Bahan Ajar Hybrid Machining System.pdf

Mesin Non-Konvensional

“HYBRID MACHINING SYSTEM” Dosen Pengampu : Drs. Selamat Riadi, M.T.

Oleh : Evander Hasudungan Hutagaol Wira Triswandi Aji Sahputra Simangunsong

5162321003 5163121033 5162321001

JURUSAN PENDIDIKAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS NEGERI MEDAN 2019

A. Tujuan Pembelajaran 1. Mahasiswa diharapkan mampu menjelaskan pengertian sistem hibrida. 2. Mahasiswa diharapkan mampu menjelaskan terkait desain dan pengembangan sistem manufaktur hibrida. 3. Mahasiswa diharapkan mampu menjelaskan terkair parameter proses independen & dependen. 4. Mahasiswa diharapkan mampu menjelaskan integrasi sistem manufaktur hibrida. B. Isi Materi 1. Perkenalan Pembuatan komponen logam yang andal dan ekonomis dengan geometri yang rumit sangat menarik bagi industri kedirgantaraan, medis, otomotif, perkakas, dan produk konsumen. Dalam upaya untuk mempersingkat waktu-ke-pasar, mengurangi rantai proses pembuatan, dan memangkas biaya produksi produk-produk yang dihasilkan oleh industri-industri ini, penelitian ini difokuskan pada integrasi berbagai proses pembuatan unit ke dalam satu mesin. Tujuan akhirnya adalah mengurangi ruang produksi, waktu, dan persyaratan tenaga kerja. Sistem terintegrasi semakin diakui sebagai sarana untuk memenuhi tujuan-tujuan ini. Banyak faktor yang mempercepat dorongan menuju sistem terintegrasi. Ini termasuk kebutuhan untuk mengurangi peralatan dan biaya proses, waktu pemrosesan yang lebih pendek, mengurangi waktu inspeksi, dan mengurangi penanganan. Di sisi lain, sistem terintegrasi membutuhkan tingkat sintesis yang lebih tinggi daripada proses tunggal. Oleh karena itu, pengembangan proses terintegrasi umumnya akan lebih kompleks daripada proses unit manufaktur individu, tetapi dapat memberikan disederhanakan, biaya lebih rendah manufaktur. Sistem terintegrasi di bidang penelitian ini memiliki kemampuan untuk menghasilkan bagian langsung dari representasi CAD, membuat geometri internal yang rumit, dan membentuk kombinasi bahan baru yang tidak mungkin dilakukan dengan proses subtraktif tradisional. Pengendapan logam laser (LMD) adalah kelas penting dari proses pembuatan aditif karena memberikan fungsionalitas dan fleksibilitas yang diperlukan untuk menghasilkan berbagai bagian logam (Hopkinson et al., 2006; Liou & Kinsella 2009; Venuvinod & Ma, 2004). Sistem komersial saat

ini yang mengandalkan LMD untuk menghasilkan sisipan perkakas, bagian prototipe, dan produk akhir dibatasi oleh serangkaian opsi material standar, ruang bangunan, dan fase pasca proses yang diperlukan untuk mendapatkan permukaan akhir dan toleransi yang diinginkan. Untuk mengatasi kebutuhan industri dan memperluas aplikasi proses deposisi logam, sistem manufaktur hibrida yang menggabungkan LMD dengan proses substraktif permesinan dikembangkan untuk mencapai sistem manufaktur yang terintegrasi penuh. Penelitian kami mengenai perancangan dan pengembangan sistem manufaktur hibrida telah mengarah pada integrasi proses aditif dan subtraktif dalam satu jejak kaki mesin sehingga kedua proses tersebut dipengaruhi selama pembuatan. Sistem proses pembuatan berbantuan laser (LAMP) menyediakan prototipe cepat dan infrastruktur pembuatan cepat untuk penelitian dan pendidikan. Sistem LAMP menciptakan bagian logam yang sangat padat dan memberikan semua keuntungan dari sistem LMD komersial. Kemampuan di luar geometri kompleks dan permukaan akhir yang baik meliputi: (1) bagian logam bahan gradien fungsional di mana bahan yang berbeda ditambahkan dari satu lapisan ke yang berikutnya atau bahkan dari satu bagian ke bagian lain, (2) sensor yang tertanam mulus, (3) perbaikan bagian untuk mengurangi memo dan memperpanjang usia layanan produk, dan (4) bagian berdinding tipis karena kekuatan pemrosesan yang sangat rendah (Hopkinson et al., 2006; Liou et al., 2007; Ren et al., 2008). Sistem hibrida ini merupakan pendekatan yang sangat kompetitif dan ekonomis untuk membuat struktur logam. Sistem manufaktur hibrida memfasilitasi model produksi yang berkelanjutan dan cerdas dan menawarkan fleksibilitas infrastruktur untuk beradaptasi dengan teknologi yang muncul, penyesuaian, dan perubahan kebutuhan pasar (Westkämper, 2007). Akibatnya, strategi desain, arsitektur sistem, dan pengetahuan yang dibutuhkan untuk membangun sistem manufaktur hibrida secara samar-samar dijelaskan atau tidak disebutkan sama sekali dalam literatur. Tujuan bab ini adalah untuk meringkas temuan-temuan penelitian utama yang terkait dengan desain, pengembangan, dan integrasi proses manufaktur hibrida yang memanfaatkan LMD untuk menghasilkan bagian logam yang sangat padat dan jadi. Otomasi, integrasi, dan strategi kontrol bersama dengan masalah dan solusi yang terkait disajikan sebagai pedoman desain untuk memberikan wawasan yang dibutuhkan desainer masa depan untuk berhasil membangun sistem hibrida. Mengikuti perspektif desain teknik, pengetahuan fungsional dan proses dari desain

sistem hybrid dieksplorasi sebelum komponen fisik dilibatkan. Hasil utama adalah arsitektur sistem, pemodelan kualitatif, dan pemodelan kuantitatif dan simulasi proses pembuatan hibrida. Singkatnya, bab ini memberikan pendekatan interdisipliner untuk desain dan pengembangan sistem manufaktur hibrida untuk menghasilkan bagian logam yang tidak hanya fungsional, tetapi juga diproses hingga permukaan akhir yang diinginkan dan toleransi. Pendekatan dan strategi yang digunakan dalam penelitian ini bersatu untuk memfasilitasi desain sistem produksi yang berkelanjutan dan cerdas yang menawarkan fleksibilitas infrastruktur yang dapat disesuaikan dengan teknologi yang muncul dan disesuaikan dengan perubahan kebutuhan pasar. Selain itu, pendekatan untuk desain dan pengembangan sistem hybrid dapat membantu secara umum dengan sistem manufaktur terintegrasi. Menerapkan strategi untuk merancang sistem baru atau memperbaiki peralatan lama dapat meningkatkan produktivitas dan kemampuan sistem. 2. Pekerjaan terkait Setiap proses yang menghasilkan bagian fisik padat yang dihasilkan langsung dari model CAD 3D dapat diberi label proses prototyping cepat (Kalpakjian & Schmid, 2003; Venuvinod & Ma, 2004). Sama halnya, suatu proses yang mengubah bahan mentah, lapis demi lapis menjadi suatu produk adalah proses prototyping yang cepat, tetapi biasanya disebut sebagai manufaktur aditif atau manufaktur berlapis. Subtraktif manufaktur adalah proses menghilangkan bahan baku secara bertahap sampai dimensi yang diinginkan terpenuhi. Di mana proses aditif dimulai dari bawah ke atas, proses subtraktif dimulai dari atas ke bawah. Kombinasi proses manufaktur dari berbagai kategori pemrosesan membentuk sistem manufaktur hybrid. Di sini, sistem manufaktur hibrida mengacu pada sistem manufaktur yang terdiri dari proses manufaktur aditif dan subtraktif. Baik pembuatan yang adiktif maupun kurang mencakup berbagai proses fabrikasi. Sebagai contoh, pembuatan adiktif dapat melibatkan proses berbasis bubuk (misalnya, sintering laser selektif), berbasis cair (misalnya, stereolithografi) atau berbasis padat (misalnya, pemodelan pengendapan peleburan), masing-masing menggunakan berbagai bahan (Gebhardt, 2003 ; Kai & Fai, 1997; Venuvinod & Ma, 2004). Sementara manufaktur subtraktif tradisional biasanya disediakan.

