ELECTRIC DISCHARGE MACHINE (EDM)

ELECTRIC DISCHARGE MACHINE ( EDM )

Electric Discharge Machine (EDM) adalah suatu mesin perkakas NonKonvensional yang proses pemotongan material (material removal) benda kerjanya berupa erosi yang terjadi karena adanya sejumlah loncatan bunga api listrik secara periodik pada celah antara katoda (pahat) dengan anoda (benda kerja) di dalam cairan dielektrik.

Proses Electric Discharge Machine (EDM) memiliki kemampuan dasar, diantaranya :

1.    mampu mengerjakan metal atau paduan yang sangat keras yang tidak mudah untuk dikerjakan dengan proses pemesinan konvensional, sehingga proses EDM banyak digunakan dalam pembuatan peralatan-peralatan pembentuk (cetakan) dan perkakas pemotong yang dibuat dari baja yang dikeraskan, Karbida, Tungsten, dll.

2.    Mampu mengerjakan kontur permukaan benda kerja yang kompleks, dengan dimensi sama secara berulang-ulang selama proses pembentukan tidak membutuhkan gerakan elektroda diluar jangkauan gerakan utama proses Electric Discharge Machine (EDM).

Selain kemampuan dasar di atas proses EDM juga memiliki beberapa keuntungan, diantaranya :

(a) Handling benda kerja di atas mesin tidak rumit

(b) Permukaan benda kerja hasil proses EDM relatif halus

(c) Tingkat kebisingan rendah

(d) Kemudahan dalam pembuatan elektroda

Namun demikian, proses EDM juga mempunyai beberapa kerugian, diantaranya :

(a) Mesin EDM dan perlengkapannya masih relatif mahal

(b) Proses erosi benda kerja sangat kecil, sehingga waktu operasinya relatif lama

(c) Harus dioperasikan oleh operator yang tidak elergi terhadap cairan dielektrik.

Proses pengerjaan dengan EDM dapat dikelompokkan secara garis besar ke dalam bentuk-bentuk proses sebagai berikut :

(1) Sinking procces :

(a) Driling

(b) Die sinking

(2) Cutting process :

(a) Slicing dengan pahat yang berupa keping yang diputar

(b) Slicing dengan pahat yang berupa pita metal

(c) Cutting dengan pahat yang berupa kawat (wirecut)

(3) Grinding procces :

(a) Extrenal grinding

(b) Internal grinding

(c) Gerinda permukaan atau gerinda bentuk.

Prinsip Kerja

Material removal yang berupa erosi terjadi akibat adanya loncatan bunga api listrik diantara elektroda dan benda kerja dalam cairan dielektrik. Loncatan bunga api listrik terjadi apabila beda tegangan antara pahat dan benda kerja melampaui “break down voltage” celah dielektrik. Break down voltage bergantung pada :

(a) Jarak terdekat antara elektroda (pahat) dengan benda kerja

(b) Karakteristik tahanan dari cairan dielektrik

(c) Tingkat kotoran pada celah diantara elektroda dengan benda kerja.

(d) Jenis elektroda yang digunakan

 

Proses terjadinya loncatan bungan api listrik diantara elektroda dan benda kerja adalah sebagai berikut:

Pengaruh medan listrik yang ada diantara elektroda dan benda kerja menyebabkan terjadinya pergerakan ion positif dan elektron masing-masing menuju kutub yang berlawanan sehingga terbentuklah saluran ion yang  bersifat konduktif. Pada kondisi tersebut arus listrik dapat mengalir melalui saluran ion dan terjadilah loncatan bunga api listrik.

Proses terbentuknya saluran ion tersebut dapat diuraikan sebagai berikut :

(1)  Dengan adanya medan listrik antara elektroda dengan benda kerja, electron-elektron bebas yang terdapat dalam permukaan elektroda akan tertarikmenuju anoda. Dalam pergerakannya menuju benda kerja elektron-elektron yang bernergi kinetis ini akan bertubrukan dengan molekul-molekul dielektrik tersebut.

(2)  Dalam proses tumbukan antara elektron bebas dengan molekul dielectric terjadi dua macam keadaan :

a.       Tumbukan biasa, dimana elektron tersebut berkurang energi kinetisnya

b.       Bila energi kinetis elektron bebas tersebut demikian tingginya sehingga terjadi tumbukan yang menghasilkan elektron baru yang berasal dari molekul dielektrik. Molekul dielektrik yang telah kehilangan elektronnya itu akan menjadi ion yang bermuatan positif dan akan tertarik ke arah katoda.

