Jurnal e-Dinamis, Volume I, No.1 Juni 2012
ISSN
ANALISA KEKUATAN MATERIAL EXPANDED POLYOLEFIN (EPO) FOAM PADA PESAWAT AEROMODELLING MELALUI UJI TARIK DAN IMPAK Maulida Ningsih S1, Ikhwansyah Isranuri2 1
Mahasiswa Riset S1 Dept. Teknik Mesin FT-USU 2 Dosen Dept. Teknik Mesin FT-USU Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA E-mail :
[email protected] Abstrak Polyolefin banyak digunakan di dalam aplikasi bidang teknik yang mensyaratkan sifat mekanis yang memadai seperti pengujian tarik dan impak. Sifat mekanis yang disyaratkan untuk aplikasi bidang teknik sangatlah penting sehingga perlu dilakukan penelitian mengenai sifat mekanis expanded polyolefin (EPO) foam sebagai material yang dipakai untuk pembuatan pesawat aeromodelling. Pada penelitian ini dilakukan pengujian mekanik melalui pengujian tarik dan impak, mulai dari pembentukan model uji sebanyak 3 (tiga) spesimen untuk pengujian tarik dan 3 (tiga) spesimen untuk pengujian impak sampai pada hasil pengujian yang menunjukkan sifat mekanis dan karakteristik dari EPO foam. Nilai dari kekuatan tarik diperoleh dari pengujian dan dijadikan sebagai acuan untuk memperoleh mechanical properties dari EPO foam. Sedangkan kekuatan impak diperoleh dari pengujian untuk mengetahui seberapa besar tingkat kegetasan material. Dari hasil uji tarik diperoleh nilai-nilai propertis seperti nilai tegangan sebesar 0,34 MPa dengan nilai modulus elastisitas sebesar 22,98 MPa. Sedangkan dari hasil uji impak diperoleh nilai kekuatan impak sebesar -3 7,727 x 10 MPa. Kata kunci : Polyolefin, EPO foam, aeromodelling, pengujian mekanik, mechanical properties.
1. Pendahuluan
Expanded Polypropylene, juga dikenal sebagai EPP, merupakan bahan busa rekayasa plastik. Busa ini sangat tahan lama dan ringan, karena terbuat dari gelembung kecil dari resin CO2 dan polypropylene. EPP foam pada awalnya dikembangkan untuk dampak penyerapan (misalnya bumper) dalam industri otomotif, secara luas digunakan saat ini untuk membangun bagian sayap dan badan pesawat tempur RC. EPP foam dikenal sebagai busa terberat yang sangat baik dalam menahan kompresi, tapi lemah untuk beban ketegangan. Hal ini juga tidak mudah untuk cetakan karena ketangguhan yang tinggi.
Aeromodelling adalah suatu kegiatan yang mempergunakan sarana pesawat terbang miniatur (model) untuk tujuan rekreasi, edukasi, dan olahraga. Dalam pembuatan pesawat aeromodelling, ada beberapa material yang dapat digunakan seperti, bahan Styrofoam, kayu balsa ataupun fiberglass. Styrofoam lebih banyak dipakai untuk pembuatan pesawat RC. Hal ini dikarenakan Styrofoam merupakan bahan yang tangguh, ringan dan murah. Kelebihan inilah yang membuat bahan Styrofoam banyak digunakan. Ada banyak jenis styrofoam yang dapat dipakai untuk pembuatan pesawat RC, antara lain adalah: 2. 1.
XPS foam
EPP foam 55
Jurnal e-Dinamis, Volume I, No.1 Juni 2012
Extruded Polystyrene lebih dikenal dengan nama ‘styrofoam’ meskipun juga dikenal di Inggris sebagai 'busa Biru' atau di Perancis sebagai 'floormate' atau 'roofmate'. Ini tersedia dalam berbagai warna seperti biru, abuabu, oranye, hijau dan warna merah muda. Memiliki struktur sel tertutup sepenuhnya yang membantu busa untuk menahan penetrasi kelembaban dan retensi air yang lebih baik dari bahan busa lain. Ketika busa digunakan untuk membangun core sayap pesawat model, struktur sel tertutup memberikan keunggulan jauh lebih baik. XPS foam termasuk bahan yang ringan. Namun seperti banyak bahan busa lainnya, XPS foam adalah bahan yang mudah terbakar. 3.
