STRATEGI PEMBUATAN SKETSA PADA PEMODELAN 3D BERBASIS FITUR [SKETCH MAKING STRATEGY IN 3D MODELING BASED ON FEATURE]

Perangkat lunak CAD seperti Autocad, Autodesk Inventor, Catia, ProEng, Siemen NX dan lain-lainnya dikembangkan  berbasis pemodelan solid untuk menunjang penggunaan model 3D pada aplikasi hulu lainnya seperti analisis dan lain-lain. Pembuatan bentuk geometri solid (3D) diawali dengan langkah pembuatan sketsa (dalam ruang 2D ataupun 3D). Kemudian, sketsa yang dibuat akan digunakan untuk membuat bentuk solid (3D) menggunakan beberapa teknik yang umum seperti extrude, revolve, loft, sweep, ataupun beberapa teknik khusus seperti surfacing, coil dan lain-lain. Pada penggunaan tingkat lanjut seperti reverse engineering (rekayasa peniruan) ataupun reverse design untuk pengerjaan bentuk-bentuk permukaan fitur kompleks. Hasil akhir berupa model 3D ataupun 2D yang dibuat tujuannya untuk mengomunikasikan perintah yang harus diikuti pada saat simulasi hasil rancangan, persiapan material, perencanaan proses, proses manufaktur, pengendalian kualitas, perakitan, dan lain-lain. Sehingga, dalam pembuatan sketsa pun akan memerlukan strategi yang harus diperhatikan, yang dipilih dari beberapa metoda atau jenis-jenis sketsa yang ada.

 

I. DATUM REFERENCE FRAME (DRF)

Datum secara teoritis merupakan titik nyata, sumbu nyata, garis nyata, dan bidang nyata. Datum reference frame merupakan perpotongan saling tegak lurus diantara tiga buah datum permukaan yang membentuk sudut saling 90⁰. Simbol DRF harus memuat sumbu kordinat yang diberi label pada sumbu-sumbunya ( X,Y,Z).

Datum feature yang dirancang pada suatu komponen, dipilih  terhadap posisi komponen yang berhubungan dengan DRF. DRF terjadi secara teoritis dan sebenarnya tidak ada pada komponen. Oleh karenanya, diperlukan suatu metoda untuk menghadirkan atau menyimulasikan DRF secara teoritis dalam feature aktual yang terdapat di komponen. Pada kondisi riilnya, feature dibentuk secara fisik, atau melalui perhitungan matematis untuk menyimulasikan DFS (Datum Feature Simulator) yang menyatakan kaberadaan dan kesesuaiannya dengan sifat yang tersedia pada komponen. Pembatasan (constraint) yang diinginkan akan diperoleh melaui DoF (Degree of Freedom/derajat kebebasan) diantara suatu komponen dengan DRF.

Setiap komponen yang ada memiliki 6 buat derajat kebebasan / degree of freedom (tiga buah translasi dan tiga buah rotasi) geraknya dapat dibatasi oleh DRF dalam suatu kotak pengendali fitur (feature control frame). Derajat kebebasan transalsi diberi notasi X, Y, dan Z, sedangkan derajat kebebasan rotasi diberi notasi u, v, dan w.

 Gambar-1Datum Reference Frame / DRF [ASME Y14.5 2009]

 Pemilihan datum reference frame yang terdapat pada suatu komponen akan mempertimbangkan :

• Identifikasi badan utama suatu komponen, yang merupakan badan utama pada komponen dan tidak termasuk elemen tambahan pada komponen.
• Identifikasi fungsi komponen untuk menjumpai keperluan suaian seperti gap dan ketepatan pada feature yang saling berpasangan seperti pada lubang, flens, dan slot.
• Identifikasi kebutuhan proses untuk menentukan dampak dari proses seperti: berat gravitasi, posisi perkakas, kemudahan dicapai alat potong atau alat bantu lainnya, kemampuan ulang untuk pemeriksaan,  histori kemampuan komponen pada saat diproses.

 

II. DERAJAT KEBEBASAN (DEGREE OF FREEDOM / DoF)

DRF dapat dipertimbangkan sebagai sistem koordinat yang ditempatkan pada datum feature komponen. Sistem koordinat akan menjadi wakil dari perpotongan ketiga bidang yang membuat sumbu yang saling tegak lurus, kemudian DRF akan menentukan sejumlah operasi pemosisian dan operasi penyumbuan relatif terhadap datum feature komponen. Operasi posisi dan orientasi tersebut berhubungan dengan sistem koordinat dunia (world coordinate system). Suatu DRF memiliki 3 derajat kebebasan posisi dan 3 derajat kebebasan orientasi di dalam sistem koordinat dunia. Dengan kata lain, titik origin dari suatu DRF mungkin saja tidak terletak di sepanjang sumbu sistem koordinat dunia. Hal yang serupa, bahwa 3 bidang yang dibentuk oleh 3 pasangan sumbu DRF memiliki letak menyudut terhadap sistem koordinat dunia. Adanya DRF akan menyamakan pengurangan sistematik terhadap DoF di dalam sistem koordinat dunia.