(3)  Dengan adanya tumbukan elektron dengan molekul yang menghasilkan elektron-elektron baru dan juga membentuk ion-ion positif yang baru maka terbentuklah saluran ion.

(4)  Dengan terbentuknya saluran ion tersebut maka tahanan listrik pada saluran tersebut menjadi rendah sekali, sehingga terjadilah pelepasan energi listrik dalam waktu yang sangat singkat (pulsa energi listrik) berupa loncatan bungan api listrik.

Mekanisme pengerjaan material benda kerja (material removal) di dalam proses EDM dapat diuraikan sebagai berikut :

Setiap loncatan bunga api listrik yang terjadi, menyebabkan suatu pemusatan aliran elektron yang bergerak dengan kecepatan tinggi dan menumbuk permukaan benda kerja. Bagian permukaan benda kerja ini akan mengalami kenaikan temperatur sekitar 8000⁰C - 12.000⁰C dan akan menyebabkan pelelehan lokal pada bagian tersebut. Kondisi seperti ini terjadi pula pada permukaan pahat. Pada saat yang bersamaan terjadi penguapan (vaporisation) baik pada permukaan benda kerja, pahat, maupun dielektrik. Kenaikan temperature menyebabkan membesarnya volume maupun tekanan gelembung uap tersebut.

Setelah terjadinya loncatan bunga api listrik maka aliran listrik terhenti, menyebabkan penurunan temperatur secara mendadak, mengakibatkan gelembung uap tersebut mengkerut dan menyebabkan bagian material yang leleh tersebut akan terpancar keluar dari permukaan meninggalkan bekas berupa kawah-kawah halus pada permukaan material. Bagian-bagain yang terpencar ini secepatnya membeku kembali berbentuk partikel-partikel halus yang terbawa pergi oleh aliran cairan dielektrik.

Proses erosi yang terjadi pada permukaan elektroda (pahat atau benda kerja) adalah asimetris. Proses erosi yang terjadi pada pahat menyebabkan keausan pahat, sedangkan proses pengerjaan material (materiall removal) adalah proses erosi pada permukaan benda kerja. Proses erosi yang asimetris pada permukaan elektroda tersebut bergantung kepada : polaritas, konduktivitas panas dari material elektroda, titik leleh, interval waktu dan intensitas loncatan bungaapi listrik yang terjadi. Dengan mengatur parameter di atas memungkinkan untuk memperoleh proses erosi sebanyak 99,5 % terjadi pada permukaan benda kerja sedang 0,5% terjadi pada pahat. Proses erosi asimetris tersebut disebabkan karena kecepatan tumbukan oleh ion-ion positif terhadap katoda lebih rendah dari pada kecepatan tumbukan oleh elektron-elektron terhadap anoda. Total energi tumbukan oleh seluruh elektron adalah lebih besar dibandingkan dengan energi tumbukan oleh ion-ion positif.

DASAR TURBIN GAS

DASAR TURBIN GAS

Turbin gas adalah sebuah mesin panas pembakaran dalam, proses kerjanya seperti motor bakar yaitu udara atmosfer dihisap masuk kompresor dan dikompresi, kemudian udara mampat masuk ruang bakar dan dipakai untuk proses pembakaran, sehingga diperoleh suatu energi panas yang besar, energi panas tersebut diekspansikan pada turbin dan menghasilkan energi mekanik pada poros, sisa gas pembakaran yang keluar turbin menjadi energi dorong (turbin gas pesawat terbang). Jadi, jelas bahwa turbin gas adalah mesin yang bisa mengubah energi panas menjadi energi mekanik atau dorong.

Persamaan turbin gas dengan motor bakar adalah pada proses pembakarannya yang terjadi di dalam mesin itu sendiri, disamping itu proses kerjanya adalah sama yaitu hisap, kompresi, pembakaran, ekspansi dan buang. Perbedaannya adalah terlatak pada kontruksinya, motor bakar kebanyakan bekerja gerak bolak balik (reciprocating) sedangkan turbin gas adalah mesin rotasi, proses kerja motor bakar bertahap (intermiten), untuk turbin gas adalah kontinyu dan gas buang pada motor bakar tidak pernah dipakai untuk gaya dorong.

