Sistem Pneumatik

1.      Pengertian Pneumatik

Istilah pneumatik berasal dari bahasa Yunani, yaitu ‘pneuma’ yang berarti

napas atau udara. Istilah pneumatik selalu berhubungan dengan teknik penggunaan

udara bertekanan, baik tekanan di atas 1 atmosfer maupun tekanan di bawah 1 atmosfer (vacum). Sehingga pneumatik merupakan ilmu yang mempelajari teknik pemakaian udara bertekanan (udara dimampatkan). Jaman dahulu kebanyakan orang sering menggunakan udara bertekanan untuk berbagai keperluan yang masih terbatas, antara lain menambah tekanan udara ban mobil/motor, melepaskan ban mobil dari peleknya, membersihkan kotoran, dan sejenisnya.

Sekarang, sistem pneumatik memiliki apliaksi yang luas karena udara pneumatik bersih dan mudah didapat. Banyak industri yang menggunakan sistem pneumatik dalam proses produksi seperti industri makanan, industri obat-obatan, industri pengepakan barang maupun industri yang lain.

2.       Karakteristik Udara bertekanan

Udara dipermukaan bumi ini terdiri atas campuran dari bermacam-macam gas. Komposisi dari macam-macam gas tersebut adalah sebagai berikut : 78 % vol. gas 21% vol. nitrogen, dan 1% gas lainnya seperti carbon dioksida, argon, helium, krypton, neon dan xenon. Dalam sistem pneumatik udara difungsikan sebagai media transfer dan sebagai penyimpan tenaga (daya) yaitu dengan cara dimampatkan. Udara termasuk golongan zat fluida karena sifatnya yang selalu mengalir dan bersifat compressible (dapat dimampatkan). Sifat-sifat udara senantiasa mengikuti hukum-hukum gas.

Karakteristik udara dapat diidentifikasikan sebagai berikut :

a. Udara mengalir dari tekanan tinggi ke tekanan rendah

b. Volume udara tidak tetap

c. Udara dapat dimampatkan (dipadatkan)

d. Berat jenis udara 1,3 kg/m³

e. Udara tidak berwarna

3.       Aplikasi Penggunaan Pneumatik

Penggunaan udara bertekanan sebenarnya masih dapat dikembangkan untuk berbagai keperluan proses produksi, misalnya untuk melakukan gerakan mekanik yang selama ini dilakukan oleh tenaga manusia, seperti menggeser, mendorong, mengangkat, menekan, dan lain sebagainya. Gerakan mekanik tersebut dapat dilakukan juga oleh komponen pneumatik, seperti silinder pneumatik, motor pneumatik, robot pneumatik translasi, rotasi maupun gabungan keduanya.

Perpaduan dari gerakan mekanik oleh aktuator pneumatik dapat dipadu menjadi gerakan mekanik untuk keperluan proses produksi yang terus menerus (continue), dan flexibel. Pemakaian pneumatik dibidang produksi telah mengalami kemajuan yang pesat, terutama pada proses perakitan (manufacturing), elektronika, obat-obatan, makanan, kimia dan lainnya. Pemilihan penggunaan udara bertekanan (pneumatik) sebagai sistim kontrol dalam proses otomasinya, karena pneumatik mempunyai beberapa keunggulan, antara lain:

a.    mudah diperoleh

b.    bersih dari kotoran dan zat kimia yang merusak

c.    mudah didistribusikan melalui saluran (selang) yang kecil

d.    aman dari bahaya ledakan dan hubungan singkat

e.    dapat dibebani lebih

f.    tidak peka terhadap perubahan suhu dan sebagainya.

Udara yang digunakan dalam pneumatik sangat mudah didapat/diperoleh di sekitar kita. Udara dapat diperoleh dimana saja kita berada, serta tersedia dalam jumlah banyak. Selain itu udara yang terdapat di sekitar kita cenderung bersih dari kotoran dan zat kimia yang merugikan. Udara juga dapat dibebani lebih tanpa menimbulkan bahaya yang fatal. Karena tahan terhadap perubahan suhu, maka penumatik banyak digunakan pula pada industri pengolahan logam dan sejenisnya. Secara umum udara yang dihisap oleh kompressor, akan disimpan dalam suatu tabung penampung.