 

Gambar-2 Keterkaitan Datum fitur pada komponen dengan DRF [ASME Y14.5 2009]

Derajat kebebasan dibatasi oleh datum fitur primer tanpa dibatasi kondisi material. Perhatikan gambar-2, akan dijelaskan sebagai berikut:

1. (a) Ditunjukkan pada gambar teknik bahwa komponen memiliki tiga buah datum D,E,F dengan persyaratan toleransi geometriknya masing-masing
2. (b) Berdasarkan fungsi perakitan ditunjukkan bahwa komponen diikat menggunakan 2 buah baut pengingat
3. (c) Perhatikan bahwa komponen diletakkan pada suatu permukaan (datum permukaan yang pertama). Pada kondisi ini ditunjukkan bahwa komponen dapat menahan 3 buah derajat kebebasan, yaitu : transalsi dalam arah Z (karena pengikatan baut), rotasi dalam arah u dan v (karena datum permukaan pertama)
4. (d) Perhatikan bahwa komponen diletakkan tepat menempel pada permukaan datum pertama dan kedua (menambahkan datum permukaan ke-dua). Pada kondisi ini ditunjukkan bahwa komponen dapat menahan 2 derajat kebebasan, yaitu : translasi dalam arah X dan rotasi dalam arah w (karena datum permukaan ke-dua)
5. (e) Perhatikan bahwa komponen diletakkan tepat menempel pada 3 buah datum permukaan. Dengan menambah satu lagi datum permukaan ketika, maka komponen dapat menahan satu buah derajat kebebasan lagi, yaitu dalam arah Y.
6. (f) Dapat simpulkan bahwa pemberian datum pada gambar teknik memiliki pengaruh terhadap pembatasan jumlah derajat kebebasan komponen pada suatu konstruksi.

Aturan keberadaan datum, dapat diwakilkan dalam bentuk DoF. Datum primer dapat menahan/membatasai satu atau lebih DoF. Datum sekunder dapat menahan satu atau lebih tambahan DoF (bisa jadi tidak menahan atau memodifikasi beberapa DoF yang telah ditahan oleh datum primer). Suatu datum tertier dapat juga menahan beberapa DoF, dan perlu difikirkan agar datum-datum  tersebut tidak redundan dengan tugas datum primer dan sekunder. ASME Y14.5.1 memberikan standard yang berisi beberapa cara agar DRF dapat dikonstruksikan menggunakan entitas geometri berupa titik, garis, dan bidang. Termasuk kondisi diantara datum primer, sekunder, dan tertier untuk setiap kasus (Gambar-3).

 

Gambar-3  Pembatasan (constraint) derajat kebebasan bagi datum fitur primer [ASME Y14.5 2009]

III. DATUM

Datum adalah suatu yang nyata secara teoritis berkaitan dengan titik, sumbu, garis, bidang, atau kombinasi yang diturunkan secara teoritis dari datum feature simulator (datum yang merupakan awal dimana lokasi atau karakteristik geometrik feature atau karakteristik geometrik berada).

Datum feature adalah suatu feature yang diidentikasi sebagai simbol datum feature atau suatu simbol datum target (feature aktual suatu komponen yang digunakan untuk menghadirkan datum)

Datum feature simulator : Batas fisik yang digunakan  untuk menetapkan suatu simulasi datum dari suatu datum feature yang ditentukan.

Datum reference berupa huruf alphabet yang terlihat di dalam kotak feature control frame berikut toleransi geometrinya, yang akan menentukan letak suatu datum berdasarkan zona toleransi atau batas yang dapat diterima.

Suatu datum feature dipilih berdasarkan hubungan fungsional terhadap toleransi feature dan keperluan perancangan. Untuk menjamin perakitan yang sesuai, maka feature yang saling terkait diantara komponen berpasangan harus dipilih sebagai datum feature. Bagaimanapun, datum feature harus terdapat pada komponen dan dengan ukuran yang sesuai untuk penggunaan yang diijinkan. Datum feature harus terlihat pada komponen, sehingga dalam kasus komponen simetris atau komponen yang memiliki feature identik, maka identifikasi fisik dari datum feature pada komponen diperlukan (Gambar-4).

