DEFINISI DAN JENIS WATER JET CUTTER

DEFINISI DAN JENIS WATER JET CUTTER

A.      PENDAHULUAN

Pemesinan water jet termasuk proses pemotongan dingin, sehingga tidak timbul panas. Dengan demikian tidak terjadi kerusakan akibat panas seperti distorsi termal, HAZ (Heat Affected Zone), tegangan termal (thermal stress) pada permukaan yang dipotong dan lain-lain. Selain daripada itu, water jet machining (WJM) termasuk proses pemotongan yang ramah lingkungan, karena tidak terjadi pelelehan material atau produk sampingan (byproduct) yang berdebu, maka udara disekitarnya tidak tercemar, tidak beracun dan sangat aman dari bahaya kebakaran.

Water jet sebagai pahat potong (cutting tool) mempunyai daya potong yang hampir tidak terbatas, karena water jet dapat memotong berbagai material dari yang lunak hingga yang keras, dari yang ulet hingga yang tangguh dengan tingkat ekonomis yang tinggi. Oleh karena itu WJM berkembang pesat dalam industri arsitektur, ruang angkasa, otomotif, manufaktur, makanan dan buahbuahan, board and paper product, tambang batu bara dan lain sebagainya.   

Proses pemotongan water jet diaplikasikan secara komersial pada pertengahan tahun 1970-an. Penggunaan terbesar pada saat itu adalah untuk pemotongan diapers, kertas tissue dan interior otomotif. Water jet dapat bekerja 24 jam sehari, 7 hari per minggu dan 360 hari dalam setahun tanpa terjadi kemacetan (downtime). Dibandingkan dengan proses lain yang terjadi downtime tidak terencana (unplanned downtime) yang merugikan lebih dari US$20.000,- per jam untuk pabrik diapers dan tissue saja. Pada tahun 1979, Dr. Mohamed Hashish bekerja pada flow research, mulai meneliti metode\ untuk meningkatkan daya potong dari water jet sehingga dapat memotong metal dan material keras lainnya. Metode yang dikembangkan adalah dengan menambahkan partikel abrasive dalam aliran water jet, sehingga metodenya disebut abrasive water jet machining (AWJM). Hasilnya pada 1980 untuk pertama kalinya abrasive water jet memotong baja, kaca dan beton. Pada 1983 secara komersial abrasive water jet dijual untuk pemotongan kaca pada industri otomotif.

Himmelreich dalam penelitiannya menemukan bahwa semakin tinggi tekanan pompa, profil kecepatan water jet menjadi semakin uniform. Dia juga menemukan bahwa semakin tinggi tekanan, maka ketergantungan kecepatan rata-rata pada diameter fokusnya semakin berkurang. Selain tekanan pompa, ternyata nozzle pun sangat berpengaruh pada karakteristik water jet. Desain nozzle yang paling optimal dianalisis dalam desertasi Nienhaus, bahwa sudut kerucut (included angle) 13º dan bagian lubang nozzle yang lurus antara 2-5 kali diameternya akan memberikan panjang jet efektif yang maksimal. Desain ini juga dibuktikan dengan eksperimental oleh Mazurkiewicz, bahwa panjang pancaran efektif (effective jet length) yang paling baik adalah sudut kerucut antara 12º dan 13º. Panjang pancaran efektif juga tergantung pada bagian diameter pipa nozzle yang lurus (throath length) dan yang terbaik adalah 4 kali diameternya.

Dalam aplikasi proses pemesinan, Orbanic dan Junkar melakukan studi ekperimental penggunaan partikel abrasive pada water jet untuk proses drilling lubang kecil dan dalam (small and deep hole). Percobaan proses drilling dilakukan pada beberapa material yang berbeda, sedangkan kedalaman dan diameter lubang diamati untuk waktu drilling yang berbeda. Hasilnya kedalaman dan diameter lubang meningkat dengan fungsi eksponensial (power function).

Hasil percobaan awal yang dilakukan oleh Suhardjono et.al. memperlihatkan bahwa dengan menaikkan SOD (Stand of Distance) hingga jarak SOD optimum akan terjadi kenaikan gaya luaran semprotan air (water jet) yang keluar nozzle, namun kenaikan SOD yang melampaui SOD optimum tersebut bahkan terjadi penurunan gaya luarannya yang sangat signifikan.