untuk logam, proses subtraktif maju atau non-konvensional telah muncul untuk menangani berbagai bahan yang lebih besar yang meliputi pemesinan pelepasan listrik, pemotongan jet air, permesinan elektrokimia dan pemotongan laser (Kalpakjian & Schmid, 2003). Integrasi fisik proses manufaktur aditif dan subtraktif, seperti pengendapan logam laser dan permesinan, adalah kunci untuk meningkatkan keuntungan dari setiap proses. Luasnya bidang manufaktur aditif dan subtraktif telah memprovokasi banyak orang untuk menguji batas dan mencoba konsep baru, dalam upaya untuk menemukan sistem terbaik berikutnya yang akan memainkan peran kunci dalam memajukan teknologi manufaktur. Peneliti akademis dan industri sama-sama telah mengembangkan novel, sistem manufaktur hibrida, namun, desain dan strategi integrasi tidak dipublikasikan. Di sisi lain, beberapa pendekatan yang diambil untuk mengembangkan sistem hybrid yang andal yang memberikan hasil yang konsisten, dengan mayoritas didasarkan pada proses konsolidasi, telah menerbitkan panduan sederhana untuk desain sistem mereka. Dalam paragraf berikut, sejumlah sistem manufaktur hibrida ditinjau untuk memberikan gambaran tentang apa yang telah berhasil. Teknologi yang diarahkan oleh sinar, seperti kelongsong laser, sangat mudah diintegrasikan dengan proses lain. Sebagian besar telah diintegrasikan dengan mesin penggilingan yang dikendalikan secara numerik (CNC) hanya dengan memasang kepala kelongsong ke sumbu z dari mesin penggilingan. Kerschbaumer dan Ernst memasang kembali sebuah mesin penggilingan 5-sumbu Röders RFM 600 DS 5 dengan Nd: YAG kepala cladding laser dan unit pengumpanan bubuk, yang semuanya dikendalikan oleh kontrol CNC yang diperluas (Kerschbaumer & Ernst, 2004). Demikian pula, proses Direct Laser Deposition (DLD) memanfaatkan laser Nd: YAG, nozzle serbuk koaksial dan sistem digitasi seperti yang dijelaskan oleh (Nowotny et al., 2003) diintegrasikan ke dalam mesin penggilingan Fadal 3-sumbu. Laser-Based Additive Manufacturing (LBAM) seperti yang diteliti di Southern Methodist University, adalah teknik yang menggabungkan pengumpan laser Nd: YAG dan bubuk dengan sistem gerak yang dibuat khusus yang dilengkapi dengan sistem pencitraan inframerah (Hu et al., 2002) . Proses ini menghasilkan bagian logam presisi tinggi dengan kualitas proses yang konsisten. Keempat sistem ini melakukan semua langkah pengendapan terlebih dahulu, dan kemudian mesin bagian ke finish yang diinginkan, konsisten dengan fabrikasi aditif konvensional.

Dua proses pembuatan berbasis bubuk yang menunjukkan penggunaan bahan yang sangat baik dan dalam banyak kasus komponen yang diproduksi tidak memerlukan finishing adalah Direct Metal Laser Sintering (DMLS) dan Laser Consolidation (LC). Menggunakan teknologi manufaktur berlapis, sistem DMLS seperti sistem EOS EOSINT M270 Xtended, dapat mencapai penyelesaian komponen yang dapat diterima menggunakan bahan serbuk logam tebal 20 mikron halus yang tersebar merata di area build dalam lapisan tebal 20 mikron (3axis, 2010). Konsolidasi Laser yang dikembangkan oleh NRC Kanada adalah proses bentuk-bersih yang mungkin tidak memerlukan tooling atau pemrosesan sekunder (kecuali antarmuka) (Xue, 2006, 2008). Bagian yang diproduksi menggunakan proses ini menunjukkan akurasi dimensi netshape dan permukaan akhir serta kekuatan bagian yang sangat baik dan sifat material. Proses aditif non-konvensional menunjukkan fitur-fitur canggih, langkahlangkah aditif dan subtraktif alternatif, mengisi cangkang shell, dll. Proses RP hibrid yang diusulkan oleh (Hur et al., 2002) menggabungkan pusat permesinan 6-sumbu dengan semua jenis proses aditif yang dibuat. machinable, modul lembar balik, dan paket perangkat lunak perencanaan proses canggih. Yang membedakan proses ini adalah bagaimana perangkat lunak menguraikan model CAD menjadi segmen fitur pemesinan dan deposisi, yang memaksimalkan keuntungan mesin penggilingan CNC, dan secara signifikan mengurangi waktu pembuatan sekaligus meningkatkan akurasi bentuk. Pengelasan laser, pendekatan hibrid lain, melibatkan pengumpan kawat, laser CO2, pusat penggilingan 5-sumbu, dan unit kontrol berbasis PC-NC kustom yang telah digunakan untuk memproduksi cetakan untuk cetakan injeksi (Choi et al., 2001). Hybrid-Layered Manufacturing (HLM) seperti yang diteliti oleh (Akula & Karunakaran, 2006) mengintegrasikan proses pengelasan MIG / MAG Sinergis TransPulse dengan mesin penggilingan konvensional untuk menghasilkan alat bentuk yang hampir bersih dan mati. Ini adalah tooling cepat langsung. Operasi pengelasan dan penggilingan wajah berganti-ganti untuk mencapai ketinggian lapisan yang diinginkan dan menghasilkan bagian logam padat yang sangat akurat. Proses yang sebanding dikembangkan di Fraunhofer IPT bernama Controlled Metal Build-up (CMB), di mana, setelah setiap lapisan yang diendapkan, permukaan digiling halus (Kloche, 2002). Namun, CMB menggunakan laser yang diintegrasikan ke dalam mesin penggilingan konvensional.

Song and Park telah mengembangkan proses pengendapan hybrid, dinamai pengelasan dan penggilingan 3D karena alat las busur logam gas (GMAW) berbasis kawat telah diintegrasikan dengan pusat permesinan CNC (Song & Park, 2006). Proses ini menggunakan las busur logam gas untuk deposit lebih cepat dan lebih ekonomis. Uniknya, pengelasan dan penggilingan 3D dapat menyimpan dua material secara bersamaan dengan dua senjata las atau mengisi cangkang yang disimpan dengan cepat dengan menuangkan logam cair ke dalamnya. Cetakan Shape Deposition Manufacturing (SDM) sistem di Stanford juga menggunakan beberapa bahan untuk menyimpan bagian yang sudah jadi, untuk tujuan yang berbeda (Cooper, 1999). Substrat ditempatkan di pabrik CNC dan bahan kokoh seperti resin atau lilin yang dapat disembuhkan UV diendapkan untuk membentuk dinding cetakan, yang kemudian diisi dengan bahan yang mudah larut. Bagian atas cetakan disimpan di atas bahan yang dapat larut untuk menyelesaikan cetakan; setelah cetakan mendingin, bahan yang dapat larut dilepaskan, dan diganti dengan bahan bagian yang diinginkan. Akhirnya, cetakan kokoh dilepas untuk mengungkapkan bagian akhir, yang dapat dikerjakan mesin jika perlu. Berlawanan dengan urutan desain tipikal (Jeng & Lin, 2001) membangun gerak dan sistem kontrol mereka sendiri untuk sistem Selektif Laser Cladding (SLC) dan mengintegrasikan kepala penggilingan, yang meratakan permukaan pengendapan setelah setiap dua lapisan. Jelas, setiap sistem memiliki kelebihannya dan memberikan kontribusi yang berbeda untuk industri RM. Meskipun menggunakan mesin penggilingan CNC untuk sistem gerak adalah pendekatan yang paling umum untuk membangun sistem hibrida, lengan robot dapat dengan mudah diganti. Ini adalah kasus dengan SDM yang dibuat di Stanford University (Fessler et al., 1999). Lengan robot dilengkapi dengan kepala cladding laser Nd: YAG yang dapat diposisikan secara akurat, memungkinkan penyimpanan material secara selektif dan sangat mengurangi waktu pengerjaan. Integrasi robot penanganan dapat mengurangi kesalahan penentuan posisi dan waktu antar operasi jika proses aditif dan subtraktif tidak terintegrasi secara fisik. Sebagian besar sistem yang disebutkan di atas telah dibangun dengan mempertimbangkan keserbagunaan dan dapat diatur untuk memanfaatkan banyak bahan atau disesuaikan untuk melakukan operasi lain. Namun, sistem hibrida inovatif yang memiliki operasi dan kemampuan yang sangat spesifik adalah pembuatan laminasi variabel (VLM-ST) dan sistem hotwire cutting multi-fungsional (MHC) (Yang et al., 2005). Sistem VLM-ST mengkhususkan diri pada objek berukuran besar,