 Gambar-4 Penetapan datum permukaan [ASME Y14.5 2009]

Hanya datum feature yang harus dijadikan referensi di dalam FCF (feature control frame) pada saat menentukan toleransi geometrik. Pengontrolan geometrik ditentukan oleh toleransinya, sehingga diperlukan untuk menentukan efektivitas jumlah referensi datum feature agar sesuai dengan penggunaannya. Kebutuhan fungsional perancangan harus dijadikan dasar untuk pemilihan datum feature yang berhubungan di dalam FCF.

Datum feature yang baik merupakan suatu permukaan yang berpengaruh kuat terhadap orientasi dan/atau lokasi komponen dalam perakitan. Kita menyebutknya datum feature fungsional. Pada kasus lainnya, datum feature dapat menumpu berat komponen dan memberikan kestabilan, dan memungkinkan alat pencekam selama proses manufaktur, atau semua tahapan selama inspeksi dilakukan.

Datum merupakan entitas geometrik dengan bentuk sempurna yang diturunkan dari datum feature yang ditentukan di gambar teknik. Konfigurasi dari satu atau lebih datum ditentukan di dalam feature control frame pada datum reference frame.  Suatu datum reference frame secara mendasar merupakan sejumlah sistem kordinat yang ditempatkan dan diorientasikan pada datum feature komponen, dan melaluinya, lokasi dan orientasi komponen lainnya dikendalikan.

Datum feature menghasilkan sekumpulan kandidat datum. Selama setiap datum dalam suatu datum reference frame memiliki beberapa buah kandidat datum, maka kondisi tersebut berpotensi menjadi kandidat datum reference frame. Apa yang harus kita lakukan terhadap semua kandidat tersebut ? Untuk memutuskannya maka ditentukan yang memiliki satu derajat kebebasan harus dicari pada seluruh kandidat datum terference frame, sehingga dapat diterimanya evaluasi untuk semua toleransi yang ada.  Suatu hal yang dapat dicari juga bagi suatu datum reference frame bahwa secara kolektif awal/mulanya dari semua pengendalian feature berhubungan dengan datum reference frame. Jika suatu datum reference frame dapat dijumpai pada suatu komponen, maka keberterimaan komponen dipengaruhi oleh hasil evaluasi terhadap semua toleransi yang digunakan (Gambar-5).

 

Gambar-5 Contoh aplikasi dari feature control frame [2]

 

IV. MENENTUKAN BADAN (BODY) PADA SUATU KOMPONEN (CONTOH KASUS BLOK MESIN/ENGINE BLOCK)

Setiap komponen yang akan dibuat umumnya dibangun dari dua jenis raw material berbentuk silindrik ataupun kubistik. Sebagai salah satu contoh penjelasan, saya menggunakan komponen blok mesin. Perangkat yang saya gunakan adalah software Reverse Enggineering (Geomagic 2013)

Engine block dibangun oleh beberapa feature pada keenam permukan badannya. Suatu badan utama engine dibangun dan kemudian disatukan dengan feature-feature lainnya yang terdapat di setiap sisi permukaan menggunakan teknik operasi bolean. Secara umum pada komponen mesin memiliki badan utama komponen, yang akan berfungsi juga sebagai penempatan datum reference frame (menghadirkannya secara nyata ke dalam wujud fisik).

Gambar-6 Struktur model engine block

Seluruh fitur solid dibuat melalui pembuatan reference plane yang posisi dan orientasinya tertentu terhadap datum reference frame. Skets dibuat pada reference plane dengan mengekstrak feature yang berasal dari mesh (lihat pengukuran menggunakan alat pemindai) dan didekati dengan bentuk kurva ideal perangkat lunak. Kemudian dilakukan teknik operasi fitur solid (extrude, revolve) yang berorientasi pada sumbu koordinat dan datum reference frame, seperti ditunjukkan pada Gambar-7:

 

Gambar-7 Proses pembuatan feature solid

Badan Utama engine block dapat dilihat dari strukturnya secara keseluruhan, yang mana akan terdapat feature-feature yang simetris, bentuk-bentuk yang serupa hasil dari suatu operasi solid, dan sebagai inti dari struktur pembentuk utama.