4.
EPS foam Expanded Polystyrene memiliki struktur sel sebagian tertutup yang memungkinkan air menyusup melalui aksi kapiler dan retensi air dalam rongga interstisial busa itu. Dibandingkan dengan XPS foam, EPS foam lebih berat. Namun lebih murah daripada busa XPS foam. EPO foam Expanded Polyolefin adalah busa tahan lama dan fleksibel, dibuat terutama untuk RC glider. Busa ini tahan lama dan ringan, tetapi sangat mahal karena bukan busa standar yang digunakan oleh perusahaan. Ketahanan dan kemudahan perbaikan inilah yang membuat EPO foam menjadi pilihan populer dalam pembuatan pesawat model.
Dari keempat jenis tersebut, maka peneliti memilih EPO foam sebagai material yang akan dipakai untuk pembuatan pesawat aeromodelling. Hal ini disebabkan karena EPO foam memiliki keunggulan yang lebih baik dibandingkan jenis
ISSN
foam lainnya, seperti tahan lama, fleksibel, ringan serta mudah dipotong dan dipasang baik menggunakan lem, paku ataupun bahan lainnya. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui karakteristik dari Expanded Polyolefin (EPO) foam melalui mechanical propertiesnya, yaitu dengan menggunakan pengujian kekuatan tarik (tensile strength), dan juga memperoleh tingkat kegetasan material melalui pengujian impak. 2. Tinjauan Pustaka Poliolefin adalah polimer sintesis yang dihasilkan dari olefin sederhana (juga disebut alkena dengan rumus umum CnH2n) sebagai monomer. Poliolefin dapat diklasifikasikan berdasarkan unit monomer dan struktur rantai sebagai polietilena (berisi sebagian besar unit etilena), polipropilena (berisi sebagian besar unit propylene), dan elastomer poliolefin. Sebagai bahan polimer yang banyak digunakan, poliolefin memiliki ketahanan terhadap bahan kimia dan mudah pemrosesannya. Namun karena memiliki gugus yang sederhana, poliolefin memiliki keterbatasan dalam fungsinya. Untuk memperluas fungsi poliolefin dibutuhkan gugus yang disebut monomer, yang direaksikan dengan poliolefin dengan bantuan inisiator. Dengan proses enkapsulasi berskala mikro, fungsi polimer poliolefin menjadi bertambah luas karena sifatsifat fisiknya bisa diperbaiki. Adapun karakteristik dari EPO foam, diantaranya adalah: a. Merupakan penahan suhu yang baik serta memiliki efek menjaga kestabilan suhu dikarenakan struktur butiran yang menyatu sempurna dibandingkan dengan material penahan suhu lainnya. 56
Jurnal e-Dinamis, Volume I, No.1 Juni 2012
b. Mampu menahan penyerapan air. c. Peredam getaran dan berfungsi sebagai papan kedap suara yang menjaga masuknya suara bising dari luar. d. Dikarenakan bobotnya ringan, mudah dipotong dan dipasang, baik menggunakan lem, paku maupun bahan lainnya, dan juga mudah digunakan pada setiap pekerjaan konstruksi. e. Bahan dijamin ketahanan permanen tanpa adanya perubahan kualitas dan bentuk yang disebabkan oleh perubahan cuaca. Untuk mengetahui sifat-sifat suatu bahan, tentu kita harus mengadakan pengujian terhadap bahan tersebut. Ada lima jenis uji coba yang biasa dilakukan, yaitu uji tarik (tensile test), uji tekan (compression test), uji torsi (torsion test), uji geser (shear test), dan uji impak (impact test). Namun dalam penelitian ini akan di bahas mengenai uji tarik dan uji impak. Kekuatan tarik banyak dilakukan untuk melengkapi informasi rancangan dasar kekuatan suatu bahan dan sebagai data pendukung bagi spesifikasi bahan. Untuk mendapatkan nilai elastisitas bahan perlu dilakukan pengujian secara langsung dengan cara melakukan uji tarik material. Pengujian impak merupakan salah satu cara yang dapat digunakan untuk mengetahui ketangguhan suatu material. Pada pengujian impak, spesimen (benda kerja) mendapatkan beban kejut hingga patah. Dari data yang didapatkan dalam pengujian impak dan perhitungan yang dilakukan dapat diketahui besar energi yang dapat diserap material sebelum material mengalami kerusakan. Energi impak yang diukur dengan pengujian ini
ISSN
adalah usaha yang dilakukan untuk mematahkan benda uji. 3. Metodologi Bentuk dan ukuran spesimen yang dipergunakan dalam penelitian ini diperlihatkan pada gambar 1.
