Non trad machining_Water Jet Machining.pdf

Non Traditional Machining Water Jet Machining

1. Department of Metallurgical and Materials Engineering
Faculty of Engineering – Universitas Indonesia
Dr. Dwi Marta Nurjaya, S.T., M.T.Efraim Yunus
2206809785 Benaya Sirait
2206024644 Josafat Pasaribu
2206056551 Tony Eko W
2206056715
1
Water Jet Machining Water Jet Machining
Teknologi Perakitan dan Pemrosesan KhususTeknologi Perakitan dan Pemrosesan Khusus

2. Outline
2
01 Sejarah
02 Fungsi
03 Komponen
04 Material Workpiece
05 Mekanisme
06 Jenis
07 Aplikasi
08 Kelebihan dan Kekurangan

3. Sejarah Water Jet Machining
Proses pemotongan non-traditional yang menggunakan aliran air
bertekanan sangat tinggi (hingga 60,000 psi atau lebih) untuk
memotong material.
Definisi
Sejarah Water Jet Machining
Pure
1930
1970
2000-
kini
10.000-60,000
psi.
3
1800
Pemotongan waterjet pertama kali digunakan pada tahun 1850-an untuk menggali material di tambang
batu bara di Selandia Baru dan Rusia.
Leslie Tirrell dan Elmo Smith menemukan teknik aliran jet, dan industri kertas mulai memanfaatkan waterjet
cutting untuk memotong kertas mereka.
Penemuan lubang kristal waterjet memungkinkan metode pemotongan waterjet dikomersialkan.
1956
Dr. Norman Franz mulai bereksperimen dengan menambahkan partikel abrasif ke dalam sistem air
bertekanan tinggi untuk memotong kayu.
Integrasi CNC, dipakai di otomotif, aerospace, manufaktur, hingga makanan.
Penyempitan
Nozzle
Erosion
Cutting

4. Fungsi Water Jet Machining
Fungsi Utama WJM
4
1. Pengolahan Material Sensitif Panas
4. Aplikasi Khusus
Industri makanan (memotong kue, sayuran, daging) → higienis karena tanpa kontaminasi pisau.
Aerospace → pemotongan komponen presisi tinggi.
Pertambangan → memecah batuan keras.
Kayu, plastik, kertas, karet, tekstil → tanpa menghasilkan panas
berlebih atau deformasi.
2. Pengolahan Material Sensitif Panas
Karena WJM adalah cold cutting process (tidak menimbulkan heat-
affected zone/HAZ), sangat cocok untuk material yang mudah berubah
sifat akibat panas (misalnya paduan titanium, komposit serat karbon).
3. Deburring dan Cleaning
Jet air juga bisa digunakan untuk membersihkan permukaan, menghilangkan lapisan oksida, atau menghaluskan tepi
potongan
Water Jet Machining bekerja dengan mengubah energi tekanan air menjadi energi kinetik aliran jet, yang kemudian digunakan
untuk mengikis atau memotong material. Jika ditambah abrasif → pemotongan bisa dilakukan pada material keras.

5. Komponen Water Jet Machining
Fluid Supply
Pump
Intensifier
Accumulator
Controls
Valve
Abrasive Supply
Nozzle
Catcher
Pure Water Jet Machinning
Abrasive Water Jet Machinning
5
sebagai sumber air (harus terfiltrasi)
meningkatkan tekanan fluida
energi hidrolik menjadi air bertekanan sangat tinggi
penyimpan tekanan sementara, mencegah fluktuasi tekanan
mengatur pembukaan/penutupan aliran air dan suplai abrasif
mengatur aliran air dan abrasif sebelum keluar melalui nozzle
tempat penyimpanan partikel abrasif
ubah energi tekanan tinggi menjadi jet
menangkap jet air + abrasif setelah melewati workpiece

6. Material Workpiece for Water Jet Machining
Material Komponen Mesin Material Abrasive Material Workpiece
Nozzle
High Pressure Pipe
Pump/ Fitting
Garnet
Alumina
Silika/ Pasir Kuarsa
6
Tungsten carbide, boron
carbide, atau sapphire
Stainless Steel
Alloy steel
Logam
non-Logam
Baja karbon, stainless steel,
aluminium, titanium.
Tergantung ketebalan dari
ketebalan material
Kaca, keramik, komposit, plastik,
karet, kayu.
Tergantung ketebalan dari
ketebalan material,
kemudahannya untuk larut
dalam air, kerapuhannya, dan
laminasi material