hingga 3 kaki x 5 kaki., Dengan mengubah blok busa polystyrene menjadi objek 3D menggunakan meja putar dari sistem MHC 4-sumbu selama pemotongan; jika objek masih lebih besar, beberapa potong dipotong dan disatukan. Strategi desain di balik beberapa sistem hybrid yang ditinjau tidak ditekankan dan didokumentasikan. Dengan demikian, informasi kunci untuk desain dan pengembangan sistem hibrida tidak ada yang menghalangi para peneliti dan perancang untuk dengan mudah merancang dan membangun sistem hibrid mereka sendiri. Informasi yang terkandung dalam bab ini bertujuan untuk memberikan gambaran komprehensif tentang desain, pengembangan, dan integrasi sistem manufaktur hibrida sehingga orang lain dapat menggunakan sebagai pedoman untuk menciptakan sistem hibrida yang memenuhi kebutuhan unik mereka. 3. Sistem manufaktur hibrida Laboratorium proses pembuatan berbantuan laser (LAMP) di Universitas Sains dan Teknologi Missouri (sebelumnya Universitas Missouri-Rolla) menampung sistem manufaktur hibrida 5-sumbu, yang didirikan oleh Dr. Liou dan fakultas lain pada akhir 1990-an. Sistem ini memerlukan integrasi aditif-subtraktif, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1, untuk membangun infrastruktur pembuatan prototipe / cepat untuk penelitian dan pendidikan di Missouri S&T. Integrasi jenis ini direncanakan secara khusus untuk mendapatkan struktur dinding tipis yang kokoh, permukaan akhir yang baik, dan fitur internal yang kompleks, yang tidak mungkin dilakukan oleh LMD atau sistem permesinan saja. Secara keseluruhan, desain sistem memberikan kemampuan pembangunan yang lebih besar, akurasi yang lebih baik, dan permukaan akhir yang lebih baik dari struktur dengan pasca-pemrosesan minimal sambil mendukung kontrol otomatis. Aplikasi sistem ini termasuk memperbaiki bagian yang rusak (Liou et al., 2007), membuat bahan gradien yang fungsional, membuat bagian-bagian yang menggantung tanpa struktur pendukung, dan menyematkan sensor, dan menyejukkan saluran ke bagian-bagian khusus.

Sistem hybrid LAMP terdiri dari lima subsistem atau elemen integrasi: perencanaan proses, sistem kontrol, sistem gerak, proses manufaktur, dan sistem finishing. Peralatan yang terkait dengan subsistem dijelaskan dalam paragraf berikut dan diringkas dalam Tabel 1. Sistem perencanaan proses LAMP adalah perangkat lunak pembuatan atau pengiris berlapis in-house yang mengimpor model STL dari paket CAD komersial untuk menghasilkan deskripsi yang menentukan panjang kolam meleleh (mm), suhu puncak kolam lebur, tinggi lapisan (mm) dan urutan dari operasi. Tujuan dari perangkat lunak perencanaan proses adalah untuk mengintegrasikan gerakan limasumbu dan proses hibrida mesin-deposisi. Hasilnya terdiri dari informasi sub-bagian dan urutan pembuatan / pemesinan (Ren et al., 2010; Ruan et al., 2005). Untuk menghasilkan jalur alat mesin yang akurat, kerangka bagian, yang menghitung jarak dan mengimbangi tepi atau batas, dibuat dari model CAD. Fungsi jarak, gradien, dan penelusuran dimodifikasi untuk memungkinkan lingkungan yang diketahui lebih rumit dan tidak terhubung untuk keberhasilan implementasi dengan sistem manufaktur hibrida LAMP. Langkah-langkah perencanaan dasar melibatkan menentukan wajah dasar, mengekstraksi kerangka, membusuk menjadi bagian kecil, menentukan urutan dan arah pembuatan untuk sub-bagian, memeriksa kelayakan urutan dan arah untuk proses pemesinan, dan optimalisasi pengendapan dan pemesinan.

Proses pembuatan aditif 3D sejati dapat dicapai dengan pusat pemesinan 5sumbu tanpa struktur pendukung tambahan (Ruan et al., 2005), berbeda dengan 2.5D yang disediakan oleh mesin 3-sumbu. Oleh karena itu subsistem gerak untuk sistem manufaktur hibrida LAMP adalah Fadal 3016L VMC 5-sumbu, yang juga merupakan subsistem penyelesaian. Motor servo mengendalikan gerakan di sepanjang sumbu dibandingkan dengan roda engkol dan poros pada peralatan mesin konvensional. Fadal VMC dikendalikan melalui kode G dan M yang dimasukkan di panel kontrol atau diumpankan dari jarak jauh melalui koneksi RS-232. Proses pembuatan utama dari sistem hybrid adalah pengendapan logam laser, proses pembuatan aditif. Serbuk logam dilelehkan menggunakan laser dioda 1kW sementara sistem gerak melintas sebagai respons terhadap lintasan pahat yang dihasilkan oleh perangkat lunak perencanaan proses, sehingga menciptakan trek cair dalam mode lapis demi lapis pada substrat logam. Lapisan diendapkan dengan ketebalan minimum 10μm. Suhu kolam leleh adalah antara 1000 ° C dan 1800 ° C, tergantung pada materialnya (mis. Baja perkakas H13, paduan Titanium), tetapi kurang dari 2000 ° C. Sistem pengiriman bubuk komersial, yang dirancang untuk proses penyemprotan plasma membawa baja atau bubuk titanium ke substrat melalui argon. Kepala kelongsong dipasang pada sumbu z dari Fadal VMC untuk sepenuhnya memanfaatkan sistem gerak dan memberikan kesempatan untuk mesin bagian fabrikasi pada setiap titik dalam proses pengendapan dengan menerapkan algoritma terjemahan. Optik pemfokusan balok, pemisah berkas untuk menyandingkan proses radiasi dari jalur sinar laser, koneksi pendingin air, koneksi pengumpan bubuk, dan berbagai sensor (opsional) terletak di dalam kepala kelongsong. Dibangun pada kepala cladding adalah jalur untuk serbuk logam untuk melakukan perjalanan ke jalur sinar laser dalam bentuk konsentris, oleh karena itu, melepaskan bubuk logam dalam

volume dan laju yang seragam. Kaca kuarsa digunakan untuk memfokuskan sinar laser dan air yang dibawa dari chiller ke kepala cladding dengan selang plastik kecil mengurangi keausan pada optik fokus. Secara keseluruhan, subsistem LMD mencakup peralatan untuk penguat, pendinginan, dan pengiriman material serbuk. Kontrol dari subsistem pabrikan hybrid memerlukan pengontrol industri yang serba guna dan serangkaian sensor untuk memperoleh umpan balik. Sistem Kontrol Waktu Nyata Instrumen Nasional (NI RT System) menyediakan port dan saluran I / O analog dan digital, DAC, RS-232, dan ADC untuk mengendalikan semua subsistem sistem hybrid. Sistem kontrol berisi Prosesor PXI-8170, kartu 8211 Ethernet, kartu 8422 RS-232, kartu I / O 6527 Digital, kartu Output Analog 6711, kartu I / O 6602 Timing, kartu Multi-fungsi 6040E, dan Pengontrol anSCXI dengan pengukuran dan sistem otomasi. PXI menggabungkan fitur bus listrik PCI dengan modular, kemasan Eurocard dari PCI Compact, dan kemudian menambahkan bus sinkronisasi khusus dan fitur perangkat lunak utama. Extension Pengkondisian Sinyal untuk Instrumentasi (SCXI) adalah pengkondisian sinyal front-end dan sistem switching untuk berbagai perangkat pengukuran, termasuk perangkat akuisisi data plug-in. Sistem kontrol kami menawarkan modularitas, perluasan, dan bandwidth tinggi dalam satu platform tunggal Umpan balik sistem diperoleh melalui sensor suhu dan perpindahan laser. Sensor perpindahan laser Omron Z4M-W100 digunakan untuk menentukan secara digital tinggi kepala kelongsong di atas media. Ada zona berbahaya dan zona aman yang bisa dijangkau oleh nosel terkait media. Output dari sensor perpindahan adalah 4 hingga +4 VDC yang dikonversi menjadi nilai jarak minimum dan maksimum, masing-masing. Sensor suhu adalah sensor suhu inframerah non-kontak, serat-optik, Mikron MI-GA5-LO. Itu diinstal ke sumbu-Z dari VMC dengan fixture yang dapat disesuaikan. Pengaturan untuk akuisisi data suhu kolam meleleh, sementara deposisi terjadi pada sudut 42 °, 180 mm dari kolam meleleh dan pengambilan sampel setiap 2 ms. Ada juga sistem visi mesin, sebuah sensor gambar Fastcom iMVS-155 CMOS, untuk menonton kolam yang meleleh secara real-time. Itu juga telah digunakan untuk memantau geometri kolam leleh dan membantu dengan pendekatan empiris kami untuk parameter proses fine tune.

