How to cite:
Surahman (2024) Desain Dan Pengembangan Alat Uji Tonjolan Hidrolik (Hydraulic Bulge Test)
Sederhana Berbiaya Rendah Untuk Karakterisasi Mampu Bentuk Logam Lembaran Tipis (Metal
Foil) pada Kondisi Regangan Biaksial Murni , (06) 07
E-ISSN:
2684-883X
Published by:
Ridwan Institute
DESAIN DAN PENGEMBANGAN ALAT UJI TONJOLAN HIDROLIK (HYDRAULIC
BULGE TEST) SEDERHANA BERBIAYA RENDAH UNTUK KARAKTERISASI
MAMPU BENTUK LOGAM LEMBARAN TIPIS (METAL FOIL) PADA KONDISI
REGANGAN BIAKSIAL MURNI
Surahman, Rahmat Saptono
Universitas Indonesia, Indonesia
Abstrak
Penelitian ini mengembangkan dan menguji alat uji tonjolan hidrolik sederhana dan berbiaya
rendah untuk karakterisasi kemampuan bentuk logam lembaran tipis pada kondisi regangan
biaksial murni. Fokus penelitian ini adalah pada foil kuningan kuning (Cu-Zn) dengan
ketebalan 0,2 mm, menggunakan alat dengan diameter tonjolan kecil (20 mm), relevan untuk
aplikasi mini forming. Data yang dikumpulkan meliputi hubungan antara tekanan dan tinggi
tonjolan, yang kemudian dikonversi menjadi tegangan efektif dan regangan efektif. Alat ini
dirancang untuk secara langsung menghasilkan data tegangan vs. regangan untuk menghitung
eksponen pengerasan regangan (nilai-n). Strategi inovatif penelitian ini termasuk penggunaan
diameter tonjolan kecil untuk mini forming dan tanda lingkaran pada permukaan spesimen
untuk memfasilitasi konversi data tekanan-tinggi tonjolan menjadi parameter tegangan-
regangan. Hasil verifikasi menunjukkan bahwa alat ini mampu mengukur hubungan tekanan
vs. tinggi tonjolan dengan akurasi tinggi. Meskipun data awal menunjukkan akurasi dalam
pengukuran tekanan dan tinggi tonjolan, konversi langsung ke parameter tegangan dan
regangan efektif masih memerlukan metode tambahan untuk mencapai hasil yang lebih baik.
Penelitian ini menawarkan solusi ekonomis untuk karakterisasi material dalam aplikasi mini
forming dan menyajikan alat yang dapat diandalkan untuk studi lanjutan pada berbagai jenis
logam lembaran tipis..
.
Kata kunci: Alat Uji Tonjolan Hidrolik, Regangan Biaksial, Logam Lembaran Tipis,
Kuningan, Formabilitas,
Abstract
This research develops and validates a low-cost, simple hydraulic bulge test device designed
to characterize the formability of thin metal foils under pure biaxial strain conditions. The
study focuses on yellow brass foil (Cu-Zn) with a thickness of 0.2 mm, using a device with a
small bulge diameter (20 mm), relevant for mini-forming applications. The collected data
includes the relationship between pressure and bulge height, which is then converted into
effective stress and effective strain. This device aims to directly generate stress-strain data for
calculating the strain hardening exponent (n-value). Key innovations include the use of a
small bulge diameter suitable for mini-forming and the application of circular markers on the
specimen surface to facilitate the conversion of pressure-height data into stress-strain
parameters. Validation results show that the device accurately measures the pressure vs.
JOURNAL SYNTAX IDEA
pISSN: 2723-4339 e-ISSN: 2548-1398
Vol. 6, No. 07, Juli 2024
Surahman
3048 Syntax Idea, Vol. 6, No. 07, Juli 2024
bulge height relationship. While initial data demonstrates accuracy in measuring pressure
and bulge height, additional methods are required to directly convert these measurements
into effective stress and strain parameters.This research provides an economical solution for
material characterization in mini-forming applications and presents a reliable tool for further
studies on various types of thin metal foils.