Sebelum digunakan udara dari kompressor diolah agar menjadi kering, dan mengandung sedikit pelumas. Setelah melalui regulator udara dapat digunakan menggerakkan katub penggerak (aktuator), baik berupa silinder/stang torak yang bergerak translasi, maupun motor pneumatik yang bergerak rotasi. Gerakan bolak balik (translasi), dan berputar (rotasi) pada aktuator selanjutnya digunakan untuk berbagai keperluan gerakan yang selama ini dilakukan oleh manusia atau peralatan lain.

4.       Efektifitas Pneumatik

Sistim gerak dalam pneumatik memiliki optimalisasi/efektifitas bila digunakan pada batas-batas tertentu. Adapun batas-batas ukuran yang dapat menimbulkan optimalisasi penggunaan pneumatik antara lain: diameter piston antara 6 s/d 320 mm, anjang langkah 1 s/d 2.000 mm, tenaga yang diperlukan 2 s/d 15 bar, untuk keperluan pendidikan biasanya berkisar antara 4 sampai dengan 8 bar, dapat juga bekerja pada tekanan udara di bawah 1 atmosfer (vacuum), misalnya untuk keperluan mengangkat plat baja dan sejenisnya melalui katup karet hisap flexibel. Adapun efektifitas penggunaan udara bertekanan dapat dilihat pada grafik berikut:

Gambar 1. Efektifitas udara bertekanan (Werner Rohrer,1990)

Penggunaan silinder pneumatik biasanya untuk keperluan antara lain:

a.    mencekam benda kerja

b.    menggeser benda kerja

c.    memposisikan benda kerja

d.    mengarahkan aliran material ke berbagai arah.

Penggunaan secara nyata pada industri antara lain untuk keperluan:

a.    membungkus (verpacken), mengisi material

b.    mengatur distribusi material

c.    penggerak poros

d.    membuka dan menutup pada pintu

e.    transportasi barang

f.    memutar benda kerja

g.    menumpuk/menyusun material

h.    menahan dan menekan benda kerja

Melalui gerakan rotasi pneumatik dapat digunakan untuk:

a.    mengebor

b.    memutar mengencangkan dan mengendorkan mur/baut

c.    memotong

d.    membentuk profil plat

e.    menguji

f.    proses finishing (gerinda, pasah, dll.)

5.       Keuntungan dan Kerugian Penggunaan pneumatik

5.1     Keuntungan

Pneumatik memiliki beberapa keuntungan antara lain dapat disebutkan berikut ini :

·         Ketersediaan yang tak terbatas, udara tersedia di alam sekitar kita dalam jumlah yang tanpa batas sepanjang waktu dan tempat.

·         Mudah disalurkan, udara mudah disalurk

an/pindahkan dari satu tempat ke tempat lain melalui pipa yang kecil, panjang dan berliku.

·         Fleksibilitas temperatur, udara dapat fleksibel digunakan pada berbagai temperatur yang diperlukan, melalui peralatan yang dirancang untuk keadaan tertentu, bahkan dalam kondisi yang agak ekstrem udara masih dapat bekerja.

·         Aman, udara dapat dibebani lebih dengan aman selain itu tidak mudah terbakar dan tidak terjadi hubungan singkat (kotsleiting) atau meledak sehingga proteksi terhadap kedua hal ini cukup mudah, berbeda dengan sistim elektrik yang dapat menimbulkan kostleting hingga kebakaran.

·         Bersih, udara yang ada di sekitar kita cenderung bersih tanpa zat kimia yang berbahaya dengan jumlah kandungan pelumas yang dapat diminimalkan

sehingga sistem pneumatik aman digunakan untuk industri obat-obatan, makanan, dan minuman maupun tekstil.

·         Pemindahan daya dan Kecepatan sangat mudah diatur. udara dapat melaju dengan kecepatan yang dapat diatur dari rendah hingga tinggi atau sebaliknya. Bila Aktuator menggunakan silinder pneumatik, maka kecepatan torak dapat mencapai 3 m/s. Bagi motor pneumatik putarannya dapat mencapai 30.000 rpm, sedangkan sistim motor turbin dapat mencapai 450.000 rpm.

·         Dapat disimpan, udara dapat disimpan melalui tabung yang diberi pengaman terhadap kelebihan tekanan udara. Selain itu dapat dipasang pembatas tekanan atau pengaman sehingga sistim menjadi aman.