7. Mekanisme
7
Mekanisme Kerja Water Jet Machining
1.Fluid Supply (Penampung Air)
Proses diawali dengan penyediaan air di dalam reservoir atau penampung. Air ini berfungsi sebagai
media utama pemotongan.
2. Mixer dan Filter
Sebelum dialirkan lebih lanjut, air melewati mixer dan filter untuk memastikan kebersihan serta
menghilangkan partikel-partikel yang dapat mengganggu proses pemotongan atau merusak
komponen sistem.
3. Pump (Pompa)
Pompa menyedot air dari penampung kemudian mengalirkannya menuju intensifier.
4. Intensifier
Pada tahap ini, tekanan air ditingkatkan secara signifikan, dari sekitar 4 bar menjadi hingga 4000
bar. Hasilnya adalah aliran air bertekanan sangat tinggi yang siap disalurkan ke tahap berikutnya.
5. Accumulator
Air bertekanan tinggi tersebut disimpan sementara dalam accumulator untuk menjaga kestabilan
tekanan dan memastikan suplai yang kontinu selama proses pemotongan berlangsung.
6. Controls dan Hydraulic Unit
Sistem kontrol dan unit hidrolik mengatur pembukaan/penutupan serta kestabilan aliran air
sebelum memasuki valve.
7. Valve (Katup Pengatur)
Katup berfungsi mengatur jumlah serta kecepatan aliran air bertekanan yang diteruskan ke nozzle.
8. Nozzle (Sapphire Nozzle)
Air bertekanan tinggi kemudian keluar melalui sapphire nozzle. Pada tahap ini, energi tekanan
diubah menjadi energi kinetik, menghasilkan jet air berkecepatan sangat tinggi.
9. Jet Air
Jet air yang keluar dari nozzle diarahkan langsung ke permukaan workpiece. Kecepatan tinggi jet air
menghasilkan gaya erosi yang mampu mengikis material dari permukaan benda kerja.
10. Workpiece dan Drain
Material tererosi dari benda kerja, sehingga terjadi proses penghilangan logam sesuai jalur jet air.
Air sisa proses kemudian dialirkan menuju drain untuk dibuang atau disirkulasikan kembali.

8. Parameter Penting WJM
8
Parameter dapat berubah sesuai
dengan nilai kedalaman dan
pemotongan yang optimal dari
jenis sampel yang digunakan

9. Aplikasi
Pemotongan logam baja, aluminium, titanium, dan paduan lainnya.
Pemotongan panel komposit untuk pesawat, komponen interior mobil, dan
material serat karbon.
Industri Manufaktur
Pemotongan daging beku, ikan, atau produk roti beku dengan presisi tanpa
merusak struktur.
Pemotongan produk permen atau cokelat dengan bentuk-bentuk yang unik.
Industri Makanan
Pemotongan ubin lantai, dan batu alam dengan pola kompleks untuk dekorasi.
Pembuatan pola-pola rumit pada material keras untuk fasad bangunan.
Industri Konstruksi
Pemotongan gasket, insulasi interior, dan komponen bodi mobil.
Pemotongan kaca laminasi dan kaca tempered untuk jendela mobil.
Industri Otomotif

10. Kelebihan dan Kekurangan Water Jet Machining
10
Kelebihan Water Jet Machining Kekurangan Water Jet Machining
Bisa memotong berbagai jenis bahan, lunak hingga keras Biaya awal mesin dan peralatan relatif tinggi
Tidak menghasilkan panas, sehingga tidak ada distorsi termal (HAZ) Membutuhkan perawatan rutin terutama pada nozzle
Presisi pemotongan tinggi dan tepi potong halus Penggunaan abrasive untuk bahan keras menambah biaya operasional
Ramah lingkungan, limbah minim dan aman bagi pengguna Tidak cocok untuk pemotongan kering (dry cutting)
Waktu pemotongan cepat dan efisien Jarak nozzle ke benda kerja harus tepat untuk hasil optimal
Tidak menimbulkan asap atau polusi udara Lambat pada bahan sangat tebal dibanding metode lain
Dapat memotong bahan sangat tebal (hingga 12 inci atau lebih) Efisiensi menurun untuk bahan sangat keras atau tebal
Menghasilkan tepi potong halus dan bebas dari burr Konsumsi air dan abrasive tinggi menyebabkan biaya operasional tinggi
Proses pemotongan dingin menjaga struktur material Toleransi pemotongan maksimal sekitar ±0.005 inci