Keywords: Hydraulic Bulge Test Device, Biaxial Strain, Thin Metal Foils, Brass, Formability,
Mini-Forming
PENDAHULUAN
Lembaran logam (sheet metal) merupakan material yang digunakan luas dalam industri
kapal, dirgantara, otomotif, dan berbagai aplikasi lainnya (Haryanti, 2017). Sifat-sifat material
yang baik sangat penting untuk merancang produk yang aman dan efisien. Misalnya, dalam
pembuatan kapal, lembaga klasifikasi menetapkan aturan yang menentukan sifat material
yang harus dipenuhi untuk operasi yang aman. Dalam era industri yang kompetitif, aturan
berdasarkan pengalaman ini perlu diperbarui dan batasannya perlu didorong untuk
meningkatkan efektivitas biaya (Koh, 2008; Pratama, Anggono, & Hendrawan, 2016).
Dalam industri transportasi, penurunan bobot produk dapat mengurangi konsumsi bahan
bakar dan meningkatkan berbagai aspek performa seperti kecepatan dan kapasitas kargo
(Neff, Eidel, & Martin, 2016). Proses pembentukan lembaran logam memanfaatkan keuletan
material untuk membentuknya menjadi bentuk yang diinginkan. Namun, deformasi plastis
yang meningkat dapat menyebabkan necking (penyempitan) dan patahan ductile (ulet), yang
merupakan mekanisme kegagalan umum pada struktur lembaran logam (Nasser, Yadav,
Pathak, & Altan, 2010). Pada material yang kurang ulet, patahan dapat terjadi sebelum
necking. Dengan pengetahuan yang baik tentang desain, proses pembentukan, dan sifat
material, risiko kegagalan struktural dapat diprediksi dan dihindari. Mengingat pengujian
skala penuh mahal dan memakan waktu, pengujian sifat material untuk menentukan n-value
dan penggunaan perangkat lunak simulasi menjadi penting (Martínez Palmeth, Gonzales
Carmona, & Miranda Castro, 2021).
Pengujian bulge hidrolik (hydraulic bulge test) memberikan kemampuan eksperimental
yang lebih baik dengan tingkat regangan mencapai 40%, dibandingkan dengan uji tarik yang
mencapai 18% (Suripto & Anwar, 2020; WICAKSONO, 2022) . Pengembangan Forming
Limit Diagram (FLD) memerlukan berbagai pengujian untuk menentukan batas kemampuan
bentuk lembaran logam. Pengujian ini meliputi uji bulge hidrolik, uji kompresi biaksial pada
spesimen laminasi, tegangan biaksial spesimen cruciform, dan uji punch atau Nakazima test.
Setiap pengujian ini dapat menentukan titik luluh untuk berbagai kondisi tegangan (Wang,
Xu, & Shou, 2016)
1
Desain Dan Pengembangan Alat Uji Tonjolan Hidrolik (Hydraulic Bulge Test) Sederhana
Berbiaya Rendah Untuk Karakterisasi Mampu Bentuk Logam Lembaran Tipis (Metal Foil)
pada Kondisi Regangan Biaksial Murni
Syntax Idea, Vol. 6, No. 07, Juli 2024 3049
Gambar.1 Perbandingan antara kurva tensile dan bulge test
Uji punch Nakazima, meskipun banyak digunakan, masih menghadapi kendala seperti
gesekan antara punch dan spesimen. Gesekan merupakan fenomena umum dalam pengujian
ini, dipengaruhi oleh jenis bahan, kekasaran permukaan, dan pelumasan, yang mempengaruhi
hasil pengujian . Sebaliknya, uji bulge hidrolik dapat secara akurat menentukan batas
kemampuan bentuk tanpa pengaruh gesekan yang signifikan, membuatnya lebih sederhana
dalam desain dan lebih efektif (Abendroth, 2017) (Vasilescu, 2016).
Seiring berkembangnya bahan baru seperti Advanced High Strength Steels (AHSS)
untuk aplikasi otomotif, diperlukan evaluasi ulang dan modifikasi alat pengujian yang ada
untuk mengakomodasi kekuatan tarik yang tinggi (Baluch, Udin, & Abdullah, 2014). Ini
membuka peluang untuk merancang alat uji baru yang lebih sederhana dan terjangkau untuk
karakterisasi kemampuan bentuk logam lembaran tipis.
