Water Jet Machine

       

Water Jet Machining (WJM) merupakan mesin yang menggunakan pancaran air untuk memotong lembaran logam. Pengertian lain dari 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) dan 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. Contoh prinsip pengerjaan dalam mesin WJM ini adalah apabila jari diletakkan pada ujung keran air, maka cucuran aliran dengan tekanan tinggi akan mencuci kotoran yang melekat secara efektif.

        Erosi terjadi bila tekanan fluida setempat melebihi tegangan dari material yang mengikat diri bersama sasaran. Dengan kata lain, pancaran cairan pemotong mengelupas material pertama-tama olehgayamekanis dari cucuran dengan kecepatan tinggi yang menimpa pada luasan kecil, dimana oleh tekanan tersebut melampaui tekanan aliran material terpotong.

Farmer dan attewell melaporkan hasil eksperimennya mengenai pancaran air menimpa batu pasir. System tersebut menggunakan pancaran bergetar dengan kecepatan 500 meter/detik dan pengaruh kecepatan terhadap penetrasi dilaporkan. Studi dari Brook dan Summers memikirkan mengenai pancaran air kontinyu menimpa sasaran batu pasir. Pengaruh dari SOD pada tekanan sampai 92 MN/m2 untuk pancaran dengan atau tanpa bahan tambahan polymer. Pancaran air bergetar telah digunakan dalam penggalian batu dan permesinan alumunium dan tembaga. Fanz telah mencatat pentingnya memanfaatkan pancaran cairan koheren dan telah diberikan hasil eksperimennya pancaran cairan dengan bahan dan telah diberikan hasil eksperimennya pancaran cairan dengan bahan tambahan polymer. Penggunaan pancaran cairan untuk pemotongan material selain batuan adalah juga telah dipelajari oleh beberapa ilmuan peneliti. Kemapuan pemotongan pada tekanan sampai 10.000 atm telah dilaporkan untuk berbagai sasaran material yang sangat luas. Material yang sangat luas tersebut seperti kayu, tembaga, karet, alumunium, perunggu, dan baja. Studi yang baru telah dilaporkan oleh Neusen dan La Brush, pengelupasan material yang efektif adalah sebagai fungsi dari tekanan masuk nosel dan jarak antara nosel dan sasaran.

Karakteristik WJM

1. Menggunakan kecepatan yang sangat tinggi, aliran pertikel abrasive(20.000-90.000psi) yang dihasilkan oleh sebuah jet pompa air intensifier
2. Dalam pengerjaan tidak mengalami kerusakan pada benda kerja,permukaan yang panas atau pinggiranya
3. Sudut yang terbentuk kurang dari 1 derajat digunakan pada kebanyakan pemotongan,yang dapat dikurangi atau dihilangkan sama sekali dengan memperlambat proses pemotongan
4.  Jarak nosle dan benda kerja mempengaruhi ukuran guritan
5. Digunakan pada bahan yang sensitive terhadap panas, bahan yang halus ataupun bahan yang keras.

Bagian-bagian dari water jet

 Diagram air jet pemotong:

1.  air bertekanan tinggi inlet
2.  permata (ruby atau berlian)
3. abrasive (garnet)
4. tabung pencampuran
5.  pelindung
6. air jet pemotong
7. benda kerja

Kecepatan tinggi air yang keluar dari permata menciptakan ruang hampa yang menarik abrasive dari garis kasar, yang kemudian bercampur dengan air dalam tabung pencampuran.

Diagram air jet pemotong terdiri dari bagian-bagian seperti air bertekanan tinggi inlet, permata (ruby atau berlian), abrasive (garnet), pencampuran tabung, penjaga, pemotong air jet, pemotong bahan. Pompa sebagai sumber tekanan dan nosel sebagai pembentuk pancaran adalah bagian yang mendasar pada setiap system pemotongan dengan pancaran. Perlengkapan lainnya seperti perpipaan, fitting, dan valves. Adapun penjelasan dari peralatan-perlatan tersebut adalah sebagai berikut:

1.      Pompa

Penekanan cairan sebesar 1500 dan 4000 Mn/m2 biasanya dilakukan oleh salah satu dari gerakan langsung secara mekanis terhadap  plumper berdiameter kecil atau dengan penguat (internsifier). Tekanan fluida yang cukup besar menggerakan piston berpenampang besar dimana pada langkah baliknya menggerakan ram berdiameter kecil yang menampakan fluida pemotong.

