Turbin Angin (Termodinamika)

Turbin angin adalah kincir angin yang digunakan untuk membangkitkan tenaga listrik. Turbin angin ini pada awalnya dibuat untuk mengakomodasi kebutuhan para petani dalam melakukan penggilingan padi, keperluan irigasi, dll. Turbin angin terdahulu banyak dibangun di Denmark, Belanda, dan negara-negara Eropa lainnya dan lebih dikenal dengan Windmill.

Kini turbin angin lebih banyak digunakan untuk mengakomodasi kebutuhan listrik masyarakat, dengan menggunakan prinsip konversi energi dan menggunakan sumber daya alam yang dapat diperbaharui yaitu angin. Walaupun sampai saat ini pembangunan turbin angin masih belum dapat menyaingi pembangkit listrik konvensonal(Co: PLTD,PLTU,dll), turbin angin masih lebih dikembangkan oleh para ilmuwan karena dalam waktu dekat manusia akan dihadapkan dengan masalah kekurangan sumber daya alam tak terbaharui(Co : batubara, minyak bumi) sebagai bahan dasar untuk membangkitkan listrik.

Perhitungan daya yang dapat dihasilkan oleh sebuah turbin angin dengan diameter kipas r adalah :

dimana ρ adalah kerapatan angin pada waktu tertentu dan v adalah kecepatan angin pada waktu tertentu. Umumnya daya efektif yang dapat dipanen oleh sebuah turbin angin hanya sebesar 20%-30%. Jadi rumus diatas dapat dikalikan dengan 0,2 atau 0,3 untuk mendapatkan hasil yang cukup eksak.

Jenis turbin angin ada 2, yaitu :

1. Turbin angin sumbu horizontal(Darrieus wind turbine) 

2. Turbin angin sumbu tegak 

Prinsip dasar kerja dari turbin angin adalah mengubah energi mekanis dari angin menjadi energi putar pada kincir, lalu putaran kincir digunakan untuk memutar generator, yang akhirnya akan menghasilkan listrik.

Sebenarnya prosesnya tidak semudah itu, karena terdapat berbagai macam sub-sistem yang dapat meningkatkan safety dan efisiensi dari turbin angin, yaitu :

1. Gearbox

Alat ini berfungsi untuk mengubah putaran rendah pada kincir menjadi putaran tinggi. Biasanya Gearbox yang digunakan sekitar 1:60

2. Brake system

Digunakan untuk menjaga putaran pada poros setelah gearbox agar bekerja pada titik aman saat terdapat angin yang besar. Alat ini perlu dipasang karena generator memiliki titik kerja aman dalam pengoperasiannya. Generator ini akan menghasilkan energi listrik maksimal pada saat bekerja pada titik kerja yang telah ditentukan. Kehadiran angin diluar diguaan akan menyebabkan putaran yang cukup cepat pada poros generator, sehingga jika tidak diatasi maka putaran ini dapat merusak generator. Dampak dari kerusakan akibat putaran berlebih diantaranya : overheat, rotor breakdown, kawat pada generator putus, karena tidak dapat menahan arus yang cukup besar.

3. Generator

Ini adalah salah satu komponen terpenting dalam pembuatan sistem turbin angin. Generator ini dapat mengubah energi gerak menjadi energi listrik. Prinsip kerjanya dapat dipelajari dengan menggunakan teori medan elektromagnetik. Singkatnya, (mengacu pada salah satu cara kerja generator) poros pada generator dipasang dengan material ferromagnetik permanen. Setelah itu disekeliling poros terdapat stator yang bentuk fisisnya adalah kumparan-kumparan kawat yang membentuk loop. Ketika poros generator mulai berputar maka akan terjadi perubahan fluks pada stator yang akhirnya karena terjadi perubahan fluks ini akan dihasilkan tegangan dan arus listrik tertentu. Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan ini disalurkan melalui kabel jaringan listrik untuk akhirnya digunakan oleh masyarakat. Tegangan dan arus listrik yang dihasilkan oleh generator ini berupa AC(alternating current) yang memiliki bentuk gelombang kurang lebih sinusoidal.

4. Penyimpan energy

Karena keterbatasan ketersediaan akan energi angin (tidak sepanjang hari angin akan selalu tersedia) maka ketersediaan listrik pun tidak menentu. Oleh karena itu digunakan alat penyimpan energi yang berfungsi sebagai back-up energi listrik. Ketika beban penggunaan daya listrik masyarakat meningkat atau ketika kecepatan angin suatu daerah sedang menurun, maka kebutuhan permintaan akan daya listrik tidak dapat terpenuhi. Oleh karena itu kita perlu menyimpan sebagian energi yang dihasilkan ketika terjadi kelebihan daya pada saat turbin angin berputar kencang atau saat penggunaan daya pada masyarakat menurun. Penyimpanan energi ini diakomodasi dengan menggunakan alat penyimpan energi. Contoh sederhana yang dapat dijadikan referensi sebagai alat penyimpan energi listrik adalah aki mobil. Aki mobil memiliki kapasitas penyimpanan energi yang cukup besar. Aki 12 volt, 65 Ah dapat dipakai untuk mencatu rumah tangga (kurang lebih) selama 0.5 jam pada daya 780 watt.

Kendala dalam menggunakan alat ini adalah alat ini memerlukan catu daya DC(Direct Current) untuk meng-charge/mengisi energi, sedangkan dari generator dihasilkan catu daya AC(Alternating Current). Oleh karena itu diperlukan rectifier-inverter untuk mengakomodasi keperluan ini. Rectifier-inverter akan dijelaskan berikut.

5. Rectifier-inverter

Rectifier berarti penyearah. Rectifier dapat menyearahkan gelombang sinusodal(AC) yang dihasilkan oleh generator menjadi gelombang DC. Inverter berarti pembalik. Ketika dibutuhkan daya dari penyimpan energi(aki/lainnya) maka catu yang dihasilkan oleh aki akan berbentuk gelombang DC. Karena kebanyakan kebutuhan rumah tangga menggunakan catu daya AC , maka diperlukan inverter untuk mengubah gelombang DC yang dikeluarkan oleh aki menjadi gelombang AC, agar dapat digunakan oleh rumah tangga.