4. Desain & pengembangan sistem manufaktur hibrida Faktor penentu keberhasilan sistem terintegrasi adalah kualitas, kemampuan beradaptasi, produktivitas, dan fleksibilitas (Garelle & Stark, 1988). Dimasukkannya teknologi fabrikasi aditif dalam sistem manufaktur subtraktif tradisional secara inheren membahas empat faktor ini. Namun demikian, mempertimbangkan empat faktor keberhasilan selama fase desain awal akan memastikan bahwa sistem manufaktur yang dihasilkan akan memenuhi harapan jangka pendek dan jangka panjang, dapat diandalkan, dan mengurangi keusangan sistem. Agar sistem manufaktur hibrida menjadi pilihan luas, mereka juga harus menjadi solusi ekonomis. Dorf dan Kusiak menunjukkan bahwa ketiga aliran dalam sistem manufaktur yaitu material, informasi, dan biaya, yang "harus bekerja secara efektif dalam kerja sama erat untuk manufaktur yang efisien dan ekonomis" (Dorf & Kusiak, 1994). Bagian ini meninjau upaya pemodelan kualitatif dan kuantitatif bahan dan informasi serta desain arsitektur sistem yang menggabungkan pengetahuan yang diperoleh melalui pemodelan. Pemodelan biaya untuk sistem hybrid hanya bersifat sementara, namun, analisis manfaat biaya seperti yang diusulkan dalam (Nagel & Liou, 2010) dapat dilakukan untuk mengukur penghematan. 4.1 Arsitektur sistem Awalnya, desain sistem LAMP diintegrasikan hanya melalui kombinasi fisik dari proses deposisi logam laser (manufaktur aditif) dan pusat permesinan (manufaktur substraktif). Selain itu, setiap subsistem memiliki pengontrol terpisah, termasuk LMD dan VMC, yang memerlukan kontrol manual dari sistem hybrid. Mengkonfigurasi ulang sistem hybrid LAMP untuk memanfaatkan sistem kontrol pusat, meningkatkan komunikasi antara subsistem dan menghilangkan kebutuhan akan banyak orang. Selain itu, proses tersebut dapat dikontrol dan dipantau dari lokasi yang jauh, sehingga meningkatkan keamanan proses pembuatannya. Arsitektur sistem manufaktur hybrid mengikuti modular, struktur elemen integrasi seperti yang didefinisikan dalam (Nagel & Liou, 2010). Gambar 2 menunjukkan pemetaan langsung kebutuhan dan persyaratan pelanggan untuk arsitektur sistem secara keseluruhan serta hubungan ketergantungan. Membangun geometri, permukaan akhir, dan sifat material adalah kebutuhan yang berhubungan langsung dengan produk jadi. Operasi dan fleksibilitas yang efisien

adalah persyaratan sistem untuk menjadi kompetitif dan berhubungan langsung dengan sistem itu sendiri.

Gambar. 2. LAMP Hybrid System Architecture

4.2 Pemodelan kualitatif Kualitatif Upaya pemodelan kualitatif difokuskan pada pemahaman parameter proses dan aliran proses. Pemodelan interaksi parameter proses mengungkap parameter proses independen dan dependen di mana sebagai pemodelan proses manufaktur mengidentifikasi peluang untuk optimasi. Subbagian berikut meringkas bagaimana pemodelan kualitatif telah digunakan untuk mendapatkan pengetahuan tentang hubungan antara parameter proses dan sumber daya yang digunakan dalam setiap langkah proses pembuatan hibrida. 4.2.1

Parameter proses independen Parameter proses independen utama untuk sistem manufaktur hibrid

meliputi yang berikut ini: daya sinar laser, kecepatan proses, laju umpan bubuk, diameter sinar laser, dan lebar jalur sinar laser (jalur tumpang tindih) seperti ditunjukkan pada Gambar. 3 (Liou et al. , 2001). Parameter lain seperti jarak kepala ke permukaan (jarak dekat), laju aliran gas

pembawa, absorptivitas, dan kedalaman fokus sehubungan dengan media juga memainkan peran penting.

Gambar. 3. LAMP Hybrid System Process Parameters (Adapted from Liou et al., 2001) Parameter proses ketebalan lapisan secara langsung terkait dengan kepadatan daya sinar laser dan merupakan fungsi dari kekuatan sinar datang dan diameter balok. Secara umum, untuk diameter balok yang konstan, ketebalan lapisan meningkat dengan meningkatnya daya balok yang disediakan laju umpan bubuk yang sesuai. Diamati juga bahwa laju pengendapan meningkat dengan meningkatnya daya laser (Weerasinghe & Steen, 1983). Laju aliran massa bubuk adalah parameter proses penting lainnya yang secara langsung mempengaruhi ketebalan lapisan. Namun, laju aliran bubuk yang efektif, yang mencakup efisiensi bubuk selama proses LMD, ternyata menjadi parameter yang lebih penting (Lin & Steen, 1998; Mazumder et al., 1999). Juga faktor yang paling signifikan mempengaruhi pemanfaatan bubuk persen adalah daya laser. Nozzle kepala kelongsong diatur untuk memberikan pasokan konsentris bubuk ke kolam lelehan, dan karena sifat set-up, aliran bubuk berbentuk jam kaca. Aliran serbuk pada awalnya tidak fokus saat melewati kepala kelongsong, tetapi nosel memandu serbuk secara konsentris ke pusatnya, dan pada dasarnya "memfokuskan" sinar bubuk. Fokus diameter terkecil dari "balok" bubuk tergantung pada desain nosel kepala kelongsong. Juga, jika diameter sinar laser menjadi terlalu kecil dibandingkan dengan diameter balok bubuk,

mis., 100μm, banyak bubuk yang disediakan tidak akan mencapai kolam peleburan. Dengan demikian, akan ada pemanfaatan bubuk yang sangat rendah. Kecepatan proses memiliki dampak besar pada output proses. Secara umum, penurunan kecepatan proses meningkatkan ketebalan lapisan. Ada ambang untuk mengurangi kecepatan proses, bagaimanapun, karena terlalu banyak energi spesifik (sebagaimana didefinisikan dalam Bagian 5.2.2) akan menyebabkan pengerasan atau pengerasan sekunder dari lapisan sebelumnya (Mazumder et al., 1997). Kecepatan proses harus dipilih dengan baik karena memiliki pengaruh kuat pada struktur mikro. Parameter diameter sinar laser adalah salah satu variabel paling penting karena menentukan kerapatan daya. Mungkin sulit untuk secara akurat mengukur sinar laser daya tinggi. Ini sebagian karena bentuk diameter balok efektif (mis., Gaussian, Top hat) dan sebagian karena definisi apa yang harus diukur. Teknik pembentukan isoterm tunggal seperti kertas arang dan pengeboran plat akrilik atau logam sudah terkenal tetapi menderita karena fakta bahwa isoterm tertentu yang mereka plot bergantung

pada

pembentukan

daya

isoterm

dan

waktu

mengatasi

pemaparan.