·         Mudah dimanfaatkan, udara mudah dimanfaatkan baik secara langsung missal untuk membersihkan permukaan logam dan mesin-mesin, maupun tidak langsung, yaitu melalui peralatan pneumatik untuk menghasilkan gerakan tertentu.

5.2     Kerugian/Kelemahan Pneumatik

Selain memiliki kelebihan seperti di atas, pneumatik juga memiliki beberapa

kelemahan antara lain:

·         Memerlukan instalasi peralatan penghasil udara. Udara kempa harus dipersiapkan secara baik hingga memenuhi syarat. memenuhi kriteria tertentu, misalnya kering, bersih, serta mengandung pelumas yang diperlukan untuk peralatan pneumatik. Oleh karena itu sistem pneumatik memerlukan instalasi peralatan yang relatif mahal, seperti kompressor, penyaring udara, tabung pelumas, pengeering, regulator, dll.

·         Mudah terjadi kebocoran, Salah satu sifat udara bertekanan adalah ingin selalu menempati ruang yang kosong dan tekanan udara susah dipertahankan dalam waktu bekerja. Oleh karena itu diperlukan seal agar udara tidak bocor. Kebocoran seal dapat menimbulkan kerugian energi. Peralatan pneumatik harus dilengkapi dengan peralatan kekedapan udara agar kebocoran pada sistim udara bertekanan dapat ditekan seminimal mungkin.

·         Menimbulkan suara bising, Pneumatik menggunakan sistim terbuka, artinya udara yang telah digunakan akan dibuang ke luar sistim, udara yang keluar cukup keras dan berisik sehingga akan menimbulkan suara bising terutama pada saluran buang. Cara mengatasinya adalah dengan memasang peredam suara pada setiap saluran buangnya.

·         Mudah Mengembun, Udara yang bertekanan mudah mengembun, sehingga sebelum memasuki sistem harus diolah terlebih dahulu agar memenuhi persyaratan tertentu, misal kering, memiliki tekanan yang cukup, dan mengandung sedikit pelumas agar mengurangi gesekan pada katup-katup dan aktuator.

6.       Klasifikasi Sistim Pneumatik

Sistim elemen pada pneumatik memiliki bagian-bagian yang mempunyai fungsi berbeda. Secara garis besar sistim elemen pada pneumatik dapat digambarkan pada skema berikut :

Gambar 2. Klasifikasi Elemen Sistim Pneumatik (FESTO FluidSIM)

7.       Peralatan Sistem Pneumatik

7.1     Kompressor

Kompresor berfungsi untuk menghasilkan udara bertekanan dengan cara menghisap dan memampatkan udara tersebut kemudian disimpan di dalam tangki udara kempa untuk disuplai kepada pemakai (sistem pneumatik). Kompressor dilengkapi dengan tabung untuk menyimpan udara bertekanan, sehingga udara dapat mencapai jumlah dan tekanan yang diperlukan. Tabung udara bertekanan pada kompressor dilengkapi dengan katup pengaman, bila tekanan udaranya melebihi ketentuan, maka katup pengaman akan terbuka secara otomatis.

Pemilihan jenis kompresor yang digunakan tergantung dari syarat-syarat pemakaian yang harus dipenuhi misalnya dengan tekanan kerja dan volume udara yang akan diperlukan dalam sistim peralatan (katup dan silinder pneumatik). Secara garis besar kompressor dapat diklasifikasikan seperti di bawah ini.

7.1.1   Klasifikasi Kompressor

Secara garis besar kompressor dapat diklasifikasikan menjadi dua bagian, yaitu Positive Displacement kompressor, dan Dynamic turbo kompressor, Positive Displacement kompressor, terdiri dari Reciprocating dan Rotary, sedangkan Dynamic turbo compressor terdiri dari Centrifugal, axial dan ejector, secara lengkap dapat dilihat dari klasifikasi di bawah ini:

Gambar 3. Klasifikasi Kompresor (Majumdar,2001)