Sistem Perpipaan (Mekanika Fluida)

Sistem perpipaan dapat ditemukan hampir pada semua jenis industri, dari sistem pipa tunggal yang sederhana sampai sistem pipa bercabang yang sangat kompleks. Contoh sistem perpipaan adalah, sistem distribusi air minum pada gedung atau kota. sistem pengangkutan minyak dari sumur bor ke tandon atau tangki penyimpan, sistem distribusi udara pendingin pada suatu gedung, sistem distribusi uap pada proses pengeringan dan lain sebagainya.

Sistem perpipaan meliputi semua komponen dari lokasi awal sampai dengan lokasi tujuan antara lain, saringan (strainer), katup atau kran, sambungan, nosel dan sebagainya. Untuk sistem perpipaan yang fluidanya liquid, umumnya dari lokasi awal fluida, dipasang saringan untuk menyaring kotoran agar tidak menyumbat aliran fuida. Saringan dilengkapi dengan katup searah ( foot valve) yang fungsinya mencegah aliran kembali ke lokasi awal atau tandon. Sedangkan sambungan dapat berupa sambungan penampang tetap, sambungan penampang berubah, belokan (elbow) atau sambungan bentuk T (Tee). 

Perencanaan maupun perhitungan desain sistem perpipaan melibatkan persamaan energi dan perhitungan head loss serta analisa tanpa dimensi yang telah dibahas pada bab sebelumnya. Perhitungan head loss untuk pipa tunggal adalah dengan persamaan Darcy-Weisbach yang mengandalkan Diagram Moody untuk penentuan koefisien geseknya. Untuk keperluan analisa jaringan perpipaan umumnya dipergunakan persamaan Hazen-Williams.


Sistem Pipa Tunggal

Penurunan tekanan (pressure drop) pada sistem pipa tunggal adalah merupakan fungsi dari laju aliran, perubahan ketinggian, dan total head loss. Sedangkan head loss merupakan fungsi dari faktor gesekan, perubahan penampang, dll atau dapat dinyatakan dengan persamaan :

p = f ( L,Q, D, e, z, konfigurasi sistem, , )

Untuk aliran tak mampu mampat, sifat fluida diasumsikan tetap. Pada saat sistem telah ditentukan, maka konfigurasi sistem, kekasaran permukaan pipa, perubahan elevasi dan kekentalan fluida bukan lagi merupakan variabel bebas. Persamaan akan menjadi :

p = f ( L,Q, D)

Empat kasus yang mungkin timbul pada penerapan di lapangan adalah :
1. L, Q, D diketahui, p tidak diketahui
2. p , Q, dan D diketahui, L tidak diketahui
3. p , L dan D diketahui, Q tidak diketahui
4. p , L dan Q diketahui, D tidak diketahui

Penjelasan masing-masing kasus tersebut adalah sebagai berikut :

1. Untuk kasus ini, faktor gesekan f, dapat diperoleh dari diagram Moody ataupun dari persamaan empiris perhitungan f dari Re dan e yang diketahui. Total head loss dihitung dan penurunan tekanan dapat dihitung dari persamaan energi. Kasus ini diilustrasikan pada contoh soal 3.1.

2. Hampir sama dengan kasus 1 maka total head loss dapat dihitung dari persamaan energi, kemudian faktor gesekan diperoleh dari diagram Moody. L yang tidak diketahui dapat dihitung dari persamaan mayor losses. Kasus seperti ini ditampilkan pada contoh soal 3.2 dan 3.3.

3. Karena Q atau V belum diketahui maka faktor gesekan dinyatakan sebagai fungsi V atau Q terlebih dahulu. Kemudian diasumsikan sebuah nilai f yang diambil dari diagram Moody dengan kenyataan bahwa aliran dalam pipa, angka Reynoldnya pasti cukup besar. Dari f asumsi tersebut diperoleh V asumsi yang dipergunakan untuk menghitung angka Reynold asumsi. Dari angka Reynold yang baru ini dicari nilai f yang baru untuk asumsi V yang kedua. Langkah ini diulangi sampai diperoleh nilai yang sesuai. Karena f adalah fungsi yang lemah terhadap angka Reynold maka 2 atau 3 kali iterasi sudah diperoleh nilai V yang hampir benar.

4. Apabila D pipa belum diketahui tentunya diinginkan diameter terkecil yang memungkinkan agar ekonomis. Perhitungan dimulai dengan mengasumsikan nilai D terlebih dahulu. Kemudian angka Reynold dan kekasaran relatif pipa dapat dihitung demikian pula faktor gesekan. Total head loss dihitung dan juga penurunan tekanan, dari persamaan energi. Hasil perhitungan penurunan tekanan ini dibandingkan dengan penurunan tekanan yang disyaratkan. Jika perhitungan pressure drop jauh lebih besar, maka perhitungan diulangi dengan mengasumsikan nilai diameter pipa yang lebih besar atau sebaliknya. Iterasi diulangi sampai ketelitian yang diharapkan.

Metode - metode Pembentukan Logam

Metode pembentukan pada lembaran logam ada beberapa jenis operasi pembentukan seperti terlihat pada (Gambar). Pada industri pengerjaan logam, pengerjaan terutama terbatas pada pekerjaan eksperimental, dimana hanya dibutuhkan jumlah benda sejenis yang terbatas.

Gambar Jenis operasi pembentukan.
Katagori-katagori tersebut adalah:
1. Proses-proses tipe-penekanan-langsung
2. Proses-proses penekanan-tak-langsung
3. Proses-proses tipe-tarik
4. Proses-proses pengguntingan

Pada proses penekanan langsung, gaya dikenakan pada permukaan benda kerja, dan logam bergerak tegak lurus dengan arah tekanan. Contoh utama tipe proses demikian adalah proses tempa dan pengerolan (Lihat Gambar). Proses penekanan tak langsung meliputi penarikan kawat dan penarikan tabung, ekstusi, dan penarikan dalam cawan. Gaya utama yang dikenakan biasanya gaya tarik, tetapi gaya tekan tak langsung yang timbul akibat reaksi antara benda kerja dengan cetakan mencapai nilai yang tinggi. Oleh karena itu, logam mengalir akibat keadaan tegangan kombinasi yang melibatkan gaya-gaya tekan yang tinggi, setidak-tidaknya dalam salah satu tegangan utamanya. Contoh yang paling jelas dalam proses pembentukan jenis-tarik adalah pembentukan rentang, dimana lembaran logam menutupi kontur cetakan dibawah pengaruh gaya tarik. Penekukan mencakup pemakaian momen lengkung terhadap lembaran logam, sedangkan pengguntingan melibatkan gaya geser (gaya gunting) yang cukup besar untuk memotong logam pada bidang geser.