B.       SEJARAH

Pada tahun 1950-an Norman Dr Franz, seorang insinyur kehutanan, bereksperimen bagaimana air yang bertekanan tinggi bisa untuk memotong pohon. Percobaannya tidak menghasilkan mesin pemotong yang diinginkan tetapi mereka membuktikan bahwa air di bawah tekanan tinggi dan kecepatan tinggi dapat memotong material, Mesin-mesin waterjet komersial pertama dikembangkan pada tahun 1970

Waterjets Abrasive tahun 1980-an atau "Abrasivejets" dikembangkan, Pada tahun 1990 Dr John Olsen mengembangkan sistem waterjet yang menghindari masalah dari sistem sebelumnya yang membatasi waterjets ke fasilitas khusus. Dia memiliki visi sebuah waterjet berbasis komputer. Hasilnya adalah kontrol sistem berbasis komputer digabungkan ke meja X-Y presisi, pemotongan bisa dipotong di atas air untuk menghilangkan kebisingan dan debu yang berlebihan, Ini adalah sistem Abrasivejet pertama dirancang khusus untuk pasar mesin pada jangka pendek dan terbatas produksinya. Sekarang Waterjets abrasif  adalah mesin serbaguna dan sangat diperlukan dalam aplikasi mulai dari pemotongan material sekali pakai untuk memotong bahan yang digunakan untuk eksplorasi.

C.       DEFINISI

Water jet adalah sebuah alat yang digunakan dalam proses pemotongan dingin dengan jalan menyemprotkan air yang bertekanan dan kecepatan tinggi ke permukaan benda kerja. Untuk mendapat kan konsentrasi pengikisan permukaan benda maka digunakan nozzle berdiameter lubang 0,1 s/d0,4mm. Tekanan air yang digunakan mencapai 400 MPa dan kecepatan supersonic yang mencapai 900 m/det. Jarak ujung nozzle ke permukaan benda kerja akan berpengaruh terhadap kecepatan pengikisan. Jarak ini disebut standoff distance sekitar 3,2 mm. Tipe alat ini beraneka ragam, ada yang menggunakan medium air yaitu Water Jet Cutting (WJC),  Abrasive Water-jet Cutting (AJM) yang menggunakan gas bercampur abrasive bertekanan 0,2 s/d 1,4MPa dengan kecepatan sekitar 2,5- 5,0 m/det. Gas yang digunakan dapat berupa udara kering, nitrogen, carbon dioksida, helium dan lainnya. AJM ini umumnya digunakan untuk pekerjaan finishing, deburring, trimming, cleaning dan sebagainya. Material yang dapat dipotong adalah polimer.

D.      JENIS-JENIS WATER JET

1.      Pemotongan pancaran air (WJC)

Pemotongan Waterjet (WJC), juga dikenal sebagai mesin air jet atau mesin hidrodinamik, menggunakan jet tinggi kecepatan fluida menimpa benda kerja untuk

melakukan operasi pemotongan.

       Water Jet Cutter menggunakan aliran air halus dengan tekanan dan kecepatan tinggi, yang diarahkan pada permukaan bendakerja sehingga menyebabkan benda kerja terpotong

       Untuk mendapatkan aliran air yang halus digunakan pembukaan nosel dengan diameter sekitar 0,004 sampai 0,016 in (0,1 sampai 0,4 mm). Agar diperoleh aliran dengan energi yang cukup untuk pemotongan, digunakan tekanan di atas 60.000 lb/in² (400 Mpa), dan pancaran mencapai kecepatan di atas 3000 ft/sec. (900m/s). Cairan ditekan sesuai tingkat yang diinginkan dengan menggunakan pompa hidraulik. Sebagai cairan pemotong biasanya digunakan larutan polimer karena cendrung menghasilkan aliran yang lebih menyatu (coherent stream). Aliran cairan dari nosel dapat diatur besarnya, untuk material yang tipis pembukaan diatur lebih kecil agar dihasilkan pemotongan yang lebih halus.

Parameter dalam proses WJC adalah :

F Jarak antara nosel dan permukaan bendakerja (standoff distance).

F Diameter pembukaan nosel,

F Tekanan air dan kecepatan potong.

       Jarak antara pembukaan nosel dengan permukaan bendakerja harus diatur sekecil mungkin untuk menghindari adanya percikan aliran cairan. Jarak yang umum digunakan adalah 1/8 in (3,2 mm). Ukuran pembukaan nosel berpengaruh terhadap ketelitian pemotongan, pembukaan kecil digunakan untuk pemotongan halus pada material yang tipis, sedang untuk memotong material yang lebih tebal dibutuhkan pancaran aliran dan tekanan yang lebih besar pula. Kecepatan pemotongan yang sering digunakan dari 12 in./min (5 mm/s) sampai di atas 1200 in./min (500 mm/s).