(a)
(b) Gambar 1. Spesimen Uji, (a) Bentuk Spesimen Uji Tarik, dan (b) Bentuk Spesimen Uji Impak. Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari: (1) Alat potong Styrofoam, (2) Mesin uji tarik, dan (3) Alat uji impak.
(a)
57
Jurnal e-Dinamis, Volume I, No.1 Juni 2012
ISSN
Dari kurva tersebut, untuk spesimen I terlihat nilai beban ultimate (Pu) sebesar 3,00 Kgf dan beban yield (Py) sebesar 2,27 Kgf. Untuk spesimen II nilai beban ultimate (Pu) sebesar 1,98 Kgf, dan beban yield (Py) 1,93 Kgf. Untuk spesimen III nilai beban ultimate (Pu) sebesar 2,75 Kgf, dan beban yield (Py) 2,09 Kgf. (b)
(c)
Gambar 2. Alat Penelitian, (a) alat potong Styrofoam, (b) mesin uji tarik, dan (c) alat uji impak.
Daerah patahan spesimen setelah dilakukan pengujian tarik diperlihatkan pada gambar 4.
4. Hasil Dan Pembahasan Hasil pengujian dari uji tarik diperlihatkan pada gambar 3.
Gambar 4. Daerah Patahan Setelah Uji Kekuatan Tarik Dari hasil pengujian tarik, maka dapat dicari nilai-nilai properties seperti nilai tegangan, regangan dan modulus elastisitas. Untuk mencari tegangan digunakan rumus berikut: (a)
(b)
P A
Dimana : σ = Tegangan (MPa) P = Beban pada waktu pengujian (N) A = Luas penampang (mm2) = p x l =12 mm x 5 mm = 60 mm2 Hasilnya dapat dilihat pada tabel 1. Tabel 1. Nilai tegangan (c) Gambar 3. Kurva Hasil Uji Tarik, (a) Spesimen I, (b) Spesimen II, dan (c) Spesimen III
Spesimen σ (Mpa) 1 2 3
0,37 0,315 0,34
σ (ratarata) 0,34167
58
Jurnal e-Dinamis, Volume I, No.1 Juni 2012
Kemudian untuk mencari nilai regangan dengan rumus:
L Lo
ISSN
Dari hasil pengujian, maka dapat ditunjukkan gambar-gambar daerah patahan setelah dilakukan uji kekuatan impak seperti terlihat pada gambar 5.
Dimana : ε = Regangan (mm/mm) Lo = Panjang Awal (mm) ∆L = Perpanjangan (mm)
(a)
Hasilnya dapat dilihat pada tabel 2. Tabel 2. Nilai Regangan ε Spesimen (mm/mm) 1 0,0195 2 0,0127 3 0,0135
ε (rata-rata) (b) 0,01523
Setelah itu, dapat dicari nilai modulus elastisitas, yaitu dengan rumus:
E
Dimana : E = Modulus Elastisitas (MPa) σ = Tegangan (MPa) ε = Regangan (mm/mm) Hasilnya dapat dilihat pada tabel 3.
(c)
Gambar 5. Daerah Patahan Setelah Dilakukan Uji Kekuatan Impak, (a) Spesimen I, (b) Spesimen II, dan (c) Spesimen III Dari hasil pengujian impak didapatkan nilai f (kerugian energi pada alat). Nilai f didapat dengan cara mengayunkan pendulum dari sudut 160o sebagai sudut simpang awal ayunan pendulum tanpa spesimen. Dari pengujian tersebut didapat nilai sebesar 0,02 Joule sebagai nilai f. Dan energi yang didapat dari pengujian untuk spesimen I, II, dan III adalah sebesar 0,20 J, 0,17 J, dan 0,20 J.