Proses Pembentukan Logam (Metal Forming)

Tujuan utama Proses Manufacturing adalah untuk membuat komponen dengan mempergunakan material tertentu yang memenuhi persyaratan bentuk dan ukuran, serta struktur yang mampu melayani kondisi lingkungan tertentu.

Melihat faktor-faktor diatas maka faktor membuat suatu bentuk tertentu merupakan faktor utama. Ada beberapa metoda atau membuat geometri (bentuk dan ukuran) dari suatu bahan yang dikelompokan menjadi enam kelompok dasar proses pembuatan ( manufacturing proces) yaitu : proses pengecoran ( casting), proses pemesinan (machining), proses pembentukan logam (metal forming), proses pengelasan (welding), perlakuan panas (heat treatment), dan proses perlakuan untuk mengubah sifat karakteristik logam pada bagian permukaan logam (surface treatment).

1. Proses pengecoran (casting)

Suatu teknik pembuatan produk dimana logam dicairkan dalam tungku peleburan kemudian dituangkan kedalam rongga cetakan yang serupa dengan bentuk asli dari produk cor yang akan dibuat.

2. Proses pemesinan (machining)

Proses pemotongan logam disebut sebagai proses pemesinan adalah proses pembuatan dengan cara membuang material yang tidak diinginkan pada benda kerja sehingga diperoleh produk akhir dengan bentuk, ukuran, dan surface finish yang diinginkan.

3. Proses pembentukan logam (metal forming)

Proses metal forming adalah melakukan perubahan bentuk pada benda kerja dengan cara memberikan gaya luar sehingga terjadi deformasi plastis.

4. Proses pengelasan (welding)

Proses penyambungan dua bagian logam dengan jalan pencairan sebagian dari daerah yang akan disambung. Adanya pencairan dan pembekuan didaerah tersebut akan menyebabkan terjadinya ikatan sambungan.

5. Proses perlakuan panas (heat treatment)

Heat treatment adalah proses untuk meningkatkan kekuatan material dengan cara perlakuan panas.

6. Surface treatment

Proses surface treatment adalah proses perlakuan yang diterapkan untuk mengubah sifat karakteristik logam pada bagian permukaan logam dengan cara proses thermokimia, metal spraying.

Proses pemesinan atau lebih spesifik lagi proses pembuangan material (material removal proces), memberikan ketelitian yang sangat tinggi dan fleksibilitas (keluwesan) yang besar. Namun demikian proses ini cenderung menghasilkan sampah dari proses pembuangan material tersebut secara sia-sia.

Proses deformasi memanfaatkan sifat beberapa material ( biasanya logam ) yaitu kemampuannya “mengalir secara plastis “ pada keadaan padat tanpa merusak sifat-sifatnya. Dengan menggerakkan material secara sederhana ke bentuk yang kita inginkan ( sebagai lawan dari membuang bagian yang tidak diperlukan ), maka sedikit atau bahkan tidak ada material yang terbuang sia-sia.

Namun demikian biasanya gaya yang diperlukan cukup tinggi. Di samping itu, mesin-mesin dan perkakas yang diperlukan harganya mahal sehingga jumlah produksi yang besar merupakan alasan pokok untuk membenarkan pemilihan proses ini.

Kegunaan material logam dalam masyarakat modern ditentukan oleh mudah tidaknya material tersebut dibentuk (forming) kedalam bentuk yang bermanfaat. Hampir semua logam mengalami deformasi sampai pada tingkat tertentu selama proses pembuatannya menjadi produk akhir.

Ingat dalam proses pengecoran, strand dan slabs direduksi ukurannya dan diubah ke dalam bentuk-bentuk dasar seperti plates, sheet, dan rod. Bentuk-bentuk dasar ini kemudian mengalami proses deformasi lebih lanjut sehingga diperoleh kawat (wire) dan myriad ( berjenis – jenis) produk akhir yang dihasilkan melalui tempa (forging), ekstrusi, sheet metal forming dan sebagainya.

Deformasi yang diberikan dapat berupa aliran curah (bulk flow) dalam 3 dimensi, geser sederhana (simple shearing), tekuk sederhana atau gabungan (simple or compound bending) atau kombinasi dari beberapa jenis proses tersebut.

Tegangan yang diperlukan untuk mendapatkan deformasi tersebut dapat berupa tarikan (tension), tekan (compression), geseran (shear) atau kombinasi dari beberapa jenis tegangan tersebut. Kecepatan, temperature, toleransi, surface finish.

Kemampuan untuk menghasilkan berbagai bentuk dari lembaran logam datar dengan laju produksi yang tinggi merupakan merupakan kemajuan teknologi yang nyata. Peralihan dari proses pembentukan dengan tangan ke metode produksi besar – besaran menjadi faktor penting dalam meningkatan standar kehidupan selama periode tersebut.

Pada dasarnya, suatu bentuk dihasilkan dari bahan lembaran datar dengan cara peregangan dan penyusutan dimensi elemen volume pada tiga arah utama yang tegak lurus sesamanya. Bentuk yang diperoleh merupakan hasil penggabungan dari penyusutan dan peregangan lokal elemen volume tersebut. Usaha telah dilakukan untuk menggolongkan berbagai macam bentuk yang mungkin pada pembentukan logam menjadi beberapa kelompok tertentu, tergantung pada kontur produk – produk. Sachs membagi komponen – komponen lembaran logam menjadi 5 katagori.

1. Komponen lengkungan tunggal.

2. Komponen flens yang diberi kontur- termasuk komponen dengan flens rentang dan flens susut.

3. Bagian lengkung

4. Komponen ceruk dalam – termasuk cawan, kotak – kotak dengan dinding tegak atau miring

5. komponen ceruk dangkal – termasuk bentuk pinggan, galur (beaded), bentuk – bentuk timbul dan bentuk – bentuk berkerut.

Cara lain untuk menggolongkan proses pembentukan lembaran logam adalah dengan menggunakan operasi khusus seperti pelengkungan, pengguntingan, penarikan dalam, perentangan, pelurusan.