Uji bulge hidrolik memainkan peran penting dalam mengevaluasi perilaku aliran bahan
lembaran di bawah tegangan biaksial yang seimbang. Dalam pengujian ini, lembaran bundar
dijepit di sekelilingnya dan diberi tekanan dari satu sisi dengan fluida hidrolik, sehingga
lembaran meregang dan membentuk tonjolan melalui pembukaan die (Cahyono & Irmawati,
2018; Majanasastra, 2016). Hingga saat ini, alat uji bulge hidrolik belum banyak tersedia di
Indonesia. Mengingat keunggulannya, penelitian ini fokus pada desain dan pengembangan
alat uji bulge hidrolik yang sederhana dan berbiaya rendah untuk menentukan n-value dari
lembaran logam tipis dalam kondisi regangan biaksial murni.
Tujuan dari penelitian ini adalah merancang alat uji bulge hidrolik yang terjangkau dan
sederhana. Melakukan karakterisasi kemampuan bentuk logam lembaran tipis dengan akurat.
Menilai kemampuan bentuk logam di bawah regangan biaksial menggunakan alat ini.
Meningkatkan aksesibilitas alat dengan menyediakan panduan desain dan operasional yang
detail agar dapat direplikasi di lingkungan pendidikan dan industri skala kecil.
Surahman
3050 Syntax Idea, Vol. 6, No. 07, Juli 2024
METODE PENELITIAN
.
Gambar 1. Diagram Alir Penelitian
Penelitian ini berfokus pada desain dan pengembangan alat uji hydraulic bulge test
sederhana berbiaya rendah untuk karakterisasi mampu bentuk logam lembaran tipis (metal
foil) pada kondisi regangan biaksial murni mengetahui N value pada sheet metal. Penelitian
ini dilakukan di laboratorium metalurgi fisik dan metalurgi mekanik, Departemen Teknik
Metalurgi dan Material Universitas Indonesia.
Untuk menganalisis data dari pengujian hydraulic bulge test dan memverifikasi fungsi
alat, berbagai metode statistik dapat digunakan. Metode ini membantu dalam memahami
variabilitas data, menilai keandalan pengukuran, dan mengevaluasi efektivitas alat.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Detail Engineering Desain (DED)
Bagian ini menguraikan tahap pemilihan material, metode fabrikasi, dan perancangan
komponen utama alat uji tonjolan hidrolik.
Pemilihan Material dan Metode Fabrikasi
Material utama untuk alat uji adalah baja karbon ASTM A105 dengan kandungan
karbon 0,35%. Material ini dipilih karena kekuatan dan kemampuannya untuk menahan
tekanan tinggi selama pengujian. Proses fabrikasi mencakup pemesinan turning sesuai
geometri desain untuk mendapatkan komponen yang presisi.
Desain Dan Pengembangan Alat Uji Tonjolan Hidrolik (Hydraulic Bulge Test) Sederhana
Berbiaya Rendah Untuk Karakterisasi Mampu Bentuk Logam Lembaran Tipis (Metal Foil)
pada Kondisi Regangan Biaksial Murni
Syntax Idea, Vol. 6, No. 07, Juli 2024 3051
Desain Geometri Base Plate
Base plate berfungsi sebagai dudukan spesimen dan ruang fluida hidrolik untuk
memberikan tekanan.
Spesifikasi geometri meliputi (RIYANTO, 2015):
1. Diameter luar: 281 mm (berdasarkan material blind flange 6 inci)
2. Diameter lubang cairan hidrolik: 16 mm (dengan sambungan ulir thread)
3. Alur Draw Bead: Diameter 50 mm dan 100 mm
4. Diameter area benda kerja: 150 mm
Gambar 2 Detail Engineering Desain Base Plate
Penentuan clamping ring dan Upper Die Block
Clamping ring berfungsi menjepit spesimen antara base plate dan upper die block,
mengatur area bulge.
