dikembangkan manusia dengan ilmu pengetahuan yang merupakan karunia Tuhan Yang Maha Esa. Tanpa adanya anugerah seperti akal, kecerdasan, dan ilmu pengetahuan, mustahil bagi manusia untuk membuat dan mengembangkan software tersebut. Dengan mengingat Tuhan Yang Maha Esa, saya berharap ilmu dari simulasi ini dapat bermanfaat baik untuk diri saya sendiri maupun untuk orang banyak.
Intention of the Project Activity
Menganalisis dan mengevaluasi sistem pendinginan blower yang efisien dari segi energi dan waktu demi tercapainya keberlanjutan dalam industri manufaktur. Dengan analisis dan evaluasi ini, konsumsi energi listrik dapat diminimalisir, biaya produksi dapat dipangkas, dan emisi yang berdampak terhadap lingkungan juga dapat dikurangi. Oleh karena itu, simulasi ini merupakan upaya untuk berkontribusi dalam mengoptimalkan penggunaan energi yang ramah lingkungan sehingga dapat berdampak positif kepada lingkungan dan masyarakat secara luas.
F. Introduction
Pendinginan benda kerja sebelum memasuki tahap produksi berikutnya merupakan hal yang krusial dalam industri manufaktur. Hal ini dilakukan untuk mencegah terjadinya overheating pada benda kerja yang menyebabkan kegagalan seperti thermal expansion dan thermal contraction. Meskipun proses pendinginan ini merupakan hal yang telah digunakan sejak lama, masalah seperti ketidakefisienan penggunaan energi dan waktu masih menjadi masalah sampai sekarang. Oleh karena itu, diperlukan simulasi dan pembelajaran terkait sistem pendinginan benda kerja, sehingga dapat mendukung efisiensi energi dan keberlanjutan.
Initial Thinking
Proses machining merupakan salah satu metode manufaktur yang sangat fleksibel dan sering digunakan untuk membentuk produk yang rumit seperti engine block dan turbin. Namun pada umumnya sebelum proses machining, terlebih dahulu dilakukan pembentukan benda kerja terlebih dahulu dengan metode hot-working seperti forging yang memerlukan suhu hingga 1000°C. Benda kerja dengan suhu setelah forging tidak dapat langsung dilakukan proses machining karena properti metal yang masih rentan terhadap kegagalan termal. Maka dari itu, perlu dilakukan proses pendinginan (cooling) untuk mendapatkan properti mekanik yang lebih tinggi dan memiliki struktur yang seragam, kekerasan di seluruh penampangnya merata, kualitas menjadi stabil, dan machinability benda kerja juga meningkat. Pendinginan ini dapat dilakukan secara konveksi natural (natural convection) dan konveksi paksa (forced convection). Konveksi alami adalah mekanisme pergerakan fluida disebabkan oleh gaya apung, yaitu perbedaan densitas fluida yang terjadi akibat gradien suhu. Sementara itu, Konveksi paksa adalah perpindahan panas dari daerah yang panas ke daerah yang lebih dingin akibat gerakan aliran yang dipicu oleh sumber eksternal. Pendinginan dengan konveksi natural seringkali terlalu lambat, sedangkan penggunaan sistem pendinginan dengan konveksi paksa tanpa konsiderasi dapat menyebabkan pemborosan energi listrik. Ketidakefisienan ini berujung pada:
- Waktu produksi yang lebih lama
- Biaya energi operasional yang tinggi
- Risiko kecacatan produk
Berbagai studi telah membahas tentang pendinginan benda kerja pasca-forging. Namun, seringkali tidak mempertimbangkan konsumsi energi yang digunakan. Sebagai contoh, studi
- Rajesh Chaudhari , Atharv Kirad. To study the effect of controlled cooling on microstructures and hardness of medium carbon steel and alloy steel forged components. Mechanical Engineering Department, Vishwakarma Institute of Technology, Upper Indirranagar, Bibwewadi, Pune, Maharashtra 411037, India.