Perlu dicatat berbeda dengan proses deformasi pembentukan benda secara keseluruhan, pembentukan lembaran biasanya dilakukan dalam bidang lembaran itu sendiri oleh tegangan tarik. Gaya tekan pada bidang lembaran hendaknya dihindari karena ini akan menyebabkan terjadinya pelengkungan, pelipatan dan keriput pada lembaran tadi. Pada proses pembentukan lembaran, susut tebal hendaknya dihindarkan karena dapat terjadi penciutan dan akan kegagalan mengakibatkan kegagalan dalam proses pembuatan produk.

Proses pemesinan atau lebih spesifik lagi material removal process (proses pembuangan material), memberikan ketelitian yang sangat tinggi dan fleksibilitas (keuletan) yang besar.

Proses konsolidasi mampu membentuk benda yang kompleks dari komponen-komponen yang sederhana dan merupakan proses yang sangat umum dipakai.

Proses deformasi memanfaatkan sifat beberapa material yaitu kemampuannya mengalir secara plastis pada keadaan padat tanpa merusak sifat-sifatnya. Dengan manggerakan material secara sederhana ke bentuk yang di inginkan, maka sedikit atau bahkan tidak ada material yang terbuang sia-sia.

Dari proses pengecoran, stranda dan slabs direduksi ukurannya dan diubah kedalam bentuk-bentuk dasar seperti plates, sheets dan rod. Bentuk-bentuk dasar ini kemudian mengalami proses deformasi lebih lanjut sehingga diperoleh kawat (wire) dan myriad (berjenis-jenis) produk akhir yang dihasilkan melalui tempa (forging), ekstrusi, sheet metal forming dan sebagainya.

Deformasi yang diberikan dapat berupa aliran curah (bulk flow) dalam 3 dimensi. Geser sederhana , tekuk sederhana dan gabungan ataupun kombinasi dari beberapa jenis proses tersebut. Tegangan yang diperlukan untuk mendapatkan deformasi tersebut dapat berupa tarikan (tension), tekan (compression), geseran (shear) atau kombinasi dari beberapa jenis tegangan tersebut.

Pengertian deformasi elastis dan deformasi plastis

Secara makroskopis, deformasi dapat dilihat sebagai perubahan bentuk dan ukuran. Perubahan bentuk yang terjadi dapat di bedakan atas deformasi elastis dan deformasi plastis.

Meskipun hakekat proses pembentukan logam adalah mengusahkan deformasi plastis yang terkontrol, namun dalam berbagai hal pengaruh deformasi elastis cukup besar sehingga tidak dapat diabaikan begitu saja. Untuk itu perlu dibahas lebih dahulu pengertian deformasi elastis dan deformasi plastis.

Perubahan bentuk dapat dipisahkan menjadi dua, yaitu deformasi elastis dan defomasi plastis. Deformasi elastis adalah perubahan bentuk yang terjadi bila ada gaya yang berkerja, serta akan hilang bila beban ditiadakan. Dengan kata lain bila beban ditiadakan, maka benda akan kembali kebentuk dan ukuran semula. Di lain pihak, defomasi plastis adalah perubahan bentuk yang permanent, meskipun bebannya di hilangkan. Secara diagramatis menunjukan pengertian deformasi elastis dan deformasi plastis pada suatu diagram tegangan-regangan.

Bila suatu material dibebani sampai daerah plastis, maka perubahan betuk yang saat itu terjadi adalah gabungan antara deformasi elastis dengan deformasi plastis (penjumlahan ini sering juga disedut deformasi total). Bila beban-beban ditiadakan, maka deformasi elastis akan hilang pula, sehinga perubahaan bentuk yang ada hanyalah deformasi plastis saja.

Klasifikasi berdasarkan temperatur pengerjaan

Pengaruh temperatur terhadap proses-proses pembentukan adalah hal mengubah sifat-sifat dan prilaku material. Secara umum kenaikan temperatur akan mengakibatkan turunnya kekuatan material, naiknya keuletan dan turunnya laju pengerasan regangan yang mana perubahannya tersebut mengakibatkan kemudahan material untuk deformasi.

Berdasarkan temperatur material pada saat deformasi ini, proses pembentuka logam dapat diklasifikasikan menjadi dua kelompok besar, yaitu:

1. Pengerjaan panas (Hot working)

2. Pengerjaan dingin (Cold working)

Pada awalnya batasan kedua kelompok tersebut hanyalah didasarkan atas ada atau tidaknya proses pemanasan benda kerja. Namun bila ditinjau dari segi metalurgis, hal ini tidak sepenuhnya benar.

Batasan yang berlaku lebih umum adalah yang didasarkan pada temperatur rekristalisasi logam yang diproses. Hal ini memang berkaitan dengan ada atau tidaknya proses pelunakan selama proses berlangsung.

Proses pengerjaan panas

Pengerjaan panas adalah proses pembentukan logam yang mana proses deformasinya dilakukan dibawah kondisi temperatur dan laju regangan dimana proses rekritalisasi dan deformasi terjadi bersamaan.

Proses pengerjaan panas dapat didefinisikan sebagai proses pembentukan yang dilakukan pada daerah temperatur rekristalisasi logam yang diproses. (agar lebih singkat daerah tamperatur diatas temperatur rekristalisasi untuk selanjutnya disebut sebagai daerah temperatur tinggi). Dalam proses deformasi pada temperatur tinggi terjadi peritiwa pelunakan yang terus menerus, khususnya akibat terjadinya rekristalisasi. Akibat yang konkret ialah bahwa logam bersifat lunak pada temperatur tinggi. Kenyataan inilah yang membawa keuntungan-keuntungan pada proses pengerjaan panas. Yaitu bahwa deformasi yang diberikan kepada benda kerja dapat relative besar. Hal ini disebabkan karena sifat lunak dan sifat ulet, sehingga gaya pembentukan yang dibutuhkan relative kecil, serta benda kerja mampu menerima perubahaan bentuk yang besar tanpa retak. Karena itulah keuntungan proses pengerjaan panas biasanya digunakan pada proses-proses pembentukan primer yang dapat memberikan deformasi yang besar, misalnya: proses pengerolan panas, tempa dan ekstrusi.