Spesifikasi:
1. Diameter luar clamping ring: 150 mm
2. Diameter dalam cavity: 20 mm (dengan chamfer untuk mengurangi gangguan selama
pembentukan bulge)
3. Upper die block: Diameter luar 281 mm, diameter dalam 150 mm, dan diameter
pengamatan area tonjolan 75 mm
Desain ini memungkinkan kontrol yang tepat terhadap area bulge dan mencegah
kebocoran selama pengujian.
Surahman
3052 Syntax Idea, Vol. 6, No. 07, Juli 2024
Gambar 3. Detail Engineering Desain Clamping Ring
Gambar 4. Detail Engineering Desain Upper Die Block
Penentuan Seal, O-rings, bolt and nut
Seal dan O-rings mencegah kebocoran pada clamping ring:
1. Diameter O-rings: Sesuai dengan geometri Draw Bead (50 mm dan 100 mm)
2. Bolt and Nut: 8 buah dengan dimensi M20
Penggunaan komponen ini memastikan kerapatan sistem dan keamanan pengujian.
Penentuan pressure system, positioning sensor dan cover protection.
Sistem tekanan, sensor posisi, dan pelindung fluida dirancang sebagai berikut:
1. Pressure system: Enerpac hand pump P39, tekanan hingga 10.000 psi
2. Positioning sensor: Dial indicator digital dengan ketelitian 0,01 mm
Desain Dan Pengembangan Alat Uji Tonjolan Hidrolik (Hydraulic Bulge Test) Sederhana
Berbiaya Rendah Untuk Karakterisasi Mampu Bentuk Logam Lembaran Tipis (Metal Foil)
pada Kondisi Regangan Biaksial Murni
Syntax Idea, Vol. 6, No. 07, Juli 2024 3053
3. Cover protection: Akrilik untuk menjaga fluida tetap terisolasi selama pengujian
Desain ini memungkinkan pengujian tekanan yang terukur dan akurat, serta
perlindungan fluida selama pengujian.
Gambar 5. Pressure system
Gambar 6 Dial Indicator dan Cover Protection akrilik
Proses Fabrikasi Alat
Fabrikasi dilakukan di Workshop Pemesinan PT Topaz Tali Limaz. Tahapan fabrikasi
meliputi:
Fabrikasi Base Plate
Fabrikasi roses pemesinan base plate dilakukan dengan mesin bubut manual, mencakup:
1. Pembentukan diameter dalam dan alur draw bead Sesuai geometri desain untuk
memastikan ruang fluida dan dudukan spesimen presisi.
Surahman
3054 Syntax Idea, Vol. 6, No. 07, Juli 2024
Gambar 7 Mesin Bubut yang digunakan untuk Proses Pemesinan
Gambar 8. Proses Pemesinan Base Plate
Fabrikasi Clamping Ring
Fabrikasi Proses pemesinan clamping ring meliputi:
2. Pembentukan diameter luar, alur draw bead, dan cavity bulge
3. Menjamin clamping ring pas dan efektif dalam menjepit spesimen
Gambar 9. Proses Pemesinan Clamping Ring
Fabrikasi Upper Die Block
Fabrikasi Pemesinan upper die block meliputi:
. Pembentukan diameter dalam dan alur penjepitan Sesuai geometri desain untuk
pengikatan dengan base plate dan optimalisasi penjepitan spesimen
Gambar 10 Proses Pemesinan Upper Die Block
Desain Dan Pengembangan Alat Uji Tonjolan Hidrolik (Hydraulic Bulge Test) Sederhana
Berbiaya Rendah Untuk Karakterisasi Mampu Bentuk Logam Lembaran Tipis (Metal Foil)
pada Kondisi Regangan Biaksial Murni
Syntax Idea, Vol. 6, No. 07, Juli 2024 3055
Pengujian Cara Kerja Alat
Setelah fabrikasi, alat dirakit dan diuji. Langkah-langkah pengujian meliputi
Gambar 10 Proses Pengujian Cara Kerja Alat
1.
Menempatkan base plate pada meja kerja
2.