 

Gambar-8 Badan Utama Blok Mesin

 

V. STRATEGI MENENTUKAN BIDANG SKETSA (KETCHING PLANE)

Untuk menggambar komponen sederhana (umumnya dibentuk dari fitur primitif) maka bidang sketsa yang dapat dipilih langsung berasal dari DRF (bidang X-Y, atau Y-Z, atau Z-X). Suatu hal yang baik jika sketsa komponen yang dibuat mempertimbangkan letak komponen yang akan dibuat pada suatu produk rakitan (ingat datum dan derajat kebebasan). Penentuan bidang sketsa ini akan mempengaruhi teknik operasi solid 3D yang akan dipilih. Selain itu bidang sketsa dapat membantu kita pada saat akan melakukan simulasi perakitan pada model 3D (sebagai acuan untuk memasang constraint menggunakan bidang sketsa). Dalam suatu penggambaran komponen, bisa jadi bidang sketsa yang dibuat banyak sekali dan tergantung kompleksitas komponen yang dibuat. Banyak cara membuat bidang sketsa baru diluar Datum Reference Frame, seperti teknik offset, teknik menyudut dan lain-lain. Untuk membuatnya tergantung fitur yang tersedia dan merupakan kombinasi diantara titik, garis, sumbu, ataupun permukaan.

Gambar-9 Strategi menentukan Bidang Sketsa (modifikasi dari DRF & Permukaan fitur solid)

Selain itu, bidang sketsa dapat dibuat dengan memanfaatkan modifikasi dari DRF ataupun permukaan yang ada pada suatu komponen hasil dari operasi solid.

 Gambar-10 Menentukan Bidang Sketsa (modifikasi dari permukaan komponen)

 

VI. STRATEGI MEMBUAT SKETSA

Sketsa yang dibuat akan digunakan sebagai dasar untuk melakukan pembuatan komponen melalui teknik operasi solid yang akan dipilih. Sketsa yang dibuat dapat merupakan sketsa yang dibuat dalam koordinat 2D ataupun koordinat 3D. Prinsip dasar yang perlu dipahami adalah satu sketsa dibuat hanya untuk satu jenis teknik operasi solid yang seragam, namun dapat dipilih berdasarkan area yang akan dibuat. Selain itu, teknik operasi solid mempersyaratkan bahwa sketsa yang dibuat merupakan loop tertutup.

Membangun suatu sketsa untuk membuat model 3D mempertimbangkan bahwa :

• Suatu titik akan memeiliki suatu koordinat posisi.
•  Kumpulan dari titik-titik yang kontinyu akan membentuk suatu kurva, sesuai dengan koordinatnya.
• Kumpulan dari kurva-kurva yang kontinyu akan membentuk suatu permukaan, sesuai arah komposisi dari kurva tersebut.
•  Kumpulan dari permukaan akan membentuk suatu volume, sesuai arah komposisi dari permukaan tersebut.

Konsep pemodelan parametrik menyatakan bahwa anda membuat bentuk terlebih dahulu baru kemudian memberikan dimensi (shape before dimension). Sama halnya dalam membuat sketsa, anda bebas membuat sketsa sesuai dengan yang anda inginkan, kemudian penyesuaian akan secara otomatis dilakukan dengan memberikan ukuran dimensi (ditambah contrain seperti : kesejajaran, ketegaklurusan, kesebarisan, kesatusumbuan, vertikal, horisontal, menginggung, dan lain-lain).

Beberapa perangkat lunak mempermudah teknik operasi pembuatan sketsa seperti fasilitas : copy, mirror, move, fillet, chamfer, scale, strech, mirror, rectangular pattern, mirror patern, dan lain-lain.

Gambar-11 Strategi membuat sketsa pada beberapa bidang gambar

 

VII.MENGENAL JENIS-JENIS SKETSA

Secara umum sketsa dapat dikelompokkan menjadi :

Sketsa Sederhana 2D & 3D

Untuk membuat bentuk solid 3D yang merupakan kombinasi beberapa fitur melalui teknik operasi bolean dibentuk dari sketsa yang mudah. Umumnya merupakan sketsa yang dibentuk melalui sketsa lingkaran, segi empat, garis lurus, dan kombinasi diantaranya. Sketsa dapat dibuat melalui modifikasi bidang sketsa baru diluar datum referemnce frame, ataupun di permukaan komponen yang kita buat melalui teknik operasi solid.