Akibatnya adalah kurva tegangan – regangan sebenarnya secara garis besar berupa garis mendatar pada regangan diatas titik luluh. Hal ini merupakan perbadaan yang jelas apabila perbandingan dengan kurva tegangan – regangan sebenarnya yang naik keatas pada deformasi dibawah temperatur rekristalisasi. Dengan demikian proses pengerjaan panas secara drastis mampu mengubah bentuk material tanpa akan timbulnya retak pembentukan yang berlebihan.

Disamping itu, temperatur tinggi memacu proses difusi sehingga hal ini dapat menghilangkan ketidak homogenan kimiawi, pori-pori karena efek pengelasan dapat tertutup atau ukurannya berkurang selama derformasi berlangsung serta struktur metalurgi dapat diubah sehingga diperoleh sifat-sifat akhir yang lebih baik. Dilihat dari segi negatif, temperatur tinggi dapat mengakibatkan reaksi yang tidak dikehendaki antara benda kerja dengan lingkungannya.

Toleransi menjadi rendah sebagai akibat adanya penyusutan /pemuaian thermal ataupun akibat pendinginan yang tidak seragam. Secara metalurgis dapat terjadi sehingga ukuran butir produk akan bervariasi tergantung pada basar reduksi yang alami, temperatur deformasi yang terakhir, setelah doformasi dan faktor-faktor lainnya.

Keberhasilan dan kegagalan proses pengerjaan panas sering sangat tergantung pada keberhasilan mengatur kondisi termal, karena hampir 90% energi yang diberikan kepada benda kerja akan diubah menjadi panas maka temperatur benda kerja akan naik jika deformasi berlangsung sangat cepat. Meskipun demikian, pada umumnya pemanasan benda kerja dipanaskan pada temperature yang lebih rendah.

Panas banda kerja hilang melalui permukaan-permukaannya dan panas paling besar melalui permukaan yang bersentuhan dengan dies yang bertemperatur lebih rendah begitu permukaan benda kerja menjadi dingin ketidak seragaman temperatur akan terjadi. Adanya aliran benda kerja yang panas dan lunak pada bagian dalam akan mengakibatkan retakan pada permukaan benda kerja yang dinging dan getas. Oleh kerena itu temperatur benda kerja perlu dijaga agar kesseragam mungkin.

Guna mendapatkan toleransi produk yang lebih baik maka temperatur dies dinaikan dan waktu kontak yang lebih lama (kecepatan deformasi yang lebih rendah). Namun dengan cara seperti ini juga akan semakin memperpendek umur dies. Pada saat memproses forming produk yamg bentuknya rumit, seperti pada hot forging, bagian tipis akan mendingin lebih cepat dari pada bagian yang tebal sehingga hal ini akan semakin memperumit perilaku aliran benda kerja. Lebih jauh lagi ketidak seragaman pendinginan benda karja akan menimbulkan tegangan sisa pada produk akhir hasil proses hot working

Proses pengerjaan dingin

Proses pengrjaan dingin didefinisikan sebagai proses pambantukan yang dilakukan pada daerah temperatur dibawah temperatur rekristalisasi. Dalam praktek memang pada umumnya pangerjaan dingin dilakukan pada temperatur kamar, atau dengan lain perkataan tanpa pemanasan benda kerja.

Agar lebih singkat, untuk selanjutnya daerah temperatur dibawah temperature rekristalisasi disebut saja sebagai daerah temperatur rendah. Pada kondisi ini pada logam yang diderformasi terjadi peristiwa pengrasan regangan. Logam akan bersifat makin keras dan makin kuat tetapi makin getas bila mengalami deformasi. Hal ini menyebabkan relatif kecil deformasi yang dapat diberikan pada proses pengerjaan dingin. Bila dipaksakan adanya suatu perubahan bentuk yang besar, maka benda kerja akan retak akibat sifat getasnya.

Meskipun demikian, proses pengerjaan dingin tetap menempati kedudukan yang khas, dalam rangkaian proses pengerjaan. Langakah deformasi yang awal biasanya adalah pada temperature tinggi, misalnya proses pengerolan panas. Billet ataupun slab di rol panas menjadi bentuk yang lebih tipis, misalnya pelat. Pada tahapan tersebut deformasi yang dapat diberikan adalah relatif besar. Namun proses pengerolan panas ini tidak dapat dilanjukan pada pelat yang relative lebih tipis. Memang mungkin saja suatu gulungan pelat dipanaskan terlebih dahulu pada tungku sampai temperaturnya melewati temperatur rekristalisasi. Akan tetapi bila pelat tersebut dirol, maka temperaturnya akan cepat turun sampai dibawah temperatur rekristalisasi. Hal ini disebabkan oleh besarnya panas yang berpindah dari pelat ke sekitarnya. Pelat yang tipis akan lebih cepat mengalami penurunan temperatur dari pada pelat yang tebal.

Dari uraian tersebut jelaslah behwa proses deformasi yang dapat dilakukan pada benda kerja yang luas permukaan spesifiknya besar hanyalah proses pengerjaan dingin. Beberapa contohnya adalah proses pembuatan pelat tipis dengan pengerolan dingin, proses pembuatan kawat dengan proses panarikan (wire drawing), serta seluruh proses pembentukan terhadap pelat (sheet metal forming).

Keunggulan proses pengerjaan dingin adalah kondisi permukaan benda kerja yang lebih baik dari pada yang diproses dengan pengerjaan panas. Hal ini disebabkan oleh tidak adanya proses pemanasan yang dapat menimbulkan kerak pada permukaan.

Keunggulan lainya ialah kekerasa dan kekuatan logam sebagai akibat pengerjaan dingin. Namun hal ini diikuti pula oleh suatu kerugian, yaitu makin getasnya logam yang dideformasi dingin.

Sifat-sifat logam dapat diubah dengan proses perlakuan panas (heat treatment). Perubahan sifat menjadi keras dan getas akibat deformasi dapat dilunakan dan diuletkan kembali dengan proses anil (annealing).