Hanya mempertimbangkan waktu cooling tanpa memperhatikan energi yang dibutuhkan. Maka dari itu, simulasi dengan pendekatan numerik diperlukan untuk menganalisis berapa banyak waktu dan energi yang dibutuhkan sehingga bisa dilakukan optimasi untuk penggunaan energi yang efisien dan lebih ramah lingkungan.
Prinsip dasar yang digunakan dalam simulasi ini adalah Newton’s Law of Cooling yang berbentuk persamaan diferensial:
Hukum ini memberitahu kita bahwa laju pendinginan suatu benda berbanding lurus dengan selisih suhu antara benda tersebut dan suhu lingkungan di sekitarnya. Artinya, semakin besar perbedaan suhu antara benda dan lingkungan, semakin cepat benda tersebut mendingin.
Persamaan diferensial ini nantinya akan diselesaikan dengan komputasi numerik menggunakan software GNU Octave. Metode numerik yang akan digunakan adalah Euler Forward yang merupakan teknik lain yang digunakan untuk menganalisis Persamaan Diferensial secara iteratif yang menggunakan konsep linearitas lokal atau aproksimasi linear, di mana kita menggunakan garis singgung kecil dalam jarak pendek untuk mencari aproksimasi solusi dari persmaan diferensial dengan initial value.
G. Methods & Procedures
Idealization
Dalam simulasi ini, dilakukan beberapa asumsi agar simulasi dapat lebih mudah dikerjakan namun tetap sejalan dengan tujuan awal. Asumsi-asumsi tersebut antara lain:
- Produk hasil machining adalah flange dengan nominal diameter 200 mm sehingga workpiece berbentuk silinder dengan diameter 100 mm, tinggi 100 mm, dan massa 7 kg.
- Workpiece memiliki material stainless steel dengan nilai specific heat capacity sebesar 502 J/Kg.°C.
- Suhu ambient adalah 25°C dan dianggap konstan.
- Suhu setelah proses forging adalah 800°C dan suhu akhir pendinginan adalah 35°C.
- Daya listrik blower sebesar 1500 W dan dianggap konstan.
- Efisiensi blower dianggap maksimal.
- Jika blower dinyalakan maka terjadi konveksi natural dan paksa secara bersamaan.
- Konstanta heat transfer dari konveksi natural sebesar 15 W/m^2⋅°C.
- Konstanta heat transfer dan koefisien konveksi dari konveksi paksa bervariasi terhadap perubahan temperatur.
- Step size (waktu) untuk simulasi sebesar 1 s.
- Simulasi dilakukan sebanyak 10000 s (10000 iterasi).
Instruction Set
Persamaan Newton’s Law of Cooling tersebut selanjutnya dihitung dengan membuat code pada GNU Octave sesuai dengan asumsi-asumsi yang telah diberikan di bagian sebelumnya. Didapatkan code GNU Octave sebagai berikut:
% Menginisialisasi Parameter Simulasi
T_amb = 25; % Suhu lingkungan (°C)
T_init = 800; % Suhu awal workpiece (°C)
T_target = 35; % Suhu target (°C)
m = 7; % Massa workpiece (kg)
c = 502; % specific heat capacity workpiece (J/kg°C)
P_blower = 1500; % Daya blower (W)
hn = 15; % Koefisien heat transfer natural convection (W/m^2.K)
r = 0.1; % Jari-jari benda kerja (m)
h = 0.1; % Tinggi benda kerja (m)
dt = 1; % Step size waktu (s)
t_max = 10000; % Jumlah iterasi simulasi (s)
% Menginisialisasi Variabel Penyimpan Hasil
T = T_init;
T_hist = T;
Q_total = 0;
t_hist = 0;
waktu_blower = 0;
% Perhitungan Luas Permukaan Workpiece dan Koefisien Konveksi Alami
A = 2 * pi * r * h + 2 * pi * r^2; % Luas permukaan silinder (m^2)
Cn = h_n / (m * c); % Koefisien konveksi alami
% Simulasi
for t = 1:t_max
% Update koefisien blower tiap iterasi
if T > 100 % Konveksi Alami dan Paksa