Berbagai

kesulitan-kesulitan

ini

teknik tetapi

membosankan untuk ditafsirkan Lebar jalur balok atau lebar balok tumpang tindih memiliki pengaruh kuat terhadap kekasaran permukaan. Karena tumpang tindih pass pengendapan meningkat, lembah antara pass dinaikkan karena tumpang tindih sehingga mengurangi kekasaran permukaan. Bedak yang telah melekat ke permukaan, tetapi belum meleleh akan diproses secara berturut-turut. Untuk mendapatkan kualitas permukaan terbaik, persentase pass overlap harus ditingkatkan sebanyak mungkin. Sebaliknya, untuk mengurangi kekasaran permukaan, lapisan deposisi harus dijaga setipis mungkin. 4.2.2

Parameter proses dependen Parameter proses dependen utama dari sistem manufaktur hybrid adalah: ketebalan lapisan, kekasaran permukaan, dan waktu proses (Gbr. 3). Parameter dependen lainnya seperti kekerasan,

struktur mikro, dan sifat mekanik juga harus dipertimbangkan, tetapi dalam bab ini kita hanya akan fokus pada parameter yang terkait dengan dimensi fisik. Ada berbagai macam ketebalan lapisan serta laju pengendapan yang dapat dicapai dengan menggunakan LMD. Namun, pertimbangan kualitas bagian membatasi kecepatan pengendapan optimal. Ketebalan lapisan dan laju deposisi volume dipengaruhi terutama oleh energi spesifik dan laju aliran massa bubuk. Di sini, energi spesifik (SE) didefinisikan sebagai: SE = p / (Dv), di mana p adalah kekuatan sinar laser, D adalah diameter sinar laser dan v adalah kecepatan proses. Juga telah diketahui bahwa daya laser aktual yang diserap dalam kolam lelehan tidak sama dengan daya laser nominal yang diukur dari monitor daya laser karena reflektifitas dan faktor-faktor terkait plasma lainnya tergantung pada bahan (Duley, 1983). Oleh karena itu, penggunaan

energi

spesifik

yang

disesuaikan

lebih

disukai.

Mempertimbangkan faktor, ada hubungan linier positif antara ketebalan lapisan dan energi spesifik yang disesuaikan untuk berbagai laju aliran massa bubuk (Liou et al., 2001). Kekasaran permukaan ditemukan sangat tergantung pada arah pengukuran sehubungan dengan logam yang diendapkan (Liou et al., 2001; Mazumder et al., 1999). Dalam memeriksa kekasaran permukaan, setidaknya empat arah harus diuji dari setiap sampel; arah panjang dan lebar pada permukaan atas, dan arah horisontal dan vertikal pada dinding tipis. Karena kekasaran terbesar pada masingmasing sampel adalah yang utama, pengukuran harus dilakukan hanya tegak lurus terhadap arah pengendapan pada permukaan atas dan dalam arah vertikal pada dinding, berdasarkan pada eksperimen kami. Waktu

pemrosesan

pengendapan

keseluruhan

terutama

tergantung pada ketebalan lapisan per irisan, kecepatan proses, dan diameter sinar laser. Kondisi pemrosesan perlu dioptimalkan sebelum mengoptimalkan waktu pemrosesan, karena waktu pemrosesan secara langsung dipengaruhi oleh kondisi pemrosesan. Jika diameter sinar laser meningkat, energi spesifik dan densitas daya akan berkurang di bawah kondisi proses yang sama, itu berarti, laju deposisi yang lebih

rendah kecuali daya laser dan laju aliran massa bubuk meningkat secara

bersamaan.

Demikian

pula,

ketika

kecepatan

proses

ditingkatkan, parameter proses independen harus dioptimalkan sesuai. 4.2.3

Pemodelan proses Pemodelan proses yang digunakan untuk memodelkan sistem manufaktur hybrid bertujuan untuk mengoptimalkan urutan dengan mana bahan mengalir melalui sistem (Shunk, 1992; Wang, 1997). Mengikuti pendekatan pemodelan proses oleh (Nagel et al., 2009), proses peristiwa dan tugas dalam setiap peristiwa diidentifikasi. Bagian A dari Gambar. 4 menunjukkan proses pembuatan hibrida yang dikendalikan secara manual. Dekomposisi proses sistem dibantu dengan identifikasi titik integrasi untuk mengurangi jumlah langkah dan peristiwa dalam proses yang menghasilkan penghematan waktu yang signifikan. Bagian B dari Gambar. 4 menunjukkan proses yang dioptimalkan.

Setelah proses ditata dengan jelas, sistem gerak dan sistem kontrol dapat didefinisikan secara akurat. Mengkonfigurasi ulang elemen sistem hibrida LAMP untuk memanfaatkan sistem kontrol

pusat meningkatkan komunikasi antara subsistem dan menghilangkan kebutuhan akan banyak orang. Selain itu, proses tersebut dapat dikontrol dan dipantau dari lokasi yang jauh, sehingga meningkatkan keamanan proses pembuatannya. Perbaikan tambahan dibuat untuk perangkat lunak perencanaan proses, subsistem deposisi logam laser, dan VMC. Dalam upaya untuk menghilangkan komputer VMC yang terpisah, yang diperlukan hanya untuk mengunggah kode mesin melalui kontrol numerik langsung, protokol komunikasi RS-232 yang digunakan oleh Fadal direkayasa balik dan diimplementasikan melalui LABVIEW. Subsistem pengiriman bahan laser, pendingin, dan serbuk dari proses pengendapan logam laser dilengkapi dengan port kontrol eksternal, tetapi tidak digunakan dalam konfigurasi sistem sebelumnya. Selanjutnya, semua subsistem dan modul terhubung langsung ke perangkat keras sistem kontrol sehingga kontrol eksternal dapat digunakan. Menginisialisasi komunikasi di antara subsistem LAMP menjadi dasar untuk perangkat lunak sistem kontrol. Off-line, perangkat lunak pabrik berlapis in-house hanya mengkonversi model CAD menjadi irisan kode mesin lapis demi lapis untuk membuat jalur alat. Dengan sistem kontrol pusat sekarang di tempat, perangkat lunak manufaktur berlapis di-rumah diubah untuk menghasilkan kode mesin, tenaga laser, dan perintah aliran bubuk, yang bersama-sama terdiri dari bagian program dan didistribusikan melalui perangkat lunak sistem kontrol. Secara keseluruhan, integrasi proses manufaktur telah menghasilkan modularitas, perawatan yang mudah, dan peningkatan proses.

Dengan

demikian,

meningkatkan

produktivitas

dan

kemampuan sistem. 4.3 Pemodelan & simulasi kuantitatif Pemodelan dan simulasi kuantitatif memberikan landasan teoretis untuk menjelaskan fenomena yang diamati melalui penelitian empiris. Selain itu, pemodelan terperinci membantu mengembangkan pemahaman kuantitatif tentang hubungan antara parameter proses independen dan parameter proses dependen. Memahami hubungan antara parameter memberikan kontrol akurat terhadap dimensi fisik dan sifat material dari bagian tersebut. Sementara upaya

pemodelan terpisah dilakukan, output dari satu model dimasukkan ke yang lain. Subbagian berikut merangkum bagaimana pemodelan kuantitatif telah digunakan untuk mengembangkan pemahaman teoritis tentang proses pembuatan hibrida LAMP. 4.3.1

Pemodelan dan simulasi kolam leleh Geometri lelehan kolam dan kontrol perilaku termal sangat penting dalam memperoleh kinerja bangunan yang konsisten, seperti akurasi geometri, struktur mikro, dan tegangan sisa. Model 3D dikembangkan untuk memprediksi perilaku termal dan geometri dari kolam lelehan dalam proses interaksi material laser (Han et al., 2005). Evolusi kolam leleh dan efek dari parameter proses diselidiki melalui pemodelan dan simulasi dengan kasus sinar laser stasioner dan bergerak. Ketika sinar laser intens menyinari permukaan substrat, kolam leleh akan muncul di bawah sinar laser dan bergerak seiring dengan gerakan sinar laser. Untuk menafsirkan mekanisme interaksi antara sinar laser dan substrat, model ini mempertimbangkan kolam leleh dan wilayah yang berdekatan. Persamaan yang mengatur untuk konservasi massa, momentum dan energi dapat diekspresikan dalam bentuk berikut:

di mana ρ, V, p, μ, T, k, dan h adalah densitas, vektor kecepatan, tekanan, viskositas dinamis fluida cair, suhu, konduktivitas, dan entalpi, masing-masing. K adalah permeabilitas zona lembek, Vs adalah kecepatan gerak substrat sehubungan dengan sinar laser dan subskrip s dan l merupakan fase padat dan cair. Karena fase padat dan cair dapat hidup berdampingan dalam sel perhitungan yang sama di zona lembek, jenis campuran sifat fisik termal diterapkan dalam implementasi numerik.