Tabel 3. Nilai Modulus Elastisitas Spesime n
E (MPa)
1
18,97
2
24,8
3
25,18
E (rata-rata)
22,98
Untuk mendapatkan nilai massa jenis, dilakukan penimbangan material dan pengukuran volume material dengan rumus berikut:
=
=
,
ρ = 5,125 x 10-5 gr/mm3 ρ = 51,25 Kg/m3
Energi aktual dari uji impak merupakan energi yang didapat dari pengujian (E) dikurang kerugian energi pada alat (f). Dapat dihitung dengan persamaan : Ea = E – f Dimana: Ea = Energi aktual ( Joule) E = Energi yang didapat dari hasil Pengujian (Joule) f = kerugian energi pada alat (Joule) Hasilnya dapat dilihat pada tabel 4.
Kemudian peneliti juga menguji spesimen dengan pungujian impak. 59
Jurnal e-Dinamis, Volume I, No.1 Juni 2012
Tabel 4. Nilai energi aktual Spesime Ea (J) n 1 0,18 2 0,15 3 0,18
ISSN
Ea (ratarata) 0,17
Untuk mencari nilai energi serap impak menggunakan rumus: = Dimana:
Gambar 6. Distribusi Tegangan Pada Material EPO Foam
E = Energi Serap Impak (J/mm2) Ea = Energi aktual (Joule) A = Luas Penampang (mm2) = p x l = 10 mm x 10 mm = 100 mm2 Hasilnya dapat dilihat pada tabel 5. Tabel 5. Nilai energi serap Impak Spesime E E (rata-rata) n (J/mm2) 1 0,0018 2 0,0015 0,0017 3 0,0018
Dari hasil simulasi diperoleh tegangan maksimum sebesar 65,208 MPa di node 32. Material ini akan mengalami kerusakan bila diberi beban secara terus menerus. Bagian yang berwarna merah adalah bagian yang mengalami gaya paling besar. Dan untuk pengujian kekuatan impak menggunakan perangkat lunak MSC/NASTRAN. Hasilnya diperlihatkan pada gambar 7.
Untuk mendapatkan nilai kekuatan impak maka nilai E dibagikan dengan panjang lengan pendulum (R). Dimana R sebesar 22 Cm. Gambar 7. Hasil Simulasi Uji Impak Kekuatan Impak = 1,7 x 10-3 J/mm2 0,22 m = 7,727 x 10-3 N/mm2 = 7,727 x 10-3 MPa
=
Sebagai pelengkap, peneliti juga mensimulasikan pengujian dengan metode elemen hingga. Untuk pengujian kekuatan tarik menggunakan perangkat lunak ANSYS 12. Dan hasilnya diperlihatkan pada gambar 6.
Dari hasil simulasi diperoleh tegangan maksimum sebesar 2,21035 x10-5 MPa (Von Misses) pada waktu 0,02 s di node 134.
5. Kesimpulan Kesimpulan yang dapat diambil dari penelitian ini antara lain: 1. Dari hasil uji tarik, maka diperoleh nilai-nilai propertis sebagai berikut: Nilai tegangan sebesar 0,34167 MPa. 60
Jurnal e-Dinamis, Volume I, No.1 Juni 2012
Nilai regangan sebesar 0,01523. Nilai modulus elastisitas sebesar 22,98 MPa. Nilai massa jenis sebesar 51,25 Kg/m3. 2. Dari hasil uji impak, maka diperoleh nilai kekuatan impak sebesar 7,727 x 10-3 MPa.
ISSN
[9]
Nwabunma, Domasius & Thein Kyu, Polyolefin Composites, United States of America, 2007.
Daftar Pustaka [1]
ASTM D256, Standard Test Methods for Determination of Izod Pendulum ImpactResistance of Plastics, 2000.
[2]
ASTM D638, Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics, 2001.
[3]
Brown, Roger, Handbook Polymer Testing, 2002.
[4]
Hibbler, R. C., Mechanics of Materials, Fourth Edition, Prentice Hall, New Jersey, 2000.
[5]
Kuswandi, Ari, Pengaruh Friction Time Terhadap Kekuatan Impak Sambungan Las Gesek Pada Paduan Al-Mg-Si, Tugas Skripsi Departemen Teknik Mesin Universitas Brawijaya, Malang, 2010.
[6]
Lawrence, Kent L., Tutorial ANSYS, Mechanical and Aerospace Engineering University of Texas at Arlington.
[7]
Marrow, James, The Materials Science Internet Microscope, UMIST and University of Manchester. www.umist.ac.uk/matsci/
[8]
Mills, N. J, Polyolefin Foam, Volume 14, Number 11, 2004.
of
61