A.    Kompresor Torak Resiprokal (reciprocating kompressor)

 Kompresor ini dikenal juga dengan kompresor torak, karena dilengkapi dengan torak yang bekerja bolak-balik atau gerak resiprokal. Pemasukan udara diatur oleh katup masuk dan dihisap oleh torak yang gerakannya menjauhi katup. Pada saat terjadi pengisapan, tekanan udara di dalam silinder mengecil, sehingga udara luar akan masuk ke dalam silinder secara alami. Pada saat gerak kompressi torak bergerak ke titik mati bawah ke titik mati atas, sehingga udara di atas torak bertekanan tinggi, selanjutnya di masukkan ke dalam tabung penyimpan udara. Tabung penyimpanan dilengkapi dengan katup satu arah, sehingga udara yang ada dalam tangki tidak akan kembali ke silinder. Proses tersebut berlangsung terus-menerus hingga diperoleh tekanan udara yang diperlukan. Gerakan mengisap dan mengkompressi ke tabung penampung ini berlangsung secara terus menerus, pada umumnya bila tekanan dalam tabung telah melebihi kapasitas, maka katup pengaman akan terbuka, atau mesin penggerak akan mati secara otomatis.

 

Gambar 4. Kompresor Torak Resiprokal

B.     Kompresor Torak Dua Tingkat Sistem Pendingin Udara

 Kompresor udara bertingkat digunakan untuk menghasilkan tekanan udara yang lebih tinggi. Udara masuk akan dikompresi oleh torak pertama, kemudian didinginkan, selanjutnya dimasukkan dalam silinder kedua untuk dikompresi oleh torak kedua sampai pada tekanan yang diinginkan. Pemampatan (pengompresian) udara tahap kedua lebih besar, temperatur udara akan naik selama terjadi kompresi, sehingga perlu mengalami proses pendinginan dengan memasang sistem pendingin. Metode pendinginan yang sering digunakan misalnya dengan sistem udara atau dengan sistem air bersirkulasi.

Gambar 5. Kompresor Torak dua Tingkat Sistem Pendinginan Udara

 Batas tekanan maksimum untuk jenis kompresor torak resiprokal antara lain, untuk kompressor satu tingkat tekanan hingga 4 bar, sedangkan dua tingkat atau lebih tekanannya hingga 15 bar.

C.    Kompresor Diafragma (diaphragma compressor)

Jenis Kompresor ini termasuk dalam kelompok kompresor torak. Namun letak torak dipisahkan melalui sebuah membran diafragma. Udara yang masuk dan keluar tidak langsung berhubungan dengan bagian-bagian yang bergerak secara resiprokal. Adanya pemisahan ruangan ini udara akan lebih terjaga dan bebas dari uap air dan pelumas/oli. Oleh karena itu kompressor diafragma banyak digunakan pada industry bahan makanan, farmasi, obat-obatan dan kimia.

Prinsip kerjanya hampir sama dengan kompresor torak. perbedaannya terdapat pada sistem kompresi udara yang akan masuk ke dalam tangki penyimpanan udara bertekanan. Torak pada kompresor diafragma tidak secara langsung menghisap dan menekan udara, tetapi menggerakkan sebuah membran (diafragma) dulu. Dari gerakan diafragma yang kembang kempis itulah yang akan menghisap dan menekan udara ke tabung penyimpan.

Gambar 6. Kompresor Diafragma

D.    Konpresor Putar (Rotary Compressor)

 Secara eksentrik rotor dipasang berputar dalam rumah yang berbentuk silindris, mempunyai lubang-lubang masuk dan keluar. Keuntungan dari kompressor jenis ini adalah mempunyai bentuk yang pendek dan kecil, sehingga menghemat ruangan. Bahkan suaranya tidak berisik dan halus dalam , dapat menghantarkan dan menghasilkan udara secara terus menerus dengan mantap.

 Baling-baling luncur dimasukkan ke dalam lubang yang tergabung dalam rotor dan ruangan dengan bentuk dinding silindris. Ketika rotor mulai berputar, energi gaya sentrifugal baling-balingnya akan melawan dinding. Karena bentuk dari rumah baling-baling itu sendiri yang tidak sepusat dengan rotornya maka ukuran ruangan dapat diperbesar atau diperkecil menurut arah masuknya (mengalirnya) udara.