Ditinjau dari segi proses pembuatan (manufacturing), proses pengerjaan dingin mempunyai sejumlah kelebihan yang jelas sehingga bebagai Jenis proses pengerjaan dingin menjadi sangat penting dalam kehidupan sehari-hari. Apabila dibandingkan dengan proses pengerjaan panas maka proses pengerjaan dingin mempunyai beberapa keuntungan, yaitu:

Tidak perlu pemanasan

Permukaan akhir lebih baik

Pengaturan dimensi lebih bisa terkendali, sehingga walaupun ada sangat sedikit sekali proses pemesinan lanjut

Produk yang dihasilkan mempunyai reproducibility (mammpu diproduksi kembali dengan kualitas yang sama) interchangeability (mampu tukar) yang lebih baik

Kekuatan, kekuatan lelah (fatigue strength) dan ketahanan ausnya lebih baik

Sifat-sifat terarah (directional properties) dapat dimunculkan

Masalah kotaminasi dapat dikurangi

Adapun kerugianya adalah

Diperlukan gaya yang besar untuk melakukan deformasi

Perlu peralatan yang berat dan berdaya besar

Produk menjadi kurang ulet

logam harus bersih dan bebas kerak

Terjadi pengeras regangan (strain hardening) sehingga perlu poses pelunakan (annealing) antara proses bila digunakan proses deformasi

Rusaknya directional properties

Timbulnya tegangan sisa

Dari fakta-fakta diatas seperti yang telah dipaparkan diatas. Terlihat bahwa proses pengerjaan dingin khusus cocok untuk produksi dalam jumlah yang banyak, dimana kuantitas produk dapat mengimbangi ongkos peralatan yang mahal.

Cocok tidaknya logam diproses pambentukan dingin ditentukan olah sifat-sifat tariknya yang mana hal ini langsung berkaitan dengan struktur metalurginya. Dengan penjelasan yang sama maka proses pengerjaan dingin akan mengubah sifat material pada produk yang dihasilkan. Defomasi plastis pada suatu logam hanya dapat terjadi jika batas elastis logam dilewati.

Proses pengerjaan hangat (Warm Forming)

Proses pengerjaan hangat merupakan proses pembentukan logam dimana temperatur deformasinya terletak diantara temparatur proses pengerjaan panas dan pengerjaan dingin. Apabila dibandingkan dengan proses pengerjaan dingin, proses pengerjaan hangat menawarkan beberapa keuntungan, yaitu turunya gaya pada perkakas dan peralatan, menaikan keuletan material serta dapat menurunkan jumlah proses pelunakan (annealing) karena turunnya efek pengerasan regangan. Proses pengerjaan hangat memperluas kemungkinan penggunaan proses forming untuk bebagai jenis material dan berbagai bentuk dan ukuran.

Apabila dibandingkan dengan proses pengerjaan panas, maka pengerjaan hangat melakukan sedikit lebih energi (enargi untuk pelumasan benda kerja), metalurgi pembentukan kerak (scaling) dan dekarburisasi, memberikan ketelitian, pengaturan deminsi dan surface finish yang lebih baik. Umur pahat menjadi lebih panjang, meskipun gaya pembentukan 25÷60% lebih besar, kejutan thermal dan fatigue termal yang lebih kecil.

Meskipun demikian pengerjaan hangat masih merupakan bidang yang sedang dan terus berkambang, meskipun ada beberapa kendala yang menghambat pertumbuhannya, kendala-kendala tersebut antara lain adalah perilaku material belum ter karakteristik dengan baik pada kondisi temperatur pengerjaan hangat, pelumasan belum sepenuhnya dikembangkan untuk kondisi temperatur dan tekanan operasi working dan teknologi perancangan dies untuk pengerjaan hangat belum begitu mapan. Namun demikian dorongan akan perlunya penghematan energi dan keuntungan-keuntungan lain yang ditawarkan oleh proses ini sangat mendorong pengembangan lebih lanjut.

DASAR-DASAR OPERASI MATLAB

I. TUJUAN

- Mahasiswa mampu mengoperasikan Matlab dan memanfaatkannya sebagai perangkat Simulasi untuk praktikum Sinyal dan Sistem

II. DASAR TEORI

2.1 Apa Sih MATLAB Itu?

MATLAB adalah sebuah bahasa dengan (high-performance) kinerja tinggi untuk komputasi masalah teknik. Matlab mengintegrasikan komputasi, visualisasi, dan pemrograman dalam suatu model yang sangat mudah untuk pakai dimana masalah-masalah dan penyelesaiannya diekspresikan dalam notasi matematika yang familiar. Penggunaan Matlab meliputi bidang–bidang:

• Matematika dan Komputasi

• Pembentukan Algorithm

• Akusisi Data

• Pemodelan, simulasi, dan pembuatan prototipe

• Analisa data, explorasi, dan visualisasi

• Grafik Keilmuan dan bidang Rekayasa

MATLAB merupakan suatu sistem interaktif yang memiliki elemen data dalam suatu array sehingga tidak lagi kita dipusingkan dengan masalah dimensi. Hal ini memungkinkan kita untuk memecahkan banyak masalah teknis yang terkait dengan komputasi, kususnya yang berhubungan dengan matrix dan formulasi vektor, yang mana masalah tersebut merupakan momok apabila kita harus menyelesaikannya dengan menggunakan bahasa level rendah seperti Pascall, C dan Basic.

Nama MATLAB merupakan singkatan dari matrix laboratory. MATLAB pada awalnya ditulis untuk memudahkan akses perangkat lunak matrik yang telah dibentuk oleh LINPACK dan EISPACK. Saat ini perangkat MATLAB telah menggabung dengan LAPACK dan BLAS library, yang merupakan satu kesatuan dari sebuah seni tersendiri dalam perangkat lunak untuk komputasi matrix. Dalam lingkungan perguruan tinggi teknik, Matlab merupakan perangkat standar untuk memperkenalkan dan mengembangkan penyajian materi matematika, rekayasa dan kelimuan.

Di industri, MATLAB merupakan perangkat pilihan untuk penelitian dengan produktifitas yang tingi, pengembangan dan analisanya. Fitur-fitur MATLAB sudah banyak dikembangkan, dan lebih kita kenal dengan nama toolbox. Sangat penting bagi seorang pengguna Matlab, toolbox mana yang mandukung untuk learn dan apply technologi yang sedang dipelajarinya. Toolbox toolbox ini merupakan kumpulan dari fungsi fungsi MATLAB (M-files) yang telah dikembangkan ke suatu lingkungan kerja MATLAB untuk memecahkan masalah dalam kelas particular. Area-area yang sudah bisa dipecahkan dengan toolbox saat ini meliputi pengolahan sinyal, system kontrol, neural networks, fuzzy logic, wavelets, dan lain-lain.