Mengatur baut pada lubang pengikat
3.
Meletakkan spesimen di dalam alur spesimen
4.
Memasang clamping ring di atas spesimen
5.
Memasang upper die block dan mengatur dial indicator untuk menyentuh permukaan
spesimen
6.
Kalibrasi dial indicator ke 0
7.
Menghubungkan sistem tekanan
8.
Menutup cover akrilik
9.
Melakukan pumping dan merekam tekanan serta ketinggian tonjolan menggunakan
dial indicator
Pengujian Kemampuan
Bentuk Logam Lembaran Tipis
Validasi alat dilakukan dengan menguji lembaran kuningan tebal 0,2 mm. Spesimen
dibentuk sesuai desain dies (diameter 150 mm). Pengujian meliputi:
1. Mengamati kurva tegangan vs. regangan dari spesimen kuningan
2. Menganalisis eksponen pengerasan regangan (n-value) dan membandingkannya dengan
hasil literatur
Gambar-gambar terkait dan hasil pengujian menunjukkan alat berfungsi dengan baik
untuk karakterisasi material, dengan hasil n-value untuk kuningan berada dalam kisaran yang
diharapkan, yaitu 0,1 hingga 0,4.
Surahman
3056 Syntax Idea, Vol. 6, No. 07, Juli 2024
Gambar 11 Spesimen Pengujian Uji Tonjolan Hidrolik Material Metal Foil Kuningan
Tebal 0,2mm
Gambar 12. Spesimen Setelah Dilakukan Pengujian Uji Tonjolan Hidrolik Material
Metal Foil
Hasil Perhitungan Eksponen Pengerasan Regangan (nilai n)
Sample uji kuningan ke-1 sebagai berikut:
Diameter bulge : 20 mm
Ketebalan lembar kuningan : 0.2 mm
Data hasil bacaan tekanan berbanding tinggi bulge sebagai berikut:
Tabel 1. Hasil Bacaan Pengujian Sampel ke-1
Desain Dan Pengembangan Alat Uji Tonjolan Hidrolik (Hydraulic Bulge Test) Sederhana
Berbiaya Rendah Untuk Karakterisasi Mampu Bentuk Logam Lembaran Tipis (Metal Foil)
pada Kondisi Regangan Biaksial Murni
Syntax Idea, Vol. 6, No. 07, Juli 2024 3057
Perhitungan eksponen pengerasan regangan (nilai-n) sebagai berikut:
Tabel 2. Hasil Perhitungan Nilai n Sampel ke-1
Dari grafik di atas didapatkan nilai n lembaran kuningan sampel ke-1 adalah 0,3761.
Sample uji kuningan ke-2 sebagai berikut:
1. Diameter bulge : 20 mm
2. Ketebalan lembar kuningan : 0.2 mm
Data hasil bacaan tekanan berbanding tinggi bulge sebagai berikut:
Tabel 3. Hasil Bacaan Pengujian Sampel ke-2
Perhitungan eksponen pengerasan regangan (nilai-n) sebagai berikut:
Surahman
3058 Syntax Idea, Vol. 6, No. 07, Juli 2024
Tabel 4. Hasil Perhitungan Nilai n Sampel Ke-2
Dari grafik di atas didapatkan nilai n lembaran kuningan sampel ke-2 adalah 0,321.
Sample uji kuningan ke-3 sebagai berikut:
Diameter bulge : 20 mm
Ketebalan lembar kuningan : 0.2 mm
Data hasil bacaan tekanan berbanding tinggi bulge sebagai berikut:
Tabel 5. Hasil Bacaan Pengujian Sampel ke-3
Perhitungan eksponen pengerasan regangan (nilai-n) sebagai berikut:
Desain Dan Pengembangan Alat Uji Tonjolan Hidrolik (Hydraulic Bulge Test) Sederhana
Berbiaya Rendah Untuk Karakterisasi Mampu Bentuk Logam Lembaran Tipis (Metal Foil)
pada Kondisi Regangan Biaksial Murni
Syntax Idea, Vol. 6, No. 07, Juli 2024 3059
Tabel 6. Hasil Perhitungan Nilai n Sampel Ke-3.