Antarmuka cair / uap adalah batas paling sulit untuk implementasi numerik dalam model ini karena banyak fenomena fisik dan gaya antarmuka terlibat di sana. Untuk mengatasi kekuatan antar muka tersebut, metode level set digunakan untuk mendapatkan solusi permukaan bebas kolam lelehan (Han et al., 2005). Untuk menghindari ketidakstabilan numerik yang timbul dari lompatan properti fisik pada antarmuka cairan / uap, fungsi Heaviside H (φ) diperkenalkan untuk menentukan wilayah transisi tempat properti fisik diredakan. Keseimbangan energi antara energi laser input dan kehilangan panas yang disebabkan oleh penguapan, konveksi dan radiasi menentukan suhu permukaan. Daya laser, radius titik sinar, jarak dari sel perhitungan ke pusat sinar, dan koefisien absorptivitas digunakan untuk menghitung masuknya panas laser. Kehilangan panas pada antarmuka cairan / uap dihitung dalam hal kehilangan panas konvektif, kehilangan panas radiasi dan kehilangan panas penguapan. Peran konveksi dan deformasi permukaan pada disipasi panas dan geometri kolam lebur diungkapkan dengan analisis tanpa dimensi. Ditemukan bahwa gaya antar muka termasuk gaya termo-kapiler, tegangan permukaan dan tekanan uap rekoil sangat mempengaruhi bentuk kolam leleh dan aliran fluida. Perbandingan kuantitatif gaya antar muka menunjukkan bahwa tekanan uap rekoil dominan di bawah pusat kolam leleh sementara gaya termo-kapiler dan tegangan permukaan lebih penting di pinggiran kolam lebur. Untuk verifikasi, sistem penglihatan cerdas digunakan untuk memperoleh gambar kumpulan leleh secara real time pada tingkat daya laser yang berbeda dan kecepatan proses, dan geometri leleh pool diukur dengan penampang melintang sampel yang diperoleh pada berbagai kondisi proses (Han et al., 2005). Prediksi simulasi dibandingkan dengan hasil eksperimen untuk kedua kasus laser stasioner dan kasus laser bergerak di berbagai kondisi proses. Hasil prediksi model sangat berkorelasi dengan data eksperimen. Contoh perbandingan bentuk kolam leleh antara simulasi dan percobaan untuk kasus sinar laser bergerak ditunjukkan pada Gambar. 5

4.3.2

Pemodelan dan simulasi dinamika aliran bubuk Analisis aliran bubuk logam dalam sistem makan adalah penting khususnya bagi para peneliti untuk mengoptimalkan teknik fabrikasi LMD. Simulasi aliran bubuk memegang peran penting dalam memahami fenomena aliran. Model Lagrangian stokastik untuk mensimulasikan perilaku dispersi serbuk logam, atau aliran bubuk yang disebabkan oleh interaksi dinding partikel nonspherikal, dijelaskan

(Pan

&

Liou,

2005).

Model

numerik

juga

mempertimbangkan efek bentuk partikel. Dalam aliran gas-solid yang dibatasi dinding, proses tumbukan dinding memainkan peran penting dan sangat dipengaruhi oleh bentuk partikel. Efek non-bola dianggap sebagai penyimpangan dari bola murni menunjukkan dispersi partikel yang diinduksi, yang memiliki dampak besar pada fokusibilitas aliran serbuk pada pintu keluar nozzle kepala kelongsong laser. Parameter yang terlibat dalam tabrakan non-bola dianalisis untuk faktor yang mempengaruhi serta keterkaitan mereka.

Parameter yang terlibat dalam model non-bola 2-D termasuk β dan R, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6, Bagian A, di mana β menunjukkan seberapa banyak titik kontak C menyimpang dari kaki vertikal dari pusat gravitasi partikel. dan R menunjukkan jarak aktual antara titik kontak dan pusat gravitasi. Sistem koordinat tumbukan yang digunakan untuk menggambarkan dinamika tumbukan 3D didefinisikan pada Gambar. 6, Bagian B. Kecepatan kontak dihitung dari:

di mana V adalah vektor kecepatan translasi partikel, ω adalah vektor kecepatan sudut, dan R adalah vektor yang menghubungkan pusat massa partikel ke titik kontak C. Perubahan kecepatan titik kontak dapat diperoleh dengan persamaan berikut:

di mana m adalah massa partikel, I adalah matriks identitas 3x3, dan Rx adalah matriks skewsymmetric 3x3 kanonik yang sesuai dengan R, ΔP menunjukkan impuls yang dikirim ke partikel dalam tumbukan, dan J-1 adalah tensor inersia terbalik pada koordinat lokal . Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6, Bagian C, sebuah cluster yang terdiri dari dua bola identik dengan jari-jari yang sama r mewakili partikel bubuk nonspherical dari model 3D. Representasi ini mengarah pada pemodelan umum partikel serbuk logam satelliting. Kekasaran dinding juga mempengaruhi perilaku dispersi serbuk, oleh karena itu dalam model ini efek kekasaran dimasukkan dengan menggunakan model dan parameter yang diusulkan oleh (Sommerfeld & Huber, 1999). Sudut tumbukan seketika diasumsikan terdiri dari sudut lintasan partikel sehubungan dengan dinding bidang dan komponen acak yang diambil dari fungsi distribusi Gaussian. Juga diasumsikan bahwa setiap tabrakan memiliki 30% kemungkinan untuk menjadi non-bola, yang menyiratkan model stokastik diterapkan pada

30% dari total tabrakan selama simulasi proses makan. Simulasi menggunakan model bola (0% non-bola) juga dilakukan. Model non-bola berhasil memprediksi profil konsentrasi bubuk aktual sepanjang arah radial dan aksial, sedangkan model partikel bola meremehkan dispersi dan menghasilkan penyebaran sempit aliran di sepanjang arah radial. Bila dibandingkan dengan hasil percobaan, aliran bubuk simulasi 3D dalam perjanjian kuat, yang menunjukkan validasi model. Model ini juga memprediksi konsentrasi bubuk puncak atau titik fokus aliran daya untuk geometri nosel head cladding spesifik. Sangat penting untuk membangun aliran bubuk yang terfokus dengan baik di pintu keluar nozzle dan untuk mengetahui jarak standoff yang ideal dalam rangka meningkatkan tangkapan bubuk di kolam lelehan, mencapai integritas material yang tinggi, dan mengurangi limbah material. 4.3.3

Pemodelan dan simulasi lintasan pahat Perencanaan proses, simulasi, dan pembuatan jalur alat memungkinkan

perancang

untuk

memvisualisasikan

dan

mensimulasikan pembuatan komponen sebelum pembuatan untuk memastikan proses yang sukses. Pengiris multi-sumbu adaptif, deteksi tabrakan, dan pembuatan pola lintasan pahat alat untuk LMD serta pembuatan lintasan pahat untuk permesinan permukaan adalah keuntungan

utama

dari

perangkat

lunak

perencanaan

proses

terintegrasi yang dikembangkan untuk sistem hybrid LAMP (Ren et al., 2010) . Langkah-langkah perencanaan dasar melibatkan menentukan wajah dasar dan mengekstraksi kerangka model CAD input (Gbr. 7, kiri atas). Kerangka tersebut ditemukan menggunakan algoritma ekstraksi sumbu centroidal (Gbr. 7, kanan atas). Berdasarkan sumbu centroidal, bagian didekomposisi menjadi subkomponen dan untuk masing-masing

sub-komponen,

arah

pengirisan

yang

berbeda

didefinisikan sesuai dengan arah pembangunan. Untuk membangun beberapa komponen, tidak hanya terjemahan tetapi juga rotasi akan diperlukan untuk menyelesaikan pembangunan seluruh bagian karena subkomponen yang berbeda memiliki arah bangunan yang berbeda

(Gbr. 7, tengah bawah), dan arah nosel laser selalu sepanjang z sumbu. Setelah hasil penguraian (Gbr. 7, kiri bawah) diperoleh, hubungan antara semua komponen ditentukan, dan grafik hubungan bangunan dibuat. Dari hasil pengirisan dan arah arahan, deteksi tabrakan ditentukan. Deteksi tabrakan diimplementasikan oleh operasi Boolean, yang merupakan operasi persimpangan, pada simulasi (Ren et al., 2010). Jika hasil persimpangan dari model CAD yang diperbarui dan nozzle kepala kelongsong tidak kosong, maka tabrakan akan terjadi dalam proses deposisi nyata. Deformasi model CAD mengikuti grafik hubungan bangunan mencakup dua kategori: deformasi posisi dan deformasi dimensi. Perubahan posisi berarti terjemahan atau rotasi model CAD. Dimensi akan berubah setelah setiap lapisan pengiris selesai. Untuk setiap model yang diperbarui, tumbukan perlu diperiksa sebelum

lapisan

pengiris

selanjutnya

ditambahkan.