2.2. Kelengkapan pada Sistem MATLAB

Sebagai sebuah system, MATLAB tersusun dari 5 bagian utama:

1. Development Environment. Merupakan sekumpulan perangkat dan fasilitas yang membantuanda untuk menggunakan fungsi-fungsi dan file-file MATLAB. Beberapa perangkat ini merupakan sebuah graphical user interfaces (GUI). Termasuk didalamnya adalah MATLAB desktop dan Command Window, command history, sebuah editor dan debugger, dan browsers untuk melihat help, workspace, files, dan search path.

2. MATLAB Mathematical Function Library. Merupakan sekumpulan algoritma komputasi mulai dari fungsi fungsi dasar sepertri: sum, sin, cos, dan complex arithmetic, sampai dengan fungsi-fungsi yang lebih kompek  matrix inverse, matrix eigenvalues, Bessel functions, dan fast Fourier transforms.

3. MATLAB Language. Merupakan suatu high-level matrix/array language dengan control flow statements, functions, data structures, input/output, dan fitur-fitur object-oriented programming. Ini memungkinkan bagi kita untuk melakukan kedua hal baik "pemrograman dalam lingkup sederhana " untuk mendapatkan hasil yang cepat, dan "pemrograman dalam lingkup yang lebih besar" untuk memperoleh hasil-hasil dan aplikasi yang komplek.

4. Graphics. MATLAB memiliki fasilitas untuk menampilkan vector dan matrices sebagai suatu grafik. Didalamnya melibatkan high-level functions (fungsi-fungsi level tinggi) untuk visualisasi data dua dikensi dan data tiga dimensi, image processing, animation, dan presentation graphics. Ini juga melibatkan fungsi level rendah yang memungkinkan bagi anda untuk membiasakan diri untuk memunculkan grafik mulai dari benutk yang sederhana sampai dengan tingkatan graphical user interfaces pada aplikasi MATLAB anda.

5. MATLAB Application Program Interface (API). Merupakan suatu library yang memungkinkan program yang telah anda tulis dalam bahasa C dan Fortran mampu berinterakasi dengan MATLAB. Ini melibatkan fasilitas untuk pemanggilan routines dari MATLAB (dynamic linking), pemanggilan MATLAB sebagai sebuah computational engine, dan untuk membaca dan menuliskan MAT-files.

III. PERANGKAT YANG DIPERLUKAN

- PC yang dilengkapi dengan perangkat multimedia (sound card, Microphone, Speaker, atau headset)

- Sistem Operasi Windows dan Perangkat Lunak Matlab yang dilengkapi dengan tool box DSP

IV. LANGKAH PERCOBAAN

4.1 Memulai Matlab

Perhatikan Dekstop pada layar monitor PC, anda mulai MATLAB dengan melakukan double-clicking pada shortcut icon MATLAB

Gambar 1. Icon MATLAB pada desktop PC

Selanjutnya anda akan mendapatkan tampilan seperti pada Gambar berikut ini.

Gambar 2. Tampilan awal Matlab

Sedangkan untuk mengakhiri sebuah sesi MATLAB, anda bisa melakukan dengan dua cara, pertama pilih File -> Exit MATLAB dalam window utama MATLAB yang sedang aktif, atau cara kedua lebih mudah yaitu cukup ketikkan type quit dalam Command Window.

4.2 Menentukan Direktori Tempat Bekerja

Anda dapat bekerja dengan MATLAb secara default pada directory Work ada di dalam Folder MATLAB. Tetapi akan lebih bagus dan rapi jika anda membuat satu directory khusus dengan nama yang sudah anda kususkan, “dargombes” atau nama yang lain yang mudah untuk diingat. Hal ini akan lebih baik bagi anda untuk membiasakan bekerja secara rapi dan tidak mencampur program yang anda buat dengan program orang lain. Untuk itu Arahkan pointer mouse anda pada kotak bertanda … yang ada disebelah kanan tanda panah kebawah (yang menunjukkan folder yang sedang aktif). Pilih new directory, selanjutnya ketikkan “dargombes”, dan diikuti dengan click Ok.

Gambar 3. Membuat Folder baru tempat program

4.3 Memulai Perintah Sederhana

Langkah kita yang pertama adalah dengan menentukan variable scalar dengan cara melakukan pengetikan seperti berikut:

» x = 2 (selanjutnya tekan “Enter”)

x =

2

» y = 3

y =

3

» z = x + y

z =

5

Tidak terlalu menjadi masalah bagi anda? Saya percaya anda tidak mengalami kesulitan, sebab anda adalah  yang sangat cerdas.

Nah bagaimana dengan yang satu berikutnya ini? Disini kita mulai dengan mendefinisikan dua buah vector, yaitu vector x dan vector y:

» x = [1 2 3]

x =

1 2 3

» y = [4 5 6]

y =

4 5 6

Selajutnya ketik:

>> y(1)

ans =

4

dan ulangi untuk y(2) and y(3).

Matlab menggunakan integer positif untuk index array. Elemen pertama adalah y(1), elemen kedua adalah y(2), dan seterusnya. Nol atau bilangan negatif tidak diperbolehkan untuk indek array. Sekarang kita jumlahkan keduanya:

» x+y

ans =

5 7 9

dan sekarang hitung inner product:

» x*y'

ans =

32

Jawabannya adalah 1*4 + 2*5 + 3*6 = 32! Catat, bahwa y' adalah transpose pada y dan merupakan suatu vector kolom. Untuk memeriksanya, ketikkan perintah berikut:

>> y'

ans =

4

5

6

Cara lain pada pengkombinasian dua vector adalah diakukan melalui perkalian elementdemi- element:

>> x.*y

ans =

4 10 18

Catat periode sebelum perkalian simbol. Sekarang kita dapat mendefinisikan suatu matrix:

» A = [1 2 3

4 5 6

7 8 9];

Catat bahwa matrik tidak diulang kalau kita menggunakan semi colon. Kita sekarang kalikan A dengan transpose dari x:

» A*x'

ans =

14

32

50

Sekarang kita harus mentranspose x untuk memenuhi perkalian suatu matrik dan suatu vector kolom. Matrik-matrik ini dapat juga dikalikan satu sama lain diantara mereka:

» B = [1 2 3 4

5 6 7 8

7 6 5 4];

» A*B

ans =

32 32 32 32

71 74 77 80

110 116 122 128

Sekarang coba anda lakukan penjumlahan antara A dan B:

» A+B

??? Error using ==> +

Matrix dimensions must agree.