Gambar 7. Kompresor Rotari Baling-baling Luncur (FESTO Transparan)

E.     Kompresor Sekrup (Screw)

 Kompressor Sekrup memiliki dua rotor yang saling berpasangan atau bertautan (engage), yang satu mempunyai bentuk cekung, sedangkan lainnya berbentuk cembung, sehingga dapat memindahkan udara secara aksial ke sisi lainnya. Kedua rotor itu identik dengan sepasang roda gigi helix yang saling bertautan. Jika roda-roda gigi tersebut berbentuk lurus, maka kompressor ini dapat digunakan sebagai pompa hidrolik pada pesawat-pesawat hidrolik. Roda-roda gigi kompressor sekrup harus diletakkan pada rumah-rumah roda gigi dengan benar sehingga betul-betul dapat menghisap dan menekan fluida.

Gambar 8. Kompresor Sekrup (Gottfried Nist, 1994)

F.     Kompressor Root Blower (Sayap Kupu-kupu)

 Kompressor jenis ini akan mengisap udara luar dari satu sisi ke sisi yang lain tanpa ada perubahan volume. Torak membuat penguncian pada bagian sisi yang

bertekanan. Prinsip kompresor ini ternyata dapat disamakan dengan pompa pelumas model kupu-kupu pada sebuah motor bakar. Beberapa kelemahannya adalah tingkat kebocoran yang tinggi. Kebocoran terjadi karena antara baling-baling dan rumahnya tidak dapat saling rapat betul.

 Berbeda jika dibandingkan dengan pompa pelumas pada motor bakar, karena fluidanya adalah minyak pelumas maka film-film minyak sendiri sudah menjadi bahan perapat antara dinding rumah dan sayap-sayap kupu itu. Dilihat dari konstruksinya, Sayap kupu-kupu di dalam rumah pompa digerakan oleh sepasang roda gigi yang saling bertautan juga, sehingga dapat berputar tepat pada dinding.

Gambar 9. Kompressor Model Root Blower

G.    Kompresor Aliran (turbo kompressor)

 Jenis kompresor ini cocok untuk menghasilkan volume udara yang besar. Kompresor aliran udara ada yang dibuat dengan arah masuknya udara secara aksial dan ada yang secara radial. Arah aliran udara dapat dirubah dalam satu roda turbin atau lebih untuk menghasilkan kecepatan aliran udara yang diperlukan. Energi kinetik yang ditimbulkan menjadi energi bentuk tekanan.

H.    Kompressor Aliran Radial

 Percepatan yang ditimbulkan oleh kompressor aliran radial berasal dari ruangan ke ruangan berikutnya secara radial. Pada lubang masuk pertama udara dilemparkan keluar menjauhi sumbu. Bila kompressornya bertingkat, maka dari tingkat pertama udara akan dipantulkan kembali mendekati sumbu. Dari tingkat pertama masuk lagi ke tingkat berikutnya, sampai beberapa tingkat sesuai yang dibutuhkan.

Semakin banyak tingkat dari susunan sudu-sudu tersebut maka akan semakin tinggi tekanan udara yang dihasilkan. Prinsip kerja kompressor radial akan mengisap udara luar melalui sudu-sudu rotor, udara akan terisap masuk ke dalam ruangan isap lalu dikompressi dan akan ditampung pada tangki penyimpanan udara bertekanan hingga tekanannya sesuai dengan kebutuhan.

Gambar 10. Kompresor Aliran Radial (Gottfried Nist, 1994)

I.     Kompresor Aliran Aksial

 Pada kompresor aliran aksial, udara akan mendapatkan percepatan oleh sudu yang terdapat pada rotor dan arah alirannya ke arah aksial yaitu searah (sejajar) dengan sumbu rotor. Jadi pengisapan dan penekanan udara terjadi saat rangkaian sudu-sudu pada rotor itu berputar secara cepat. Putaran cepat ini mutlak diperlukan untuk mendapatkan aliran udara yang mempunyai tekanan yang diinginkan.

 Teringat pula alat semacam ini adalah seperti kompresor pada sistem turbin gas atau mesinmesin pesawat terbang turbo propeller. Bedanya, jika pada turbin gas adalah menghasilkan mekanik putar pada porosnya. Tetapi, pada kompresor ini tenaga mekanik dari mesin akan memutar rotor sehingga akan menghasilkan udara bertekanan.

Gambar 11. Kompresor Aliran Aksial