11. Perawatan dan Keamanan
Mesin water jet membutuhkan perawatan rutin dan khusus untuk menjaga performa, terutama pada komponen nosel, selang tekanan tinggi, dan katup.
Nosel yang terbuat dari bahan keras seperti tungsten karbida atau safir sintetis harus dicek secara berkala karena terkena abrasi dari campuran air dan abrasive yang
deras.
Perpipaan (tubing) bertekanan tinggi harus diperiksa untuk memastikan tidak ada kebocoran yang dapat mengganggu tekanan air dan keamanan operasi.
Sistem hidrolik dan intensifier pump perlu perawatan agar tekanan air tetap stabil dan optimal.
Pembersihan catcher dan reservoir untuk menghilangkan puing-puing sisa pemotongan juga penting untuk menghindari penyumbatan dan kerusakan.
Perawatan Water Jet Machining
11
Mesin water jet menggunakan air dengan tekanan sangat tinggi (ribuan bar), sehingga harus dioperasikan hanya oleh tenaga ahli yang paham prosedur keamanan.
Pengoperasian yang salah dapat menyebabkan cedera serius akibat pancaran air bertekanan tinggi.
Penggunaan pelindung wajah, sarung tangan, dan perlengkapan keselamatan lainnya wajib untuk melindungi operator dari cipratan air dan debris.
Area kerja harus dibatasi dan dipasang tanda peringatan tekanan tinggi agar orang lain tidak berada dekat selama proses berlangsung.
Sistem kontrol jarak dan otomatisasi membantu meminimalkan kontak langsung operator dengan zona berbahaya.
Keamanan Water Jet Machining

12. Study Case
Kebocoran dari pipa bertekanan tinggi menjadi masalah serius dalam industri tenaga nuklir karena dapat membahayakan sistem pendingin reaktor. Semburan air
bertekanan tinggi ini berpotensi menimbulkan kerusakan sekunder pada peralatan di sekitarnya.
EXPERIMENTAL AND ANALYTICAL MODEL STUDY ON THE PROCESS OF SUB-COOLED WATER JETTING FROM HIGH-ENERGY PIPELINES
Artikel ini berfokus pada semburan air super-dingin, yaitu air yang suhunya tidak mencapai titik didih/saturasi meskipun berada di bawah tekanan tinggi.
Studi ini bertujuan menganalisis variasi proses ekspansi semburan air ini, termasuk penguapan (vaporization) yang terjadi. Penulis juga membandingkan model-model
yang ada untuk mengevaluasi penerapannya.
12
Penelitian ini membagi proses semburan air menjadi dua kategori utama, berdasarkan apakah terjadi perubahan fase (penguapan) di dalam pipa atau tidak:
Tipe 1 Tidak ada perubahan fase di dalam pipa: Pada kondisi ini, cairan yang keluar dari pipa akan menguap pada jarak tertentu dari nosel. Intensitas dan sudut
ekspansi utamanya terkait dengan perbedaan suhu antara inti cairan dan lingkungan sekitar. Penguapan ini akan melemahkan efek impak.
Tipe 2 Terjadi perubahan fase di dalam pipa: Penguapan terjadi di dalam saluran pipa sebelum cairan keluar. Proses ini memengaruhi pola ekspansi jet cone pada
jarak yang lebih jauh dari nosel.

13. Study Case
Meneliti bagaimana air sub-cooled bertekanan tinggi keluar dari pipa berubah jadi jet (water jet) mengalami evaporasi/flashing menghasilkan gaya impak pada benda
di sekitarnya. Berfokus kepada sudut ekspansi jet, pola pelemahan gaya impak (attenuation law), dan perbedaan perilaku jet tergantung kondisi awal (tekanan,
temperatur, sub-cooling).
Experimental Method
13
Tekanan inlet: 1–5 MPa.
Rentang sub-cooling: 0–68 °C.
Sub cooled water
Dimensi: diameter 6 mm, panjang 330
mm.
Pipa uji
Tekanan tetap pada atmosfer (1 atm).
Saat air panas bertekanan keluar → langsung terjadi
flashing (uap + air) → terbentuk jet cone (kerucut jet).
Injection Water Tank
Dipasang pada jarak tertentu dari
outlet pipa.
Diameter pelat bervariasi: 70 mm, 100
mm, 140 mm, 200 mm, dan 400 mm.
Target Plate
strain sensor yang dipasang di pelat
target.
jet to WP lalu pelat sedikit
terdeformasi sensor merekam
besarnya gaya secara real-time.
Force Measurement System
menggerakkan pelat target maju/mundur.
Fungsinya: mengukur gaya jet di berbagai jarak (Z) dari
mulut pipa dengan akurasi tinggi.
Stepper Motor