 

Gambar Mesin pembakaran dalam ( turbin gas dan motor bakar)

                Turbin gas bekerja secara kontinyu tidak betahap, semua proses yaitu hisap kompresi, pembakaran dan buang adalah berlangsung bersamaan. Pada motor bakar yang prosesnya bertahap yaitu yang dinamakan langkah, langkah hisap, kompresi, pembakaran, ekspansi dan langkah buang, antara langkah satu dan lainnya saling bergantung dan bekerja bergantian. Pada proses ekspansi turbin gas, terjadi perubahan energi dari energi panas mejadi energi mekanik putaran poros turbin, sedangkan pada motor bakar pada langkah ekspansi terjadi perubahan dari energi panas menjadi energy mekanik gerak bolak-balik torak. Dengan kondisi tersebut, turbin gas bekerja lebih halus tidak banyak getaran. 

                                          

          

Gambar Perbandingan turbin gas dan mesin disel

Turbin gas banyak digunakan untuk mesin propulsi atau jet, mesin automotiv, tenaga pembangkit listrik, atau penggerak peralatan-peralatan industri seperti penggerak kompresor atau pompa. Daya yang dihasilkan turbin gas mulai dari 250000 HP untuk pembangkit listrik sampai 5 HP pada turbocharger pada mesin motor.

Keunggulan dari turbin gas adalah mesinnya yang ringan dan ukuran yang kecil bisa menghasilkan daya yang besar. Sebagai contoh pada gambar 5.2 adalah turbin gas yang biasa dipakai untuk penggerak generator lisitrik keci. Generator ini banyak dipakai untuk mengantisipasi beban puncak jaringan, sehingga fungsinya bisa menggantikan kalau terjadi pemadaman listrik. Gedung gedung perkantoran, rumah sakit, universitas, perusahaan dan lainnya, banyak yang menggunakan generator jenis ini. Dibandingkan dengan penggunaan generator penggerak disel, dengan penggerak turbin gas ukurannya menjadi lebih kecil, sehingga bisa menghemat tempat dan mudah dipindahkan.

Pesawat terbang memerlukan mesin dengan persyaratan yang spesifik yaitu mesin dengan daya besar untuk daya dorong, tetapi ringan juga dari segi ukuran harus kecil. Dengan alasan tersebut, penggunaan turbin gas pada pesawat terbang menjadi pilihan yang tepat , dan tidak bisa digantikan jenis mesin lain. Pada industri dan pembangkitan listrik turbin gas sangat menguntungkan karena mesin mudah diinstal, operasinya tidak ruwet, dan tidak memerlukan ruangan yang besar.

Dasar Kerja Turbin Gas

Pada gambar di bawah ini adalah salah satu mesin turbin gas pesawat terbang, adapun cara kerjanya adalah sebagai berikut. Motor starter dinyalakan, kompresor berputar dan mulai bekerja menghisap udara sekitar, udara kemudian dimampatkan. Udara pada tahap pertama dimampatkan dahulu pada kompresor tekanan rendah, diteruskan kompresor tekanan tinggi. Udara mampat selanjutnya masuk ruang bakar, bercampur dengan bahan bakar yang sudah disemprotkan. Campuran bahan bakar udara mampat kemudian dinyalakan dan terjadi proses pembakaran. Gas hasil proses pembakaran berekspansi pada turbin, terjadi perubahan dari energi panas menjadi energi putaran poros turbin, sebagian gas pembakaran menjadi gaya dorong. Setelah memberikan sisa gaya dorongnya, gas hasil pembakaran keluar melalu saluaran buang. Dari proses kerja turbin gas pesawat terbang tersebut, dihasilkan daya turbin yang digunakan untuk menggerakan kompresor, menghasikan daya dorong, dan menggerakan peralatan bantu lainnya.

 

Gambar Turbin gas pesawat terbang

Turbin gas yang dipakai industri, cara kerjanya sama dengan turbin gas pesawat terbang. Motor starter dinyalakan untuk memutar kompresor, udara segar terhisap masuk dan dimampatkan. Kemudian, udara mampat dengan temperatur dan tekanan yang cukup tinggi ( 200⁰C, 6 bar) mengalir masuk ruang bakar, bercampur dengan bahan bakar. Campuran udara mampat bahan-bakar kemudian dinyalakan dan terjadi proses pembakaran, temperatur gas pembakaran naik drastis. Gas pembakaran dengan temperatur tinggi ( 6 bar, 750⁰C ) berekspansi pada turbin, sehingga terjadi perubahan energi, dari energi panas menjadi energi putaran poros turbin. Gas pembakaran setelah berekspansi di turbin, lalu keluar sebagai gas bekas. Selanjutnya, turbin gas bekerja dengan putaran poros turbin, yaitu sebagai sumber tenaga penggerak kompresor dan generator listrik.