Mengikuti

algoritma pendeteksian tabrakan, jika potensi tabrakan terdeteksi, urutan lapisan pengiris disusun kembali (Ren et al., 2010). Keluaran dari algoritma pendeteksian tabrakan akan menjadi daftar akhir lapisan pengiris, yang terdiri dari urutan bangunan aktual saat membuat bagian

Bagian terakhir dari perencanaan proses adalah pembuatan jalur alat. Pola lintasan pahat umum adalah offset raster, kontur-

paralel, zig-zag, dan interlaced. Setiap pola memiliki kelebihan dan kekurangan. Algoritma path alat deposisi adaptif mempertimbangkan setiap pola ketika memprediksi kemungkinan rongga deposisi. Tujuan dari algoritma ini adalah untuk menyesuaikan jalur alat untuk menghapus rongga deposisi dan meningkatkan efisiensi waktu. Beberapa pola lintasan pahat dapat digunakan selama pembuatan dan algoritme juga dapat meresepkan pola lintasan pahat yang sesuai jika diperlukan. Permukaan akhir permesinan adalah langkah berurutan yang digunakan setelah deposisi untuk meningkatkan kualitas produksi setelah deposisi selesai. Perangkat lunak perencanaan proses memungkinkan perancang untuk menentukan parameter pemesinan termasuk laju umpan, kecepatan spindel, dan kedalaman pemotongan sebelum menentukan jumlah siklus pemesinan yang diperlukan. Seperti halnya LMD, penyejajaran juga akan diintegrasikan untuk geometri 3D untuk mencapai akurasi tanpa memuat ulang bagian yang diendapkan untuk dikerjakan. Sekali lagi, lintasan pahat akan dihasilkan sedemikian sehingga lintasan pahat pemesinan bebastabrakan akan dihasilkan untuk bagian yang diendapkan. Algoritma peta visibilitas (Ruan & Liou, 2003) diterapkan untuk mendeteksi tabrakan antara alat dan bagian yang disimpan. Langkah perencanaan proses akhir adalah menghasilkan bagian program. Langkah ini merupakan jembatan antara hasil algoritmik perencanaan proses, pemodelan kuantitatif parameter proses, dan prosedur operasional yang realistis serta parameter lingkungan manufaktur 5-sumbu. Ini akan membangun peta hasil perencanaan proses dan parameter operasional nyata dan kemudian menafsirkan jalur alat perencanaan akhir sebagai gerakan yang sesuai dari sistem manufaktur hibrida. Perangkat lunak akan menggabungkan dan memperbaiki gerakan-gerakan tersebut dan menerjemahkannya ke dalam kode yang dapat dieksekusi mesin. Menghasilkan file teks yang terdiri dari tiga kolom data yang diperlukan untuk sistem kontrol untuk memerintahkan laser, pengumpan bubuk, dan sistem gerak (Ren et al., 2010). Set operasi terakhir didasarkan pada grafik hubungan bangunan,

arahan pembangunan yang menghindari tabrakan, jalur pahat, dan waktu yang diperlukan. 5. Integrasi sistem manufaktur hibrida Selama penelitian ini beberapa desain sistem manufaktur terintegrasi dianalisis untuk mengidentifikasi karakteristik apa yang membentuk sistem hybrid yang sukses. Berdasarkan penelitian latar belakang ini, dan pengalaman bekerja dengan dan memperbaiki sistem LAMP, elemen-elemen kunci dari sistem manufaktur hibrida diidentifikasi. Kelima elemen kunci mewakili cara yang efektif untuk merancang sistem manufaktur hibrida, dibandingkan dengan desain yang dapat dikonfigurasi ulang atau mekatronik, karena elemen yang diidentifikasi mengandung subsistem yang diperlukan, mudah dimodulasi, dan menganjurkan penggunaan perangkat keras dan perangkat lunak yang tidak tersedia. Dalam sistem yang terintegrasi, setiap elemen bertindak sebagai subsistem terpisah yang memiliki desain modular yang stabil (Gerelle & Stark, 1988) Strategi untuk mengendalikan proses LMD dan permesinan terintegrasi, sistem gerak 5-sumbu, dan aliran data yang sesuai memberikan dasar untuk otomatisasi sistem sepenuhnya. Mempertimbangkan skalabilitas, strategi integrasi kami menekankan modularitas komponen terintegrasi tetapi juga modularitas perangkat lunak pengendali. Strategi kontrol kami memungkinkan aliran data mudah ditambahkan atau dihapus. Selain itu, desain kami memungkinkan operator untuk mengoptimalkan strategi kontrol untuk geometri tertentu. 5.1 integrasi fisik Hambatan muncul selama pengembangan sistem manufaktur apa pun; namun, dengan mengidentifikasi hambatan dan solusi, industri secara keseluruhan dapat memperoleh manfaat. Di luar biaya dan hasil, hambatan mengembangkan sistem manufaktur hibrida yang dibahas di sini mencakup berbagai topik. Tabel 2 merangkum hambatan yang terkait dengan integrasi fisik sistem hybrid LAMP dan memberikan solusi yang terdokumentasi. Informasi yang terdokumentasi dalam Tabel 2 tidak membahas setiap hambatan integrasi yang mungkin, tetapi dimaksudkan untuk menjadi komprehensif dari apa yang ditemukan dalam literatur dan pengalaman pribadi. Masalah di luar integrasi, seperti properti material dapat ditemukan di (Nagel & Liou, 2010).

Setelah kontrol pusat, integrasi, dan modularitas ditegakkan dalam sistem hybrid LAMP, cacat dan waktu pembuatan berkurang secara signifikan, dan keselamatan meningkat secara signifikan. Integritas bahan ditingkatkan karena laser dapat dengan tepat diperintahkan on / off atau berdenyut sesuai kebutuhan selama pengendapan. Lebih jauh lagi, dengan mengintegrasikan kekuatan laser dan perintah aliran bubuk ke dalam perangkat lunak perencanaan proses dan mengotomatisasi distribusi perintah, bagian-bagian yang dinilai fungsional diproduksi dengan mudah. Masalah Menambahkan kepala cladding laser ke VMC

Solusi Pelat dengan lubang yang tepat disadap untuk kepala kelongsong yang dipasang pada sumbu Z dari VMC Tarik kepala laser atau Perlindungan Peralatan posisikan cukup jauh dari kepala mesin Pasang sensor perpindahan pada sumbu Z Protokol komunikasi Gunakan teknik terbalik tidak dikenal untuk mengetahui protokol komunikasi Pengendalian mutu Terapkan bagan kendali, bagan pareto, dll. Umpan balik sensor digunakan oleh pengontrol loop tertutup Transisi antara proses Terapkan matriks aditif dan subtraktif terjemahan yang mereposisi sumbu X-Y untuk proses yang diinginkan Penempatan sensor untuk Pasang sistem memantau kolam leleh penglihatan sensitif karena panas tinggi dari sejalan dengan laser proses LMD menggunakan pelekat cermin dichromatic untuk kepala kelongsong, dan perangkat keras khusus yang dipasang pada pelat menahan probe suhu pada sudut pandang yang dapat diterima

Hasil Kepala kelongsong laser terpasang dengan aman dan peralatan atau perlengkapan masa depan dapat ditambahkan Lindungi nozzle laser Ketika cladding head terlalu dekat dengan X-Y, proses terhenti Subsistem dapat dikontrol dari sistem kontrol pusat Kontrol kualitas manual Kontrol kualitas otomatis Penentuan posisi yang akurat untuk pemesinan atau LMD Sensor aman, dan proses LMD dapat diakses

5.2 Integrasi perangkat lunak Pemanfaatan sistem kontrol pusat secara langsung menghasilkan otomatisasi sistem hybrid LAMP dan memungkinkan kemungkinan yang tidak konvensional untuk dieksplorasi. Untuk mencapai pengontrol pusat, sebuah kerangka kerja yang terdiri dari rencana multi-fase dan metodologi implementasi

dikembangkan.