14. Study Case
Jet keluar masih dominan cair, hanya sedikit flashing. gaya
impak tetap besar pada jarak dekat, lalu turun perlahan
seiring jarak. hasil antara pelat diameter kecil dan besar
tidak signifikan (karena jet cone sempit).
14
Evaporasi lebih intens → jet cone melebar. Jet kehilangan
momentum lebih cepat dan gaya impak turun cepat. Pelat
diameter berbeda menangkap gaya impak yang berbeda
→ menandakan distribusi jet melebar.
Uap sudah terbentuk sebelum keluar → terbentuk lapisan
“steam curtain”. dekat oulet jet cone sempit, gaya impak
mirip antar pelat, sedangkan jauh dari outlet jet melebar,
perbedaan antar pelat mulai besar. gaya impak bertahan
lebih lama dibanding kasus tanpa vaporisasi, karena energi
tidak langsung habis di dekat outlet.
Kondisi Sub-Cooling Tinggi (Inlet jauh dari titik didih)
Kondisi Sub-Cooling Rendah (temperatur mendekati
titik saturasi)
Vaporisasi di Dalam Pipa

15. Study Case
15
Inti cairan (liquid core) masih dominan.
Semakin jauh dari outlet, impact force turun drastis.
Panjang inti jet ≈ 3–7 kali diameter pipa (3–7D).
Dalam kasus evaporasi kuat → tekanan stagnasi bisa
turun <10% dari nilai awal hanya dalam jarak 2D.
Jet Impact Process tanpa Vaporisasi
Uap terbentuk di dalam pipa → keluar bersama air.
Dekat outlet → sudut ekspansi kecil (≈ 43–45°).
Setelah melewati zona tertentu → ekspansi lebih besar.
Panjang zona ekspansi terbatas (restricted expansion
zone) ≈ 15–30D.
Hal ini berbeda dengan standar konservatif (misalnya
SRP 3.6.2) yang biasanya hanya mengasumsikan 10D.
Jet Expansion Process dengan Vaporisasi

16. Study Case
16
Sub-cooled water jetting terbagi 2 tipe utama:
1.Tanpa vaporisasi di dalam pipa → flashing terjadi di luar pipa, ekspansi besar (sudut hingga 75–80°), gaya jet cepat
melemah.
2.Dengan vaporisasi di dalam pipa → terbentuk steam curtain, ekspansi awal sempit (≈45°), gaya jet bertahan lebih
lama, lalu melebar pada jarak jauh.
Faktor utama pengendali: tekanan inlet, temperatur, dan resistansi aliran pipa → menentukan apakah terjadi vaporisasi
dalam pipa atau tidak.
Implikasi praktis:
Jika evaporasi lemah → proteksi harus lebih jauh (≈10D).
Jika evaporasi kuat → gaya jet cepat melemah, tapi area terpapar lebih luas.
Paper ini memberikan model eksperimen + analitis untuk memprediksi perilaku jet, lebih konservatif dibanding standar
lama (misalnya ANSI & NUREG).
CONCLUSION

17. Referensi
1.Hashish, M. (2015). Waterjet Technology. WaterJet Technology Inc.
2. https://www.icscuts.com/blog/press/the-history-of-waterjet-cutting
3.T. Zhang, Q. Bi, M. Gui, F. Feng, Z. Liu, and T. Wang, “Experimental and analytical model study on the process of sub-cooled water jetting from high-energy pipelines,”
Annals of Nuclear Energy, vol. 224, pp. 111747–111747, Jul. 2025, doi: https://doi.org/10.1016/j.anucene.2025.111747.
4.B. Bhattacharyya and B. Doloi, “Machining processes utilizing mechanical energy,” Modern Machining Technology, pp. 21–160, 2020, doi:
https://doi.org/10.1016/b978-0-12-812894-7.00003-7.
5.N. Korei, A. Solouk, M. Haghbin Nazarpak, and A. Nouri, “A review on design characteristics and fabrication methods of metallic cardiovascular stents,” Materials
Today Communications, vol. 31, p. 103467, Jun. 2022, doi: https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.103467.
17

18. Department of Metallurgical and Materials Engineering
Faculty of Engineering – Universitas Indonesia
18
Terima KasihTerima Kasih Efraim Yunus
2206809785 Benaya Sirait
2206024644 Josafat Pasaribu
2206056551 Tony Eko W
2206056715