2.      Pemotongan pancaran air abrasif (AWJC)

Air jet mesin (WJM) terutama digunakan untuk memotong dan celah berpori bukan logam seperti kayu, kertas, kulit, dan busa. Namun, tidak efisien untuk pengerjaan material keras. Ketika abrasive dicampur dalam air jet, Abrasive Water Jet Machining, proses baru dan lebih kuat direalisasikan.Baik WJM dan AWJM menggunakan prinsip dari pressurizing air untuk tekanan sangat tinggi, dan memungkinkan air untuk melarikan diri melalui lubang yang sangat kecil (orifice).

Air jet mesin menggunakan sinar keluar air orifice (atau permata) untuk memotong hal-hal lembut seperti popok dan permen, tetapi tidak efektif untuk memotong bahan lebih keras. Air inlet biasanya bertekanan antara 20.000 dan 55.000 pound per inci persegi (PSI). Ini dipercepat melalui lubang kecil di "Jewel", yang biasanya 0,010 "untuk 0,015" diameter.

Hal ini menciptakan sebuah balok kecepatan air yang sangat tinggi. Abrasive mesin air jet bahwa balok menggunakan air yang sama untuk mempercepat partikel kasar untuk kecepatan cukup cepat untuk memotong bahan jauh lebih sulit. Dengan bantuan abrasive, bahan kekerasan apapun dapat dipotong tanpa delaminasi, tanpa kerusakan termal, dalam waktu yang sama, dengan tingkat pemotongan yang sangat tinggi dan kemampuan untuk memotong ketebalan yang sangat besar.      

       WJC digunakan untuk pemotongan  benda kerja logam, maka biasanya harus ditambahkan partikel abrasif kedalam aliran pancaran. Partikel abrasif yang sering digunakan adalah oksida aluminium, dioksida silikon, dan garnet (mineral silikat). Partikel abrasif yang ditambahkan kedalam aliran air sekitar 0,5 lb/min (0,23 kg/min) setelah keluar dari nosel.

Parameter dalam proses AWJC sama dengan pada proses WJC, yaitu :

F diameter pembukaan nosel,

F tekanan air, dan

F jarak antara pembukaan nosel dan permukaan bendakerja.

       Diameter pembukaan nosel berkisar antara 0,010 in. (0,25 mm) sampai 0,025 in. (0,63 mm), sedikit lebih besar daripada WJC.  Tekanan air yang digunakan hampir sama seperti WJC, sedang jarak antara pembukaan nosel dengan permukaan bendakerja sedikit lebih kecil, untuk meminimalkan dampak dari percikan cairan pemotong, yang sekarang mengandung partikel abrasif. Jarak tersebut sekitar seperempat dan setengah dari jarak yang biasa dipakai pada WJC.

3.      Pemesinan Pancaran Abrasif (AJM)

Abrasive Jet Machine adalah proses pelepasan material yang menggunakan aliran gas kecepatan tinggi yang mengandung partikel-pertikel abrasif kecil seperti ditunjukkan dalam gambar 11.4. Disini digunakan gas kering dengan tekanan 25 sampai 200 lb/in² (0,2 sampai 1,4 MPa) dialirkan melalui lubang nosel dengan diameter 0,003 sampai 0,040 in. (0,075 sampai 1,0 mm) pada kecepatan 500 sampai 1000 ft/min (2,5 sampai 5,0 m/s). Gas yang digunakan adalah udara kering, nitrogin, dioksida karbon, dan helium. Untuk mengarahkan nosel pada bendakerja biasanya dilakukan secara manual oleh seorang operator. Jarak antara ujung nosel dengan permukaan bendakerja sekitar 1/8 in. sampai beberapa in. Tempat kerja harus disiapkan dengan ventilasi yang cukup memadai untuk operator.

            AJM pada umumnya digunakan untuk proses penyelesaian seperti pemangkasan, pembersihan, pemolesan, dan sebagainya. Pemotongan dapat dilakukan untuk material yang keras dan getas ( sebagai contoh gelas, silikon, mika, dan keramik ) yang berbentuk rata dan tipis. Abrasif yang sering digunakan adalah oksida aluminium (untuk aluminium dan kuningan), karbida silikon (untuk baja tahan karat dan keramik), dan butir gelas (untuk pemolesan). Ukuran diameter butir sangat halus, berkisar antara 15 sampai 40 mm, dan untuk dapat digunakan ukuran tersebut harus seragam.