Baiklah, kita tidak dapat menambah suatu matrik 3 kali 3 dengan matrix 3 kali 4 , dan Matlab kan mendeteksi dimensi yang mismatch dan selanjutnya memeberikan pesan error. Sekarang kita cari cara lain untuk mendefinisikan matrik dan vektor. Sebagai contoh suatu matrik nol dengan dimensi 3 baris dan 6 kolom dapat dinyatakan sebagai:

>> zeros(3,6)

ans =

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

tentu saja jika anda tambahkan suatu ";" setelah zeros(3,6), jawabannya tidak akan ditampilkan di layar monitor anda.

Angka pertama, 3 menunjukkan jumah baris, sedangkan angka kedua, 6, adalah jumlah kolom. Kita dapat pula melakukan hal yang sama untuk menampilkan angka satu seperti berikut:

>> ones(3,6)

ans =

1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1

Pendefinisian Vektor-vektor Besar

Suatu vektor 1 kali 100 yang menyusun sample pada sinyal cosinus dapat dibangkitkan dengan

>> x = cos(0.1*pi*(0:99));

Untuk membangkitkan suatu "ramp" dari 1 sampai 50 coba:

>> x = [1:1:50];

bilangan kedua mengindikasikan step kenaikan dari dari 1 sampai 50. Untuk membangkitkan suatu fungsi "ramp" dari 1 sampai 50 coba berikut ini:

>> x = [1:1:50];

Ketika anda tidak memasukkan angka kedua pada perintah diatas, maka secara otomatis (default) step kenaikan ditetapkan bernilai “1”:

>> x = [1:50];

Anda bisa juga secara khusus mendefinisikan suatu rentang nilai pada x sebagai berikut::

>> x(51:100) = [50:-1:1]

Ini merupakan metode yang sangat bermanfaat untuk mensepsifikasi nilai “waktu” untuk penggambaran. Sebagai contoh, ditetapkan interval sampling dalam contoh diatas adalah 1 detik. Selanjutnya anda dapat mendefisnisikan seperti berikut:

>> time = [0:0.001:0.099];

4.4 Penggambaran Grafik

Salah satu kelebihan dari Matlab adalah kemudahan dalam mengolah grafik. Sehingga anda tidak perlu kesulitan untuk melihat suatu respon system, misalnya pada kasus melijhat bentuk sinyal dalam domain waktu anda cukup mengikuti langkah berikut.

Sekarang ketikkan:

>> time = [0:0.001:0.099];

>> x = cos(0.1*pi*(0:99));

>> plot(time,x)

>> xlabel('time (msec)')

>> ylabel('x(t)')

ini akan menghasilkan gambar seperti berikut:

Gambar 4. Contoh tampilan grafik sederhana dengan perintah plot

Sedangkan cara untuk menampilkan sederetan nilai fungsi waktu diskrit adalah dengan menggunakan perintah "stem". Dari contoh deretan perintah coba anda rubah beberapa bagian dengan perintah berikut

>> stem(time,x)

>> xlabel('time (msec)')

>> ylabel('x(t)')

Apakah hasilnya seperti berikut ini?

Gambar 5. Contoh tampilan grafik dengan perintah stem

4.5 Menyusun Progam Sederhana

Anda dapat mengedit suatu file text yang tersusun dari beberapa perintah Matlab. Ini dapat dilakukan dengan menekan double-click pada icon "New M-File" icon in the Matlab toolbar.

Gambar 6. Langkah awal menyusun program sederhana

Selanjutnya anda akan mendapatkan sebuah tampilan Matlab Editor yang masih kosong

seperti ini.

Selanjutnya anda buat program seperti pada contoh sebelumnya

Gambar 7. Tampilan Matlab Editor tempat membuat program.

Gambar 8. Contoh penulisan program pada Matlab Editor

Gambar 9. Cara menyimpan dan mengeksekusi program anda

Lanjutkan dengan menekan toolbar Debug, dan jangan lupa anda pilih Save anda Run. Disitu anda harus menuliskan nama program. Anda tuliskan coba_1, secara otomatis akan menjadi file coba_1.m dan akan anda lihat tampilan hasilnya. Seperti apa ya?

Program kedua anda

Cobalah untuk membuat program seperti berikut ini pada Matlab editor, dan jangan lupa anda simpan dengan nama coba_2

x(1:52) = [0 0 1:1:50];

x(53:102) = [50:-1:1];

h = [1 2];

for n = 3:101,

y(n) = 0;

for m = 1:2,

y(n) = y(n) + h(m)*x(n-m);

end

end

plot(y)

Hasil apa yang anda dapatkan ?

Dalam hal ini anda harus memahami arti setiap perintah yang anda tuliskan dalam Matlab, tidak ada salahnya anda bertanya kepada instruktur apa arti perintah-perintah tersebut.

Program ketiga anda

Satu contoh lain program untuk for adalah pembangkitan gambar seperti berikut.

%File Name:coba_3.m

n=201;

delx=10/(n-1);

for k=1:n

x(k)=(k-1)*delx;

y(k)=sin(x(k))*exp(-0.4*x(k));

end

%plot(x,y)

plot(x,y,'linewidth',4)

title('Grafik yang pertama')

xlabel('x');ylabel('y');

Bagiamana hasilnya?

Gambar 10. Tampilan program grafik ketiga

4. 6. Fungsi dalam Matlab

Matlab juga mampu untuk menuliskan fungsi yang didefinisikan oleh pemakainya. Buat sebuah fungsi dengan menuliskan program berikut ini:

function y = x2(t)

y = t^2;

Anda simpan dengan nama "x2.m" selanjutnya anda dapat memanfaatkan fungsi tersebut melalui Matlab line command dengan cara berikut:

>>t=0:1:10;

>> y_2=x2(t)

Hasilnya adalah seperti berikut:

y_2 =

0 1 4 9 16 25 36 49 64 81 100

Anda bisa juga memanggil fungsi tersebut melalui program pada panggil_1.m file yang anda buat seperti berikut:

t=0:1:10;

y_2=x2(t)

Hasilnya adalah sama seperti menggunakan command line window.