Pada tekanan tersebut permasalahan itamanya adalah mengatasi kebocoran (sealing)akibat tekanan tinggi dari ram, sedangkan masalah kerusakan komponen mekanis dapat dibatasi oleh unsure hidup dari perlatan tersebut. Beberapa cara penyelesaian telah diketemukan salah satu diantaranya  adalah memebrikan paking tekanan tinggi yang dapat digantikan secara cepat dengan kemudahan untuk mendapatkannya. Alternative lainnya conventional fabric back, paking karet sintetis dapat dilumasi dengan menambahkan seluble oil sampai 5% kepada air yang dipompakan. Namun oil ini mungkin tidak cocok dengan material yang dipotong dan pembuangan limbah fluidanya dapat juga menjadikan pertimbangan yang menyulitkan.

Ram untuk gerak bolak-balik (reciprocating ram) dapat dilingkupi dengan fitting sleeve tertutup yang panjang. Dengan rancangan yang benar dan pembuatan yang presisi kebocoran fluida melewati kelonggaran seal dapat dikurangi serendahnya 2% dari unit pengiriman rata-rata pada tekanan 30KN/cm2. Membuat komponen dari logam keras menjadikan seal mempunyai umur hidup yang panjang dan cocok untuk berbagai jenis fluida pemotong termasuk air murni.

Metode lain adalah menggunakan dua seal berkelonggaran kecil pada ram. Melalui gerak pemakanan (feeding) pada ruang antara seal dan oli yang sangat kental pada tekanan tinggi, kebocoran dapat terkurangi, namun sebagian kecil oli akan tak terelakkan keluar fluida pemotong melalui seal bagian dalam (innerseal).

Cara kerja pompa:

Sebenarnya, prinsip kerja dari abrasive waterjet dapat dikatakan sederhana dan juga sangat kompleks. Prinsip kerja yang paling sederhana adalah mengalirkan air dengan bantuan pompa menuju lubang kepala pemotong. Penjelasan fungsinya secara mendetil sebenarnya sangatlah kompleks. Untuk menghasilkan dan menjaga agar output air bertekanan tetap pada kisaran 60.000 psi, dibutuhkan teknologi yang sangat maju dan kompleks. Pada tekanan ini, sedikit saja kesalahan dapat menyebabkan kerusakan permanen pada komponen mesin.

Pompa adalah jantung dari waterjet. Pompa harus dapat menghasilkan air bertekanan tinggi secara kontinu. Secara umum, pompa terdiri dari dua macam, yaitu pompa langsung, dan pompa tidak langsung (intensifier based pump). Namun, saat ini jenis pompa yang lebih banyak digunakan untuk penggunaan di bidang industri adalah jenis pompa tidak langsung (intensifier based pump), karena jenis pompa ini dapat menghasilkan tekanan air yang lebih tinggi. Oleh karena itu, pada makalah ini, kami hanya akan membahas mengenai intensifier based pump. Intensifier based pump adalah suatu sistem pompa air yang dapat menghasilkan air bertekanan tinggi secara kontinu. 

Skema waterjet cutting dengan sistem intensifier based pump. Motor listrik menyebabkan pompa hidrolik mensirkulasikan cairan hidrolik pada sistem yang menyebabkan piston beserta plunyer kiri dan kanan dapat bergerak maju mundur secara terus-menerus. Pada saat batang plunyer di sebelah kiri bergerak ke arah kanan, air dari sumber tersedot masuk ke dalam pipa penampung sementara, sedangkan pada plunyer bagian kanan, air didorong keluar dari pipa penampung sementara menuju lubang kepala pemotong, dan sebaliknya pada saat cairan fuida disirkulasikan kembali, batang piston di sebelah kanan bergerak ke arah kiri dan menyedot air dari sumber air ke dalam pipa penampung sementara, dan pada sisi kiri dari pompa, air yang telah disedot masuk tadi didorong keluar menuju lubang kepala pemotong. Sehingga dengan prinsip kerja seperti ini, kita dapat menghasilkan debit air secara kontinu dengan tekanan dan kelajuan yang sangat tinggi, mencapai tekanan 60.000 psi pada kecepatan 762m/s.