Gambar-12 Jenis sketsa sederhana 2D & 3D

 

Sketsa untuk fitur kompleks-1 dari fungsi matematik biasa

Untuk membuat bentuk solid 3D di luar bentuk fitur-fitur primitif, dikenal dengan fitur kompleks. Umumnya dilakukan pada pada teknik pemodelan permukaan (surfacing method). Sketsa dibentuk melalui persamaan matematis. Beberapa perangkat lunak penggambaran dilengkapi dengan fasilitas membuat kurva melalui persamaan/fungsi, atau dengan cara lain, yaitu membuat tabel excel kemudian mengisi nilainya dengan menggunakan rumus tertentu. Tabel tersebut kemudian dipanggil pada perangkat lunak penggambaran, dan data-data pada tabel tersebut akan membentuk kumpulan titik ataupun kurva. Beberapa contoh persamaan matematika (persamaan: kuadrat, kubik, logaritmik, eksponensial, trigonometrik, yang umum digunakan untuk sistem koordinat 2 dimensi adalah :

Gambar-13 Jenis sketsa untuk fitur kompleks-1 (Fungsi Matematik sederhana)

 

Gambar-14 Jenis sketsa untuk fitur kompleks-1 (Fungsi Komposisi Matematik)

 

Sketsa untuk fitur kompleks-2 dari fungsi matematika parametrik

Beberapa kurva umumnya dapat dipetakan ke dalam koordinat x, y (x,y) melalui suatu fungsi y=f(x). Namun pada kondisi-kondisi tertentu, penerapak persamaan dengan teknik sistem koordinat tidak dapat dilakukan, sehingga kita harus melakukan konversi ke dalam bentuk persamaan parametrik. Yang awalnya koordinat dinyatakan dalam bentuk (x,y) akan diubah menjadi bentuk koordinat (f(t), g(t). Untuk membuat sketsa tipe ini, digunakan fasilitas membuat persamaan parametrik pada perangkat lunak penggambaran (CAD).

Gambar-15 Jenis sketsa untuk fitur kompleks-2 (Parametrik)

 

VIII. PENUTUP

Secara umum, seorang juru gambar atau perancang akan membuat gambar 2D ataupun 3D berdasarkan pemahaman, pengalaman, dan tingkat kemahirannya masing-masing dalam hal menggunakan perangkat lunak penggambaran (CAD). Terkadang beberapa manipulasi penggambaran dilakukan juga berdasarkan keterbatasan yang ada pada perangkat lunak penggambaran.

Namun sekali lagi ditegaskan bahwa gambar yang kita buat merupakan bahasa komunikasi, yang akan mengomunikasikan ide perancang sampai dengan penggunaan komponen. Dan akan melalui rangkaian manufaktur baik secara paralel ataupun seri seperti : proses simulasi dan analisis rancangan/komponen,perencanaan kebutuhan material dan pemrosesan, proses pembuatan komponen, pengukuran, perakitan, ujicoba, dan evaluasi. Sehingga dalam membuat sketsa pun, akan memerlukan strategi yang harus difikirkan sebelumnya, bukan hanya pada saat anda berhadapan secara langsung dengan komputer (perangkat lunak penggambaran /CAD).

Selain itu, kita perlu meyakini bahwa perangkat lunak penggambaran memiliki kemampuan yang luar biasa untuk membantu proses pembuatan model 2D/3D ataupun anda merancang suatu mesin. Sehingga anda harus sering mengeksplorasi kemampuan perangkat lunak tersebut, melalui tutorial-tutorial yang bisa anda cari lewat buku, manual book, video, artikel, ataupun hasil penelitian orang lain.

Demikan, tulisan ini disajikan untuk meningkatkan kemampuan kita de dalam membuat model 2D ataupun 3D. Mengingat kemampuan penulis masih dalam taraf pembelajaran, maka penulisan mengharapkan kritikan ataupun saran untuk penulisan-penulisan berikutnya. Jangan sungkan untuk menuliskannya secara langsung pada kolom komentar.

Semoda disaat pandemi wabah Covid-19 sedang memuncak di segala penjuru dunia, tetap tidak menghambat kita untuk beraktivitas di rumah dalam pembelajaran jarak jauh. Kita doakan bersama semoga pandemi ini dapat cepat berakhir dan kita semua dapat beraktivitas secara normal kembali. Jangan lupa didoakan juga bagi segenap pejuan-pejuan medis, relawan, ilmuwan, peneliti agar diberi kekuatan dalam menjalankan tugasnya. Dan juga semoga juga dunia dapat segera menemukan antivurnya.

Soroako, 11-April-2019

Ir. Duddy Arisandi, S.T., M.T.

Akademi Teknik Soroako

Soroako, Luwu Timur, Sulawesi Selatan

#StayAtHome

#DiRumahAjah

#CicingDiImahBae

#Against Covid19

 

AGAINST COVID-19 (GREETING FROM INDONESIAN MECHANICAL ENGINEER)