 

                              

                                                    

Gambar Turbin gas untuk industri ( pembangkit listrik)

Dari uraian cara kerja turbin gas diatas, dapat disebutkan komponen komponen mesin turbin gas yang penting, yaitu kompresor, ruang bakar, dan turbin. Jadi, daya yang dihasilkan turbin tidak hanya menggerakan beban, yaitu generator listrik, tetapi juga harus menggerakan kompresor.

Proses Pembakaran

Pada gambar diatas, dapat dilihat dari kotruksi komponen ruang bakar, apabila digambarkan ulang dengan proses pembakaran adalah sebagai berikut :

Gambar Ruang bakar dan proses pembakaran turbin gas

Proses pembakaran dari turbin gas adalah mirip dengan pembakaran mesin disel, yaitu proses pembakarannya pada tekanan konstan. Prosesnya adalah sebagai berikut, udara mampat dari kompresor masuk ruang bakar, udara terbagi menjadi dua, yaitu udara primer yang masuk saluran primer, berada satu tempat dengan nosel, dan udara mampat sekunder yang lewat selubung luar ruang bakar. Udara primer masuk ruang bakar melewati swirel, sehingga alirannya berputar. Bahan bakar kemudian disemprotkan dari nosel ke zona primer, setelah keduanya bertemu, terjadi pencampuran. Aliran udara primer yang berputar akan membantu proses pencampuran, hal ini menyebabkan campuran lebih homogen, pembakaran lebih sempurna.

Udara sekunder yang masuk melalui lubang-lubang pada selubung luar ruang bakar akan membantu proses pembakaran pada zona sekunder. Jadi, zona sekunder akan menyempurnakan pembakaran dari zona primer. Disamping untuk membantu proses pembakaran pada zona sekunder, udara sekunder juga membantu pendinginan ruang bakar. Ruang bakar harus didinginkan, karena dari proses pembakaran dihasilkan temperatur yang tinggi yang merusak material ruang bakar. Maka, dengan cara pendinginan udara sekunder, temperatur ruang bakar menjadi terkontrol dan tidak melebihi dari yang diijinkan.

Pada gambar 5.7 diatas, terlihat zona terakhir adalah zona pencampuran (dilute zone), adalah zona pencampuran gas pembakaran bertemperatur tinggi dengan sebagian udara sekunder. Fungsi udara pada sekunder pada zona itu adalah mendinginkan gas pembakaran yang bertemperatur tinggi menjadi temperatur yang aman apabila mengenai sudu-sudu turbin ketika gas pembakaran berekspansi. Disamping itu, udara sekunder juga akan menambah massa dari gas pembakaran sebelum masuk turbin, dengan massa yang lebih besar energi potensial gas pembakran juga bertambah. Apabila W_kinetik adalah energi kinetik gas pemabakaran dengan kecepatan V, massa sebelum ditambah udara sekunder adalah m₁ maka energi kinetiknya adalah sebagai berikut   m₁ x V² :

                W_kinetik.1 =

dengan penambahan massa dari udara sekunder m2, maka energi kinetik menjadi :

            W_kinetik.2 =

jadi dapat dilihat W_kinetik,2 ( dengan udara sekunder) lebih besar dari W_kinetik,1 ( tanpa udara sekunder).

Dari uraian diatas, terlihat proses pembakaran pada turbin gas memerlukan udara yang berlebih, biasanya sampai 30% dari kondisi normal untuk proses pembakaran dengan jumlah bahan bakar tertentu. Kondisi ini akan berkebalikan, apabila udara pembakaran terlalu berlimpah (lebih 30%), udara justru akan mendinginkan proses pembakaran dan mati, karena panas banyak terbuang keluar melalui gas bekas yang bercampur udara dingin sekunder. Dengan pemikiran yang sama, apabila udara jumlah udara kurang dari normal, yaitu terjadi overheating, material ruang bakar dan sudu-sudu turbin bekerja melampaui kekuatannya dan ruang bakar bisa pecah, hal ini berarti turbin gas berhenti bekerja atau proses pembakaran terhenti.