2.      Perpipaan (Tubing)

Pipa tekanan tinggi yang digunakan untuk mengirim fluida dari satu system ke komponen lainnya adalah berdinding tebal dengan perbandingan antara diameter luar dan diameter dalam sedikitnya 5 dan kadang-kadang lebih tinggi dari 10. Pipa dapat dibuat dari baja stainless bor dinding pejal atau dinding kompsit dengan baja stainlessdidalamnya dan baja karbon sebagai kulitnya. Perpiapaan dapat digunakan untuk melawan fluida pda tekanan lebih tinggi dari pada tegangan yield material pipa melalui pemakian proses yang dikenal dengan autofrottaging atau self hooping.

3.      Penyambung Pipa (Tube Fitting)

Garis kontak antara logam dengan logam adalah teknik yang biasa dipakai untuk mendapatkan penyekatan fluida dalam penyambungan pipa tekanan tinggi, yang diberikan oleh penarikan bentuk konis masuk kedalam rongga yang melingkupinya (Rounded socket). Konis mungkin dikerjakan langsung pada pipanya atau bentuk konis yang dipasangkan dapat dipakai. Pada tekanan yang lebih tinggi, rancangan konis yangreplaceable adalah yang kebanyak digunakan.

4.      Valves

Kebanyak valves untuk tekanan tinggi adalah tipe jarum (needle type). Aliran utama yang melewatinya dikontrol oleh bentuk konis yang terpasang tetap pada ujung jarum terhadap dudukannya. Seal kelenjar (Gland Seal) biasanya dibutuhkan untuk mengurangi kebocoran sepanjang batang tangkai.

5.      Nosel

Nosel berari mengubah tekanan tinggi dari cairan menjadi pancaran dengan kecepatan tinggi sesuai dengan berbagai keinginan dari perancang. Untuk erosi minimum maka material nosel harus sangat keras, sebaliknya untuk memberikan bentuk kontur yang halus material harus ulet dan mudah dikerjakan. Nosel dapat dibuat dari sintered diamondatau sappire dan dapat digunakan untuk bagian yang dipasangkan pada pemegang baja yang jelas membutuhkan tegangan dan keuletan.

Diamond, tungsten carbide, dan baja special telah digunakan untuk membuat nosel yang berkualitas. Suatu nosel dengan diameter keluar 0,05 – 0,35 mm akan memberikan pancaran koheren dengan panjang sampa 3 – 4 cm. Metode untuk menaikan panjang pancaran adalah dengan menambahkan kepada air pemotong sebanyak 1% bahan polymer dengan mata rantai panjang (a long chain polymer) seperti polyethylene- oxide dengan berat molekuler 4 milyar, yang akan menghasilkan viskositas fluida yang sangat tinggi.

     Dengan bahan penambah seperti itu pancaran koheren akan sampai mencapai panjang 600x diameternya. Melewati titik pisah (break-up point)  beberapa gaya pemotongan masih memungkinkan dikonsentrasi inti cairan dengan pancaran berlubang melingkupinya.

Waterjets sinar air keluar dari lubang untuk memotong bahan lembut seperti permen, dan kayu lunak tipis, tapi tidak efektif untuk memotong bahan keras. kinerja mesin air jet digunakan untuk memotong lembut, lembaran bahan non logam di tumpukan multilayer tingkat pemotongan tergantung pada:

a.             bahan benda kerja

b.            ketebalan benda kerja

c.             tekanan jet

d.            diameter nozzle

e.             kecepatan potong