hb = P_blower / (A * (T - T_amb));
Cb = h_b / (m * c); % Koefisien konveksi paksa
cool_coeff = Cn + Cb;
waktu_blower = waktu_blower + dt; % Waktu penggunaan blower
else
cool_coeff = Cn; % Konveksi Alami
end
% Perhitungan perubahan suhu
dTdt = -cool_coeff * (T - T_amb); % Newton's Law of Cooling
T_new = T + dTdt * dt; % Metode Numerik Euler Forward
% Perhitungan Energi yang dibuang selama pendinginan
dQ = m * c * (T - T_new);
Q_total = Q_total + dQ;
% Save data
T = T_new;
T_hist(end+1) = T;
t_hist(end+1) = t;
if T <= T_target
break;
end
end
% Perhitungan Output Energi
E_total = Q_total / 1000; % in kJ
E_listrik_kWh = (P_blower * waktu_blower) / 3600000; % Energi in listrik kWh
% Plotting Hasil Simulasi
plot(t_hist, T_hist, 'b', 'LineWidth', 2);
xlabel('Waktu (s)');
ylabel('Suhu (°C)');
title('Simulasi Pendinginan Benda Kerja dengan Konveksi Alami dan Paksa');
grid on;
% Print Output Simulasi
fprintf('Waktu mencapai suhu target: %d detik\n', t);
fprintf('Total energi panas yang dibuang: %.2f kJ\n', E_total);
fprintf('Total energi listrik yang dipakai oleh blower: %.2f kWh\n', E_listrik_kWh);
H. Results & Discussions
Grafik hasil simulasi menunjukkan bahwa suhu benda kerja turun tajam dari 800°C hingga 100°C dalam waktu singkat berkat pendinginan dengan konveksi natural dan paksa oleh suhu ambient dan blower, kemudian penurunan suhu melambat secara eksponensial saat blower dimatikan dan hanya konveksi natural yang bekerja, hingga akhirnya suhu benda kerja mencapai 35°C.
Hasil simulasi numerik menunjukkan bahwa untuk mencapai suhu target, diperlukan waktu pendinginan selama 608 detik dengan total energi panas yang dibuang sebesar 2688,22 kJ, sementara blower mengkonsumsi energi listrik sebesar 0,06 kWh selama proses pendinginan.
Dengan demikian, benda kerja bisa didinginkan dengan lebih cepat dan hemat energi, serta dengan biaya yang cukup murah sehingga dapat medukung industri manuaktur yang efisien, sustain, dan ramah lingkungan.
I. Acknowledgments
Terima kasih saya ucapkan kepada Prof. Dr. Ir. Ahmad Indra Siswantara selaku dosen ajar Mata Kuliah Metode Numerik. Berkat ilmu dan bimbingan yang Beliau yang diberikan, saya dapat memahami metode numerik dan juga dapat mengetahui framework yang sangat baik untuk diterapkan yaitu DAI5. Berkat Beliau juga saya dapat menyusun Tugas Besar Metode Numerik untuk memenuhi Ujian Tengah Semester Metode Numerik Semester Genap 2024/2025.
J. References
L. Zheng, X. Zhang. (2017). Modeling and Analysis of Modern Fluid Problems.
David Ting. (2022). Thermofluids From Nature to Engineering.
Midhun Para kkandy. (2024). How to Limit the Effects of Temperature on CNC Performance and Work Holding Fixtures. Diakses dari https://www.linkedin.com/pulse/how-limit-effects-temperature-cnc-performance-work-midhun-parakkandy-zgnue/
Serope Kalpakjian. Steven R. Schmid. (2022). Manufacturing Engineering and Technology 8th edition.
Rajesh Chaudhari , Atharv Kirad. To study the effect of controlled cooling on microstructures and hardness of medium carbon steel and alloy steel forged components. Mechanical Engineering Department, Vishwakarma Institute of Technology, Upper Indirranagar, Bibwewadi, Pune, Maharashtra 411037, India.
L. Appendices
- Grafik Simulasi Pendinginan Benda Kerja dengan Konveksi Alami dan Paksa
- Output Hasil Perhitungan GNU Octave