Kerangka

otomatisasi

melibatkan

mengendalikan laser, pengumpan bubuk, dan sistem gerak, dan memanfaatkan umpan balik sensor, semua melalui subsistem kontrol NI PXI. Kontroler terbuka dan loop tertutup dirancang, bersama dengan kompatibilitas dan pengecekan komunikasi modul yang tepat. Selain itu, kompensasi untuk dinamika sistem yang tidak diinginkan, keterlambatan dan kebisingan dianggap untuk memastikan proses pembuatan otomatis yang andal dan akurat. Hasil dari kerangka kerja otomatisasi adalah program pengendapan otomatis (dikembangkan di LabVIEW) dengan antarmuka pengguna grafis yang disesuaikan dan kemampuan merekam data. Gambar 8 adalah deskripsi visual dari tata letak sistem komunikasi hybrid LAMP, termasuk perencanaan proses yang terjadi di luar sistem kontrol. Setelah perencanaan proses menyelesaikan program bagian, dengan kekuatan laser dan perintah laju aliran massa bubuk dalam bentuk tegangan, sistem kontrol mem-parsing melalui informasi untuk secara otomatis membuat bagian yang diinginkan. Sementara perintah dikirim ke perangkat fisik, sensor memantau proses dan mengirim umpan balik ke sistem kontrol secara bersamaan, memungkinkan parameter berubah secara waktu nyata.

Yang unik pada sistem hybrid LAMP adalah perangkat keras dan lunaknya bersifat modular. Program pengendapan otomatis yang dijalankan oleh sistem kontrol memiliki tiga mode berbeda: run-run, kontrol loop terbuka, dan kontrol loop tertutup. Kode fundamental dalam program pengendapan otomatis dibagikan di antara masing-masing mode, seperti sistem kontrol adalah pusat sistem hybrid LAMP. Bagian tambahan dari kode yang mengontrol laser, mengontrol pengumpan bubuk, memanfaatkan umpan balik, atau hanya membaca, menampilkan dan merekam data dari sensor dihidupkan atau dimatikan oleh setiap mode. Modularitas kode mencegah sejumlah besar perangkat lunak sistem kontrol agar tidak ditulis ulang ketika peralatan ditingkatkan atau subsistem diganti. Selama mode kering-lari, hanya kode mesin yang didistribusikan oleh sistem kontrol, yang memungkinkan pengguna untuk memantau gerakan VMC tanpa membuang-buang bahan dan energi. Mode ini terutama digunakan untuk memeriksa jalur pahat yang tidak pasti untuk contoh kapan laser harus dimatikan atau ketika transisi jalur pahat tampak terlalu berisiko. Misalnya, transisi dari satu geometri ke yang lain dapat berputar lebih lama dari yang diinginkan pada satu titik yang menyebabkan gundukan terbentuk dan mengeras, yang menghancurkan keseluruhan geometri bagian dan dapat bertabrakan dengan nosel kelongsong laser. Mode kontrol loop terbuka dan loop tertutup disediakan untuk membuat komponen dan menyertakan fitur pemantauan sistem dan akuisisi data. Perangkat lunak modular memungkinkan

beberapa pengontrol loop tertutup dioptimalkan untuk geometri tertentu untuk ditambahkan saat penelitian selesai, seperti pengontrol umpan maju (Tang et al., 2007) yang mengatur aliran bubuk ke kolam leleh untuk struktur lingkaran, dinding berdinding tipis atau struktur berdinding tipis dengan banyak busur. C. Evaluasi 

Soal Test 1. Jelaskan pengertian dari sistem hibrida menurut Westkämper. 2. Sebutkan 5 (lima) subsistem atau elemen integrasi sistem hybrid LAMP. 3. Jelaskan persamaan yang mengatur untuk konservasi massa, momentum dan energi. 4. Sebutkan

solusi & hasil yang dapat diselesaikan dari masalah yang

dihadapi pada integrasi fisik sistem manufaktur hibrida. 5. Jelaskan yang kamu ketahui mengenai parameter independen dan parameter dependen. 

Jawaban 1. Sistem hibrida ini merupakan pendekatan yang sangat kompetitif dan ekonomis untuk membuat struktur logam. Sistem manufaktur hibrida memfasilitasi model produksi yang berkelanjutan dan cerdas dan menawarkan fleksibilitas infrastruktur untuk beradaptasi dengan teknologi yang muncul, penyesuaian, dan perubahan kebutuhan pasar 2. Lima subsistem hybrid LAMP: o Perencanaan proses o Sistem kontrol o Sistem gerak o Proses manufaktur o Sistem finishing 3. Persamaan yang mengatur untuk konservasi massa, momentum dan energi dapat diekspresikan dalam bentuk berikut:

di mana ρ, V, p, μ, T, k, dan h adalah densitas, vektor kecepatan, tekanan, viskositas dinamis fluida cair, suhu, konduktivitas, dan entalpi, masingmasing. K adalah permeabilitas zona lembek, Vs adalah kecepatan gerak substrat sehubungan dengan sinar laser dan subskrip s dan l merupakan fase padat dan cair. 4. Berbagai solusi & hasil yang didapat dari masalah dalam integrasi fisik sistem manufaktur hybrid. Masalah Menambahkan kepala cladding laser ke VMC

Solusi Pelat dengan lubang yang tepat disadap untuk kepala kelongsong yang dipasang pada sumbu Z dari VMC Tarik kepala laser atau Perlindungan Peralatan posisikan cukup jauh dari kepala mesin Pasang sensor perpindahan pada sumbu Z Protokol komunikasi Gunakan teknik terbalik tidak dikenal untuk mengetahui protokol komunikasi Pengendalian mutu Terapkan bagan kendali, bagan pareto, dll. Umpan balik sensor digunakan oleh pengontrol loop tertutup Transisi antara proses Terapkan matriks aditif dan subtraktif terjemahan yang mereposisi sumbu X-Y untuk proses yang diinginkan Penempatan sensor untuk Pasang sistem memantau kolam leleh penglihatan sensitif karena panas tinggi dari sejalan dengan laser proses LMD menggunakan pelekat

Hasil Kepala kelongsong laser terpasang dengan aman dan peralatan atau perlengkapan masa depan dapat ditambahkan Lindungi nozzle laser Ketika cladding head terlalu dekat dengan X-Y, proses terhenti Subsistem dapat dikontrol dari sistem kontrol pusat Kontrol kualitas manual Kontrol kualitas otomatis Penentuan posisi yang akurat untuk pemesinan atau LMD Sensor aman, dan proses LMD dapat diakses

cermin dichromatic untuk kepala kelongsong, dan perangkat keras khusus yang dipasang pada pelat menahan probe suhu pada sudut pandang yang dapat diterima

5. Parameter proses independen : Parameter proses independen utama untuk sistem manufaktur hibrid meliputi yang berikut ini: daya sinar laser, kecepatan proses, laju umpan bubuk, diameter sinar laser, dan lebar jalur sinar laser (jalur tumpang tindih) seperti ditunjukkan pada Gambar. 3 (Liou et al. , 2001). Parameter lain seperti jarak kepala ke permukaan (jarak dekat), laju aliran gas pembawa, absorptivitas, dan kedalaman fokus sehubungan dengan media juga memainkan peran penting Parameter proses dependen : Parameter proses dependen utama dari sistem manufaktur hybrid adalah: ketebalan lapisan, kekasaran permukaan, dan waktu proses (Gbr. 3). Parameter dependen lainnya seperti kekerasan, struktur mikro, dan sifat mekanik juga harus dipertimbangkan, tetapi dalam bab ini kita hanya akan fokus pada parameter yang terkait dengan dimensi fisik