Pendahuluan: Masalah Lama, Solusi Baru dalam Prediksi Umur Komponen
Memprediksi umur pakai engsel pintu kulkas bisa menjadi tantangan besar. Tes ketahanan fisik tradisional membutuhkan waktu bertahun-tahun—tidak efisien dan mahal. Industri peralatan rumah tangga kini beralih ke Accelerated Life Testing (ALT), metode yang lebih cepat dan murah untuk mengevaluasi keandalan produk.
Penelitian oleh Seunghyeon Cheon dkk. menawarkan solusi menarik: menggabungkan model numerik berbasis simulasi fisik dalam ALT untuk memprediksi keausan engsel pintu kulkas berbahan polyacetal. Artikel ini merangkum pendekatan, studi kasus, data numerik, dan validasi yang digunakan, sekaligus menyoroti kekuatan metode ini untuk industri manufaktur modern.
H2: Apa Itu ALT dan Mengapa Berbasis Simulasi?
ALT (Accelerated Life Testing) adalah metode percepatan pengujian umur produk dengan cara meningkatkan beban/stres. Namun, daripada mengandalkan uji fisik prototipe seperti biasa, studi ini menggunakan simulasi FEM (Finite Element Method) berbasis DEFORM3D untuk:
- Menghitung keausan pada permukaan engsel
- Mengembangkan life-stress model
- Memprediksi waktu kegagalan tanpa uji fisik penuh
Simulasi memberikan efisiensi waktu 65% lebih cepat dibandingkan uji nyata, serta biaya yang jauh lebih rendah.
H2: Studi Kasus: Engsel Pintu Kulkas dari Polyacetal (POM)
Penelitian dilakukan pada komponen engsel cam kulkas konsumen, terdiri dari:
- Braket baja (tidak dianalisis)
- Hinge cam dari Polyoxymethylene (POM), bahan plastik tahan gesekan
Komponen diuji terhadap keausan akibat pembukaan dan penutupan pintu berulang. Tujuan utama: memprediksi penurunan tinggi hinge sebagai indikator kegagalan.
H2: Uji Material dan Model Fisika Kegagalan
1. Uji Tarik dan Parameter Material
- Uji dilakukan dengan INSTRON 5882 pada 60 dan 600 mm/menit
- Kurva beban–regangan memperlihatkan konsistensi, menunjukkan bahwa sifat POM stabil di berbagai kecepatan regangan
- Data digunakan untuk mengisi parameter pada Swift Equation dan GTN Model (Gurson-Tvergaard-Needleman)
2. Model Keausan Archard yang Dimodifikasi Digunakan persamaan: W=KPavbtHcW = K \frac{P^a v^b t}{H^c}
- P = tekanan normal, v = kecepatan geser, t = waktu, H = kekerasan permukaan
- Nilai a = 1, b = 1, c = 2 dari literatur
H2: Penentuan Koefisien Keausan (K) Melalui Eksperimen
Metode:
- Dua hinge cam dimodifikasi (sudut 10°) dan diuji rotasi 100.000 siklus di bawah beban 48,7 kgf
- Hasil pengukuran perubahan tinggi menunjukkan hubungan linear antara keausan dan jumlah siklus
Persamaan Hasil: h=0,3454×N(mm)h = 0{,}3454 \times N \quad (mm)
Validasi melalui simulasi:
- DEFORM3D digunakan untuk menguji berbagai nilai K
- Nilai terbaik diperoleh: K = 7{,}17 × 10⁻⁷
- Hasil simulasi keausan 0,346 mm ≈ hasil uji aktual 0,345 mm → akurasi < 0,3%
H2: Simulasi Step-Stress ALT: Meningkatkan Akurasi Prediksi
Step-stress test:
- Beban awal: 43,7 kgf
- Bertambah 2,8 kgf setiap 20.000 siklus, total 100.000 siklus
- Simulasi dilakukan sebanyak 10 kali untuk setiap tahap
Hasil:
- Grafik simulasi vs uji aktual menunjukkan kesesuaian sangat baik
- Digunakan fungsi: h=4,74986×10−5×AF+0,0511h = 4{,}74986 \times 10^{-5} \times AF + 0{,}0511
- AF (Acceleration Factor) dihitung dari beban dan jumlah siklus
H2: Prediksi Umur Pakai Berdasarkan Penggunaan Konsumen
Menggunakan persamaan: Life (years)=Jumlah siklus hingga kegagalanx×365\text{Life (years)} = \frac{\text{Jumlah siklus hingga kegagalan}}{x \times 365}
- x = frekuensi buka/tutup pintu per hari (diasumsikan 40 kali)
- h kritis (maksimum defleksi yang diterima): 1 mm
- Beban aktual rumah tangga (termasuk isi pintu) = 44 kgf
- Gaya kontak engsel aktif hanya jika beban > 38 kgf → efektif 6 kgf
Hasil prediksi:
- Umur engsel ≈ 14,01 tahun
- Hasil uji aktual (204.604 siklus) ≈ 14,78 tahun
- Selisih hanya 4,9% → validasi akurat
H2: Efisiensi dan Manfaat Simulasi Berbasis ALT
Metode step-stress eksperimental membutuhkan waktu uji 85 jam dengan hasil yang valid, sedangkan simulasi DEFORM3D hanya memerlukan waktu uji 30 jam dengan deviasi kurang dari 5%. Perbandingan ini menunjukkan efisiensi yang signifikan dari penggunaan simulasi DEFORM3D, yang tidak hanya menghemat waktu, tetapi juga memberikan akurasi yang sangat baik dalam prediksi hasil.
Keuntungan simulasi:
- Penghematan waktu uji hingga 65%
- Potensi lebih besar jika simulasi dijalankan paralel (multi-core CPU)
- Bisa digunakan untuk membandingkan alternatif desain tanpa prototipe fisik
H2: Kritik dan Implikasi Lebih Luas
Kritik:
- Simulasi valid untuk failure mode berbasis keausan, belum tentu cocok untuk retakan termal atau korosi
- Model hanya valid untuk geometri dan bahan POM tertentu
- Membutuhkan perangkat lunak dan keahlian teknis yang spesifik
Implikasi untuk Industri:
- Metode ini bisa digunakan untuk komponen rumah tangga lain: engsel mesin cuci, rel laci, komponen pemanas
- Cocok untuk produsen yang ingin mempercepat siklus desain dan menghemat biaya uji prototipe
- Bisa jadi standar baru untuk uji keandalan produk massal
Kesimpulan
Penelitian ini membuktikan bahwa pendekatan Accelerated Life Testing berbasis simulasi numerik dapat menjadi alat yang efisien, akurat, dan hemat biaya dalam memprediksi umur komponen berbasis keausan seperti engsel pintu kulkas.
Temuan penting:
- Model prediksi sangat akurat (deviasi < 5%)
- Waktu uji dipersingkat hingga 65%
- Validasi eksperimental mendukung pendekatan simulasi penuh
- Potensi besar untuk diterapkan di industri manufaktur konsumen skala besar
Sumber : Cheon, Seunghyeon; Jeong, Hyunsoo; Hwang, So Young; Hong, Seokmoo; Domblesky, Joseph; Kim, Naksoo. Accelerated Life Testing to Predict Service Life and Reliability for an Appliance Door Hinge. Procedia Manufacturing, Volume 1, 2015, Pages 169–180.