Dari grafik di atas didapatkan nilai n lembaran kuningan sampel ke-2 adalah 0,337.
KESIMPULAN
Berdasarkan analisis data dan pembahasan pada penelitian ini, maka dapat disimpulkan
bahwa Alat uji bulge hidrolik dirancang dengan material dan komponen sederhana serta
berbiaya rendah. Alat ini dapat digunakan untuk karakterisasi kemampuan bentuk material
lembaran tipis dengan akurat. Pengujian spesimen kuningan menunjukkan kisaran n-value
antara 0,1 hingga 0,4.
BIBLIOGRAFI
Abendroth, Martin. (2017). FEM analysis of small punch tests. Key Engineering Materials,
734, 2336.
Baluch, Nazim, Udin, Zulkifli Mohamed, & Abdullah, Che Sobry. (2014). Advanced high
strength steel in auto industry: an overview. Engineering, Technology & Applied
Science Research, 4(4), 686689.
Surahman
3060 Syntax Idea, Vol. 6, No. 07, Juli 2024
Cahyono, Ivana Yunisa, & Irmawati, Dessy. (2018). Hood And Trunk Opening Of A Car
Using Spartphone Based On Bluetooth Connection. E-JPTE (Jurnal Elektronik
Pendidikan Teknik Elektronika), 7(2), 88106.
Haryanti, Ninis Hadi. (2017). Potensi serat alam sebagai material komposit. Lambung
Mangkurat University Press.
Koh, Cheok Wei. (2008). Design of a hydraulic bulge test apparatus. Massachusetts Institute
of Technology.
Majanasastra, R. Bagus Suryasa. (2016). Analisis sifat mekanik dan struktur mikro hasil
proses hydroforming pada material tembaga (Cu) C84800 dan aluminium Al 6063.
Jurnal Ilmiah Teknik Mesin, 4(2), 1530.
Martínez Palmeth, Luis Humberto, Gonzales Carmona, María Angelica, & Miranda Castro,
José. (2021). Design and analysis of a bulge test device. Ingeniería e Investigación,
41(3).
Nasser, A., Yadav, A., Pathak, P., & Altan, T. (2010). Determination of the flow stress of five
AHSS sheet materials (DP 600, DP 780, DP 780-CR, DP 780-HY and TRIP 780) using
the uniaxial tensile and the biaxial Viscous Pressure Bulge (VPB) tests. Journal of
Materials Processing Technology, 210(3), 429436.
Neff, Patrizio, Eidel, Bernhard, & Martin, Robert J. (2016). Geometry of logarithmic strain
measures in solid mechanics. Archive for Rational Mechanics and Analysis, 222, 507
572.
Pratama, Hermawan Suryo Aji, Anggono, Agus Dwi, & Hendrawan, Muh Alfatih. (2016).
Analisis Hasil Uji Cup Drawing Dan Kemampuan Tarik Tailor Welded Blanks (TWB)
Menggunakan Sambungan Las Titik Dengan Variasi Ketebalan Plat. Universitas
Muhammadiyah Surakarta.
RIYANTO, SETO AGUNG. (2015). Optimalisasi Proses Injeksi Molding Menggunakan
Moldflow Dual-Domain Pada Desain Base Plate. UAJY.
Suripto, Heri, & Anwar, Saiful. (2020). Desain dan Pengembangan Prototipe Alat Uji
Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro dengan Back Flow Water System. JTERA
(Jurnal Teknol. Rekayasa), 5(2), 221.
Vasilescu, Mario. (2016). Development of a hydraulic bulge test to determine the work
hardening behaviour of sheet materials. University of Windsor (Canada).
Wang, Hankui, Xu, Tong, & Shou, Binan. (2016). Determination of material strengths by
hydraulic bulge test. Materials, 10(1), 23.
Wicaksono, Bimmo. (2022). Desain Dan Simulasi Alat Uji Telapak Kaki Palsu.
Copyright holder:
Surahman (2024)
First publication right:
Syntax Idea
This article is licensed under: