ANALISA SIFAT MEKANIK KOMPOSIT VINYL ESTER BERPENGUAT SERAT E-GLASS TIPE MULTIAXIAL DENGAN METODE VARTM UNTUK APLIKASI PADA LAMBUNG KAPAL CEPAT

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

ANALISA SIFAT MEKANIK KOMPOSIT VINYL ESTER BERPENGUAT SERAT E-GLASS TIPE MULTIAXIAL DENGAN METODE VARTM UNTUK APLIKASI PADA LAMBUNG KAPAL CEPAT Gerry Liston Putra 1, a *, Sunaryo2,b , dan Gatot Prayogo3,c 1

Departemen Teknik Mesin Universitas Indonesia, Kampus UI Baru Depok, Indonesia a

[email protected]*, [email protected], [email protected]

Abstrak Teknologi laminasi yang sedang dikembangkan untuk lambung kapal cepat saat ini adalah metode Vacuum Assisted Resin Transfer Moulded (VARTM) dimana metode ini belum familiar di Indonesia. Metode ini diaplikasikan pada kapal cepat karena membutuhkan material yang cukup ringan dan kekuatan yang tinggi untuk meningkatkan performance dan kecepatan kapal. Kendala yang dihadapi saat menggunakan laminasi metode VARTM adalah sulitnya pihak klas untuk menentukan ketebalan optimum yang dibutuhkan untuk mencapai kekuatan yang disyaratkan oleh klas. Dengan berat fiber yang sama, metode ini menghasilkan ketebalan hasil laminasi lebih tipis sehingga peraturan sebelumnya tidak bisa dijadikan pedoman untuk menentukan ketebalannya karena akan terjadinya kelebihan material dan kapal menjadi lebih berat. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui sifat mekanik dari material yang digunakan pada metode VARTM yaitu serat Eglass jenis multiaxial dengan matriks vinyl ester tipe Ripoxy R-802 EX-1. Spesimen dibuat dalam bentuk lamina dan laminated kemudian diuji tarik dan lengkung. Spesimen laminate dibuat dua bentuk susunan yaitu symmetry laminates dan quasi isotropic laminates. Hasil pengujian menunjukkan bahwa nilai kuat tarik dan modulus dari material ini dengan metode VARTM sangat tinggi dari persyaratan klas. Susunan yang paling optimal untuk diaplikasikan pada lambung kapal cepat adalah quasi isotropic laminates. Dengan fiber content yang sama, kekuatan meningkat 16% 19%. Dengan hasil pengujian ini dapat diketahui ketebalan optimum pada lambung dengan metode VARTM.. Kata kunci : lambung kapal, VARTM, laminates, sifat mekanik, fiber content 1. Pendahuluan Perkembangan teknologi pada saat ini sangat pesat begitu pula teknologi pada galangan kapal khususnya pada galangan boat fiber. Teknologi metode laminasi yang sedang dikembangkan saat ini adalah metode Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding (VARTM) dimana metode ini belum banyak diterapkan galangan di Indonesia. Galangan nasional masih menerapkan metode konvensional yaitu hand lay up. Metode Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding (VARTM) ini telah diuji dapat meningkatkan kekuatan kapal dan efisiensi material yang digunakan. Dengan menerapkan metode ini pada galangan boat fiber diharapkan bisa meningkatkan efisiensi dan kualitas produksi. Metode ini diaplikasikan pada kapal cepat karena membutuhkan material yang cukup ringan dan kekuatan yang tinggi untuk meningkatkan performance dan kecepatan kapal.

Kendala yang dihadapi saat menggunakan sistem Metode VARTM ini adalah sulitnya pihak BKI menentukan ketebalan optimum yang dibutuhkan untuk mencapai kekuatan yang disyaratkan oleh rules BKI. Hal ini disebabkan belum tersedianya peraturan yang lebih spesifik mengenai standar prosedur laminasi, standar ketebalan dan standar susunan material yang optimal. Galangan hanya merujuk kepada peraturan Badan Klasifikasi mengenai penggunaan Fiberglass dengan metode hand lay up ataupun spray up dengan mengetahui berapa jumlah lapisan fiber tersebut akan tetapi belum mengetahui nilai kekuatannya karena nilai kekuatan hasil laminasi Metode Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding (VARTM) berbeda dengan hand lay up. Sehingga hal tersebut harus diteliti, untuk memudahkan pihak galangan mengetahui metode dan penggunaan material yang optimum untuk mencapai nilai

Material 08


kekuatan yang disyaratkan oleh Badan Klasifikasi sesuai dengan dimensi kapal yang akan dibangun. Metode VARTM membutuhkan material komposit E-Glass yang penetrasinya sangat baik(10). Pada metode Hand Lay Up yang menggunakan material E-Glass tipe Chopped Strand Mat (CSM) dan Woven Roving saat diterapkan pada metode VARTM, penetrasinya kurang baik dan terjadi penumpukan resin diantara lipatan-lipatan pada tipe Woven Roving. Tipe E-Glass yang digunakan adalah jenis multiaxial. Pada penelitian ini, penulis mencoba menguji tiap lamina material multiaxial untuk mendapatkan nilai kemampuan mekanik yaitu kekuatan tarik dan kekuatan lendut. Dari hasil pengujian lamina tersebut kemudian dipilih nilai kemampuan fisiknya yang distandarkan oleh Biro Klasifikasi Indonesia (BKI) untuk dibuat laminasi dengan pilihan orientasi yang nilainya memadai yang nantinya dapat dijadikan sebagai pedoman oleh galangan untuk membuat kapal. Diharapkan nantinya material jenis multiaxial ini yang diterapkan dengan menggunakan metode VARTM dapat meningkatkan kualitas dan efisiensi produksi galangan di Indonesia.

Teknologi VARTM memanfaatkan tekanan vakum untuk mengeluarkan udara dari laminasi. Perbedaan tekanan antara atmosfer dengan vacuum mengakibatkan adanya gaya gerak untuk menginfus resin masuk ke dalam laminasi. Fungsi lain dari tekanan vakum adalah untuk merapatkan fiber reinforcemenr dan mencegah terjadinya pergeseran selama proses infus dan cure terjadi.

2. Material dan metode Dua jenis e-glass multiaxial yang digunakan pada penelitian ini adalah (1) e-glass unidirectional fabric 0o, dengan densitiy 894.56 g/m2, dan (2) e-glass biaxial fabric +45o/-45o, dengan density 841.89 g/m2. Kedua jenis e-glass ini menggunakan matrix resin untuk menghasilkan komposit adalah vinyl ester. Resin vinyl ester dipilih karena nilai kekuatannya sangat tinggi (6), tahan temperatur, keras dan tahan korosi dibandingkan polyester dan epoxy. Jenis vinyl ester yang digunakan adalah Ripoxy R-802 EX-1 dengan density 1.13 gr/cm3, tensile strength 78 Mpa, Tensile modulus 3.2 Gpa, Flexural Strength 124 Mpa, Flexural modulus 3.1 Gpa, elongasi 6 %, Heat distortion temperature 100 oC. Vinyl ester dicampur dengan Styrene monomer 10%, Promotor EX 0.5 % dan katalis Percumyl H 12 %. Untuk komposit dengan jenis e-glass unidirectional dibuat 2 orientasi yaitu 45o dan 90o.

2.3. Glass content Fiber content adalah kandungan fiber reinforcement dalam komposit. Pada metode hand lay up, umumnya menggunakan CSM (Chopped Strand Mat) dan WR (Woven Roving)), sedangkan pada metode VARTM menggunakan multiaxial. Berikut fiber ratio untuk masing-masing tipe dari manufacturernya :

2.1. Pengujian tensile strength Pengujian tensile strength berdasarkan ASTM D 3039(2) dengan dimensi spesimen yaitu lebar 25.4.mm dan panjang 250 mm. panjang tab minimal 38 mm dengan prosedur standar pengkondisian pengujian adalah (1) suhu 23 + 1oC, (2) humidity 50 + 10 %, dan (3) kecepatan tarik 2 mm/menit. 2.2. Pengujian flexural strength Pengujian flexural strength berdasarkan ASTM D 790(3), untuk tebal kurang dari 1.6 mm yaitu lebar 12.7 mm, panjang 50.8 mm dan jika tebal lebih dari 3.2 mm yaitu lebar 25.4 mm, panjang 16 kali ketebalan, radius minimum 3.2mm. prosedur standar pengkondisian pengujian adalah (1) suhu 23 + 2 oC, (2) humidity 50 + 5 %.

Tabel 1. Glass content(7) Reinforcement Type CSM (Hand Lay Up) WR (Hand Lay Up) Multiaxial (VARTM)

Glass Content 0.30 0.50 0.7

2.4. Perhitungan ketebalan Perhitungan ketebalan minimum kulit lambung ini menggunakan perhitungan BKI(4) sebagai berikut : t keel = 9 + 0.4 L (mm) t bottom = 15.8 . a (T + 0.026 . L)0.5 (mm)

Material 08


t side (mm) a L

= 15 . a (T + 0.026 . L)0.5

= jarak antar frame (m) = Length of waterline (m)

2.5 Perhitungan fraksi volume Komposit terdiri dari fiber dan matriks, sehingga fraksi volume bisa ditentukan dengan persamaan sebagai berikut :

.............................(1)

3.1.2. Flexural test Berdasarkan pengujian yang telah dilakukan berupa uji flexural pada T = 22.9 oC, Humidity 53% , Diperoleh hasil nilai kuat lengkung maksmimum untuk Biaxial 800 45o/-45o sebesar 223.67 + 8.5 MPa, Unidirectional 900 0o sebesar 660.83 + 28.79 MPa, Unidirectional 900 45o sebesar 121.83 + 18.94 MPa, Unidirectional 900 90o sebesar 48.21 + 4.81 MPa. Kemudian modulus elastis untuk Biaxial 800 45o/-45o sebesar 9.50 + 0.12 GPa, Unidirectional 900 0o sebesar 23.32 + 1.62 GPa, Unidirectional 900 45o sebesar 11.1 + 1.47 GPa, Unidirectional 900 90o sebesar 7.52 + 0.51 GPa. Gambar 2. Spesimen setelah diuji lengkung

.............................(2)

..............(3) 3. Hasil 3.1. Lamina 3.1.1. Tensile test Berdasarkan pengujian yang telah dilakukan berupa uji tarik pada v = 2 mm/menit, T = 22.9 o C, Humidity 53%. Diperoleh hasil nilai kuat tarik maksmimum untuk Biaxial 800 45o/-45o sebesar 47.43 + 1.3 MPa, Unidirectional 900 0o sebesar 468.01 + 10.05 MPa, Unidirectional 900 45o sebesar 19.95 + 1.5 MPa, Unidirectional 900 90o sebesar 14.68 + 0.39 MPa. Kemudian modulus elastis untuk Biaxial 800 45o/-45o sebesar 4.17 + 0.05 GPa, Unidirectional 900 0o sebesar 14.95 + 0.76 GPa, Unidirectional 900 45o sebesar 6.81 + 0.43 GPa, Unidirectional 900 90o sebesar 6.73 + 0.39 GPa. Gambar 1. Spesimen setelah diuji tarik

3.2. Laminates Dalam menentukan laminates schedule untuk metode VARTM, scantling kapal yang digunakan harus dihitung terlebih dahulu. Berikut hasil perhitungan scantlingnya dengan mengambil contoh Kapal Patroli 28 m. Loa = 28 m B = 5.4 m H = 3.42 m T = 2.95 m V = 30 Knot Dengan perhitungan ABS rules for high speed craft(1), didapatkan nilai scantlingnya sebagai berikut : Tabel 2. Hasil perhitungan scantling Thickness mm Bot 25.84 to m mm Sid 14.55 e Dari perhitungan diatas diperoleh nilai ketebalan tiap bagian lambung kapal. Langkah selanjutnya adalah menentukan fiber content dari metode Hand Lay Up yang menggunakan

Material 08


serat E-glass jenis Chopped Strand Mat (CSM) Tabel 4. Laminates schedule untuk Hull dan Woven Roving (WR) dengan resin Bottom metode Hand Lay Up Polyester. Berikut laminates schedule untuk Bottom metode Hand Lay Up : Lay Fiber Fib F/ Fiber Resi Wei Thick. ( er Type er R Orient n Ty ght ( mm) Tabel 3. Laminates schedule untuk Side Hull wei rat ation pe Kg/ metode Hand Lay Up ght io m2) Side Hull 1 CSM 300 28/ x Polye 1.07 0.81 Lay Fiber Fib F/ Fiber Resi Wei Thic 300 72 ster er Type er R Orient n Ty ght ( k 2(m CSM 300 28/ x Polye 1.07 0.81 wei rat ation pe Kg/ m) 300 72 ster ght io m2) 3 WR 6 600 35/ 0/90 Polye 1.71 0.79 1 CSM 300 28/ x Polye 1.07 0.81 00 65 ster 300 72 ster 4 CSM 300 28/ x Polye 1.07 0.81 2 CSM 300 28/ x Polye 1.07 0.81 300 72 ster 300 72 ster 5 WR 6 600 35/ 0/90 Polye 1.71 0.79 3 WR 6 600 35/ 0/90 Polye 1.71 0.79 00 65 ster 00 65 ster 6 CSM 300 28/ x Polye 1.07 0.81 4 CSM 300 28/ x Polye 1.07 0.81 300 72 ster 300 72 ster 7 WR 6 600 35/ 0/90 Polye 1.71 0.79 5 WR 6 600 35/ 0/90 Polye 1.71 0.79 00 65 ster 00 65 ster 8 CSM 300 28/ x Polye 1.07 0.81 6 CSM 300 28/ x Polye 1.07 0.81 300 72 ster 300 72 ster 9 WR 6 600 35/ 0/90 Polye 1.71 0.79 7 WR 6 600 35/ 0/90 Polye 1.71 0.79 00 65 ster 00 65 ster 10 CSM 300 28/ x Polye 1.07 0.81 8 CSM 300 28/ x Polye 1.07 0.81 300 72 ster 300 72 ster 11 WR 6 600 35/ 0/90 Polye 1.71 0.79 9 WR 6 600 35/ 0/90 Polye 1.71 0.79 00 65 ster 00 65 ster 12 CSM 300 28/ x Polye 1.07 0.81 10 CSM 300 28/ x Polye 1.07 0.81 300 72 ster 300 72 ster 13 WR 6 600 35/ 0/90 Polye 1.71 0.79 11 WR 6 600 35/ 0/90 Polye 1.71 0.79 00 65 ster 00 65 ster 14 CSM 300 28/ x Polye 1.07 0.81 12 CSM 300 28/ x Polye 1.07 0.81 300 72 ster 300 72 ster 15 WR 6 600 35/ 0/90 Polye 1.71 0.79 13 WR 6 600 35/ 0/90 Polye 1.71 0.79 00 65 ster 00 65 ster 16 CSM 300 28/ x Polye 1.07 0.81 14 CSM 300 28/ x Polye 1.07 0.81 300 72 ster 300 72 ster 17 WR 6 600 35/ 0/90 Polye 1.71 0.79 15 WR 6 600 35/ 0/90 Polye 1.71 0.79 00 65 ster 00 65 ster 18 CSM 300 28/ x Polye 1.07 0.81 16 CSM 300 28/ x Polye 1.07 0.81 300 72 ster 300 72 ster 19 WR 6 600 35/ 0/90 Polye 1.71 0.79 17 WR 6 600 35/ 0/90 Polye 1.71 0.79 00 65 ster 00 65 ster 20 CSM 300 28/ x Polye 1.07 0.81 18 CSM 300 28/ x Polye 1.07 0.81 300 72 ster 300 72 ster 21 WR 6 600 35/ 0/90 Polye 1.71 0.79 19 WR 6 600 35/ 0/90 Polye 1.71 0.79 00 65 ster 00 65 ster 22 CSM 300 28/ x Polye 1.07 0.81 Total 840 26.1 15.21 300 72 ster 0 4 23 WR 6 600 35/ 0/90 Polye 1.71 0.79 Material 08


24 25 26 27 28 29 30 31 32

00 CSM 300 WR 6 00 CSM 300 WR 6 00 CSM 300 WR 6 00 CSM 300 WR 6 00 WR 6 00 Total

300 600 300 600 300 600 300 600

65 28/ 72 35/ 65 28/ 72 35/ 65 28/ 72 35/ 65 28/ 72 35/ 65 35/ 65

x 0/90 x 0/90 x 0/90 x 0/90

ster Polye ster Polye ster Polye ster Polye ster Polye ster Polye ster Polye ster Polye ster Polye ster

1.07

4

UD

900

5

UD

900

6

UD

900

7

UD

900

8

UD

900

9

UD

900

10

Bia xial Tot al

800

0.81

1.71

0.79

1.07

0.81

1.71

0.79

1.07

0.81

1.71

0.79

1.07

0.81

1.71

0.79

70/ 30 70/ 30 70/ 30 70/ 30 70/ 30 70/ 30 70/ 30

90 0 0 90 0 0

VE Lam ination VE Lam ination VE Lam ination VE Lam ination VE Lam ination VE Lam ination

45/-45

880 0

Tabel 7. Laminate schedule Hull bottom [+45,0,0,90,0,0,90,0]s 144 44.5 25.6 Hull Bottom 00 7 Laye Fib Fib F/R Fiber Resin T r er er rati Orien ype Dari laminates schedule didapatkan fiber Ty wei o tation content masing-masing bagian lambung. pe ght yaitu : 1 Bia 800 70/ 45/-45 VE Lam xial 30 ination Tabel 5. Fiber content 2 UD 900 70/ 0 VE Lam Fiber Content (gr/m2) 30 ination Side 8400 3 UD 900 70/ 0 VE Lam Bottom 14400 30 ination 4 UD 900 70/ 90 VE Lam Nilai fiber content yang diperoleh dijadikan 30 ination acuan untuk menentukan berapa jumlah 5 UD 900 70/ 0 VE Lam lapisan pada metode VARTM. 30 ination 6 UD 900 70/ 0 VE Lam 3.2.1 Simmetry Laminates 30 ination Simmetry laminates adalah susunan beberapa 7 UD 900 70/ 90 VE Lam layer dengan bentuk susunannya simetris. 30 ination 8 UD 900 70/ 0 VE Lam Tabel 6. Laminate schedule Side hull 30 ination [+45,0,0,90,0,]s 9 UD 900 70/ 0 VE Lam Side Hull 30 ination Laye Fib Fib F/R Fiber Resin T Weig 10 UD 900 70/ 90 VE Lam r er er rati Orien ype ht/m2 30 ination Ty wei o tation 11 UD 900 70/ 0 VE Lam pe ght 30 ination 1 Bia 800 70/ 45/-45 VE Lam 1.14 12 UD 900 70/ 0 VE Lam xial 30 ination 30 ination 2 UD 900 70/ 0 VE Lam 1.29 13 UD 900 70/ 90 VE Lam 30 ination 30 ination 3 UD 900 70/ 0 VE Lam 1.29 14 UD 900 70/ 0 VE Lam 30 ination 30 ination 600

0/90

1.71

1.29 1.29 1.29 1.29 1.29 1.29 1.14 12.57

0.79

Material 08

Weig ht/m2

1.14 1.29 1.29 1.29 1.29 1.29 1.29 1.29 1.29 1.29 1.29 1.29 1.29 1.29


VE Lam 1.29 Tabel 9. Laminate schedule Hull bottom [+45,0,+45,90,-45,0,45,90]s ination 16 Bia 800 45/-45 VE Lam Hull 1.14 Bottom xial ination Laye Fib Fib F/ Fiber Resin Ty Weig Tot 142 r20.29 er T er R Orient pe ht/m2 al 00 ype wei rat ation ght io Bia 800 70/ 45/-45 VE Lami 1.14 Gambar 3. Spesimen laminates setelah diuji 1 xial 30 nation tarik 2 UD 900 70/ 0 VE Lami 1.29 30 nation 3 UD 900 70/ 45 VE Lami 1.29 30 nation 4 UD 900 70/ 90 VE Lami 1.29 30 nation 5 UD 900 70/ -45 VE Lami 1.29 30 nation 3.2.2 Quasi Isotropic Laminates 6 UD 900 70/ 0 VE Lami 1.29 Quasi isotropic laminates adalah susunan 30 nation beberapa layer dengan bentuk susunannya 7 UD 900 70/ 45 VE Lami 1.29 sama ke segala arah. 30 nation 8 UD 900 70/ 90 VE Lami 1.29 30 nation Tabel 8. Laminate schedule Side hull 9 UD 900 70/ 90 VE Lami 1.29 [+45,0,+45,90,-45,]s 30 nation Side Hull 10 UD 900 70/ -45 VE Lami 1.29 Laye Fibe Fib F/ Fiber Resin T Weig 30 nation r r Ty er R r Orient ype ht/m2 11 UD 900 70/ 0 VE Lami 1.29 pe wei ati ation 30 nation ght o 12 UD 900 70/ -45 VE Lami 1.29 1 Biaxi 800 70/ 45/-45 VE Lam 1.14 30 nation al 30 ination 13 UD 900 70/ 90 VE Lami 1.29 2 UD 900 70/ 0 VE Lam 1.29 30 nation 30 ination 14 UD 900 70/ 45 VE Lami 1.29 3 UD 900 70/ 45 VE Lam 1.29 30 nation 30 ination 15 UD 900 70/ 0 VE Lami 1.29 4 UD 900 70/ 90 VE Lam 1.29 30 nation 30 ination 16 Bia 800 70/ 45/-45 VE Lami 1.14 5 UD 900 70/ -45 VE Lam 1.29 xial 30 nation 30 ination Tot 142 20.29 6 UD 900 70/ -45 VE Lam 1.29 al 00 30 ination 7 UD 900 70/ 90 VE Lam 1.29 Gambar 4. Spesimen laminates setelah diuji 30 ination tarik dan lengkung 8 UD 900 70/ 45 VE Lam 1.29 30 ination 9 UD 900 70/ 0 VE Lam 1.29 30 ination 10 Biaxi 800 70/ 45/-45 1.14 al 30 Total 880 12.57 0 4.Pembahasan 15

UD

900

70/ 30 70/ 30

0

Material 08


4.1. Lamina 4.1.1. Tensile test Dari hasil pengujian tarik untuk spesimen berupa lamina, kuat tarik maksimum dengan nilai tarik tertinggi yaitu Unidirectional 0o dengan nilai sebesar 468.01 Mpa dan nilai terendah pada Unidirectional 90o dengan nilai sebesar 14.68 Mpa. Nilai modulus juga sama dengan nilai kuat tarik maksimum, yaitu Unidirectional 0o dengan nilai sebesar 14.95 Gpa. Sedangkan untuk nilai terendahnya terdapat pada Biaxial 45o/-45o dengan nilai sebesar 4.17 Gpa. Gambar 5. Grafik kuat tarik maksimu tiap specimen lamina

Gambar 5 menunjukkan bahwa nilai tegangan (ζ) dan modulus elastisitas (E) mengalami penurunan setiap peningkatan arah sudut fiber. Ini disebabkan sifat komposit adalah anisotropik. Unidirectional 0o memiliki nilai kuat tarik maksimum disebabkan oleh arah serat fiber searah dengan arah tarik dari Load Cell sehingga semua gaya ditopang oleh serat. Sedangkan Unidirectional 45o dan 90o memiliki nilai terendah dikarenakan arah tarik Load cell tegak lurus dengan arah serat, sehingga daerah putusnya terletak diantara serat fiber. 4.1.2. Flexural test Hasil pengujian lengkung juga memperlihatkan bahwa Unidirectional 0o memiliki nilai kuat lengkung maksimum terbesar dengan nilai 660.83 Mpa. Sedangkan nilai terendah terdapat pada Unidirectional 90o sebesar 48.21 Mpa. Nilai modulus juga memperlihatkan sama dengan nilai terbesar terdapat pada Unidirectional 0o yaitu 23.32 Gpa dan nilai terkecil terdapat pada Unidirectional 90o sebesar 7.515 Gpa. Gambar 7 dan 8 menunjukkan kuat lengkung maksimum dan modulus masing-masing spesimen lamina.

Gambar 6. Grafik modulus elastis tarik tiap spesimen lamina

Gambar 7. Grafik kuat lengkung maksimum tiap spesimen lamina

Gambar 8. Grafik modulus elastis lengkung tiap spesimen lamina Material 08


kapal (x) dibanding (y) untuk menopang gaya sagging dan hogging yang ditimbulkan dari gelombang laut. Berikut grafik perbandingan nilai eksperimen dengan analitik: Gambar 9. Perbandingan nilai kuat tarik eksperimen dengan analitik

Unidirectional 0o memiliki nilai kuat lengkung maksimum disebabkan oleh arah serat fiber tegak lurus dengan arah tekan dari Load Cell sehingga semua gaya ditopang oleh serat. Sedangkan Unidirectional 45o dan 90o memiliki nilai terendah dikarenakan arah tekan Load cell sejajar dengan arah serat, sehingga daerah putusnya terletak diantara serat fiber. 4.2. Laminates 4.2.1. Simmetry Laminates Hasil pengujian tarik pada spesimen laminates dengan susunan simetris didapatkan nilai kuat tarik maksimum rata-rata sebesar 281.67 Mpa pada bagian Side Hull dan 263.33 Mpa pada bagian Hull Bottom. Sedangkan nilai modulus elastis rata-rata sebesar 33.961 Gpa pada bagian Side Hull dan 25.131 Gpa pada bagian Hull bottom. Dengan menggunakan persamaan dari teori Macromechanic of Lamina, dapat dianalisa lebih lanjut hasil pengujian tarik. Dengan menggunakan metode VARTM perbandingan rasio fiber dengan matriks harus dihitung terlebih dahulu untuk mendapatkan hasil analitik yang lebih tepat. Fiber content didapatkan dari pengukuran massa dari spesimen dengan material penyusunnya. Tabel 10. Fraksi berat rata-rata Weight Fraction Fiber Matriks 76% 24% Pada susunan laminates ini yaitu simetris, nilai modulus dan kuat tarik terbesar terletak pada arah x. Ini disebabkan karena susunan didominasi arah serat 0o dibandingkan 90o sehingga nilainya menjadi besar pada arah x. Dalam laminasi untuk lambung kapal cepat, kekuatan kapal harus lebih besar pada arah

Gambar 10. Perbandingan nilai modulus eksperimen dengan analitik

4.2.2. Quasi Isotropic Laminates Pada laminates dengan susunan quasi isotropic ini dilakukan dua pengujian yaitu uji tarik dan uji lengkung. Hasil pengujian tarik didapatkan nilai kuat tarik maksimum rata-rata sebesar 253 Mpa pada bagian Side Hull dan 278 Mpa pada bagian Hull Bottom. Sedangkan nilai modulus elastis rata-rata sebesar 25.68 Gpa pada bagian Side Hull dan 23.82 Gpa pada bagian Hull bottom. Hasil pengujian lengkung didapatkan nilai kuat lengkung maksimum sebesar 339.92 Mpa pada bagian Side Hull dan 355.84 Mpa pada bagian Hull Bottom. Sedangkan nilai modulus elastis rata-rata sebesar 19.15 Gpa pada bagian Side Hull dan 19.97 Gpa pada bagian Hull bottom. Pada susunan laminates ini yaitu quasi isotropic, nilai modulus dan kuat tarik merata ke arah x dan y. Ini disebabkan karena susunan dibuat rata ke segala arah yaitu serat 0o, 45o, -

Material 08


45o, dan 90o. Sehingga nilainya menjadi sama pada arah x dan y. Berikut grafik perbandingan nilai eksperimen dengan analitik: Gambar 11. Perbandingan nilai kuat tarik eksperimen dengan analitik

Gambar 12. Perbandingan nilai modulus tarik eksperimen dengan analitik

Gambar 13. Perbandingan nilai kuat lengkung eksperimen dengan analitik

Gambar 14. Perbandingan nilai modulus lengkung eksperimen dengan analitik

Perbedaan nilai modulus dan kuat tarik maksimum sangat kecil yang mengindikasikan spesimen yang dibuat mendekati sempurna yaitu 1% pada bagian Side Hull dan 15.5% pada bagian Hull Bottom. Sedangkan pada nilai modulus dan kuat lengkung maksimum terjadi perbedaan hingga 50%, ini mengindikasikan bahwa spesimen lebih rapuh yang disebabkan dalam proses pencampuran resin dengan promotor yang tidak presisi yaitu sebesar 0.5%. Efek dari kelebihan promotor yaitu material menjadi lebih getas sehingga lebih rapuh. Kemudian Matriks Vinyl ester tipe Ripoxy R802-EX1 awalnya memiliki nilai viskositas 4-6 Poise, sedangkan untuk bisa diaplikasikan pada metode VARTM harus 0.8 – 2.5 Poise. Sehingga untuk mencapai viskositas tersebut, matriks harus dicampur Styrene Monomer sebesar 10%. Dengan penambahan sebesar itu menyebabkan penurunan nilai mekanik dari komposit. Terjadi perbedaan sebesar 57 % pada bagian Side hull dan 40% pada bagian Hull Bottom. Dari kedua susunan ini yaitu symmetry laminates dan quasi isotropic laminates memiliki keunggulan masing-masing. Pada susunan symmetry laminates kekuatan pada arah x sesuai dengan arah kapal memiliki kekuatan yang sangat besar dibanding susunan quasi isotropic laminates. Akan tetapi, pada arah y kekuatannya sangat kecil dan tidak memenuhi standar kelas. Sedangkan pada susunan quasi isotropic laminates nilai kekuatannya merata pada segala arah dan memenuhi standar. Berikut grafik perbandingan nilai kekuatan tarik dan modulus antara symmetry laminates dan quasi isotropic laminates : Gambar 15. Perbandingan kuat tarik maksimum kedua susunan pada spesimen Side Hull

Material 08


Dari perbandingan grafik ini terlihat bahwa susunan laminasi yang paling optimal untuk diterapkan pada lambung kapal cepat adalah quasi isotropic laminates. Dengan susunan quasi isotropic laminates kapal akan mempunyai kekuatan yang merata ke segala arah sehingga lambung kapal menjadi lebih tahan dari berbagai arah gaya dari luar kapal. Kedua susunan ini telah memenuhi beberapa standar kelas terutama BKI dengan grafik sebagai berikut : Gambar 16. Perbandingan modulus elastis kedua susunan pada spesimen Side Hull

Gambar 17. Perbandingan kuat tarik maksimum kedua susunan pada spesimen Hull Bottom

Gambar 18. Perbandingan modulus elastis kedua susunan pada spesimen Hull Bottom

Gambar 19. Perbandingan nilai kuat tarik pada beberapa kelas

Gambar 20. Perbandingan nilai modulus tarik pada beberapa kelas

Dari grafik terlihat bahwa kedua susunan ini memenuhi standar kelas dan sangat kuat. Ini berarti bahwa material yang digunakan dan diaplikasikan pada lambung kapal dan menggunakan VARTM sangat baik dan menghasilkan komposit dengan nilai kekuatan yang sangat tinggi. Sehingga material E-glass tipe multiaxial dengan matriks vinyl ester tipe Ripoxy R-802 EX-1 dan dengan menggunakan sistem VARTM ini sangat layak untuk diaplikasikan untuk lambung kapal cepat. Material ini memiliki daya penetrasi yang

Material 08


sangat baik sehingga menghasilkan weight fraction diatas 0.7 dibandingkan dengan material E-glass tipe CSM dan Woven Roving yang berkisar diantara 0.30-0.50. Metode VARTM membuat fiber rasio meningkat hingga 75% dibandingkan dengan metode hand lay up yang hanya 25-35%. Penelitian juga telah menunjukkan bahwa semakin besar fiber rasio nya maka lambung kapal akan semakin kuat karena kekuatan lambung terletak pada seratnya bukan pada matriks. Matriks hanya berfungsi sebagai perekat antara serat. Dengan metode ini, udara yang terjebak dalam laminasi bisa disedot keluar dengan pompa vakum. Ini merupakan keuntungan yang sangat besar karena sudah menjadi rahasia umum bahwa airbubbles atau void dapat melemahkan laminasi(8). Keuntungan lain yang didapatkan dari metode VARTM adalah :      

Kapal menjadi lebih ringan dan stabil Penggunaan material menjadi lebih hemat Material komposit yang di vacuum memiliki humidity yang baik. Investasi sangat murah Sistem tertutup sehingga meminimalisir penguapan resin yang mengering ke atmosfer Mengurangi potensi bahaya bagi kesehatan para pekerja

Dengan menggunakan E-glass tipe multiaxial dan matriks vinyl ester tipe Ripoxy-R 802 dengan metode VARTM ini kekuatannya meningkat diatas 15% pada jumlah fiber content yang sama. Berikut hasil perhitungannya :

Tabel 11.Perbandingan nilai kekuatan kedua metode dengan jumlah fiber content sama Tensile Strength (Mpa) Thickness (mm) Simm Qu A B IS VAR VA H etry asi B K O TM ( RT L S I Sim) M ( Qua si) Bott 263.3 27 12 9 8 11.07 11.0 2 om 8 4 8 0 5 5. 6 Sid 281.7 25 12 9 8 6.3 6.12 1 e 3.1 4 8 0 5. 2 Tension Break (N) VARTM VARTM (Sim) (Qu) 2915100 3071900 1774500

1548972

VI/HL HL 25088 00 14896 00

16% 19%

Hasil perhitungan ini juga memperkuat bahwa semakin besar fiber rasio yang dihasilkan maka nilai kekuatan pada lambung akan semakin besar. Dari hasil perhitungan berdasarkan data pengujian didapatkan pertambahan nilai kekuatannya sebesar 16% 19%. 6. Kesimpulan Berdasarkan data-data yang diperoleh dari hasil pengujian. Setelah diadakan perhitungan dan analisa sifat mekanik pada material Eglass tipe multiaxial dan matriks vinyl ester tipe Ripoxy-R 802 dengan metode VARTM. Maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut : 1. Kekuatan tarik rata-rata untuk semua jenis spesimen berbeda, orientasi sangat mempengaruhi nilai kekuatan tarik. Untuk Biaxial 800 45o/-45o sebesar 47.43 Mpa, untuk Unidirectional 900 0o sebesar 468.01 Mpa, untuk Unidirectional 900 45o sebesar 19.95 Mpa, dan Unidirectional 900 90o sebesar 14.683 Mpa. Modulus tarik untuk Biaxial 800 45o/-45o sebesar 4.172 Gpa, untuk Unidirectional 900 0o sebesar 14.95 Gpa, untuk Unidirectional 900 45o sebesar

Material 08


2.

3.

4.

5.

6.

7.

6.81 Gpa, dan Unidirectional 900 90o sebesar 6.73 Gpa. Kekuatan lengkung rata-rata untuk Biaxial 800 45o/-45o sebesar 223.67 Mpa, untuk Unidirectional 900 0o sebesar 660.83 Mpa, untuk Unidirectional 900 45o sebesar 121.83 Mpa, dan Unidirectional 900 90o sebesar 48.21 Mpa. Modulus lengkung untuk Biaxial 800 45o/-45o sebesar 9.494 Gpa, untuk Unidirectional 900 0o sebesar 23.323 Gpa, untuk Unidirectional 900 45o sebesar 11.1 Gpa, dan Unidirectional 900 90o sebesar 7.515 Gpa. Pada Pengujian laminates dengan susunan simmetris (Simmetry Laminates) menghasilkan nilai kekuatan tarik sebesar 281.67 Mpa pada Side Hull dan 263.33 Mpa pada Hull Bottom. Sedangkan modulus elastisnya sebesar 33.96 Gpa pada Side Hull dan 25.13 Gpa pada Hull Bottom. Pada Pengujian laminates dengan susunan quasi (Quasi Isotropic Laminates) menghasilkan nilai kekuatan tarik sebesar 253.08 Mpa pada Side Hull dan 278 Mpa pada Hull Bottom. Sedangkan modulus elastisnya sebesar 25.68 Gpa pada Side Hull dan 23.82 Gpa pada Hull Bottom. Kekuatan lengkung sebesar 339.92 Mpa pada Side Hull dan 355.84 Mpa pada Hull Bottom. Sedangkan modulus elastisnya sebesar 19.15 Gpa pada Side Hull dan 19.97 Gpa pada Hull Bottom. Perbedaan nilai modulus elastis dan kuat tarik pada symmetry laminates dengan hasil perhitungan analitik 20% pada bagian Side Hull dan 64% pada bagian Hull Bottom. Sedangkan pada quasi isotropic laminates sebesar 0.8% pada bagian Side Hull dan 15.5% pada bagian Hull Bottom. Nilai perbedaan ini telah mendekati dengan perhitungan analitik dalam kondisi ideal. Dari hasil pengujian menunjukkan bahwa susunan yang paling optimal untuk lambung kapal adalah quasi isotropic laminates. Susunan ini memiliki keunggulan yaitu nilai kekuatannya merata ke segala arah dibandingkan dengan susunan symmetry laminates yang nilainya hanya besar pada arah x. Material E-glass tipe multiaxial dan matriks vinyl ester tipe Ripoxy-R 802

dengan metode VARTM ini memenuhi standar dan nilai modulus serta kuat tariknya sangat tinggi dari persyaratan klas. Sehingga material ini sangat cocok diaplikasikan pada lambung kapal cepat. 8. Dengan menggunakan fiber jenis E-glass tipe multiaxial dan matriks vinyl ester tipe Ripoxy-R 802 dengan metode VARTM ini kekuatannya meningkat 16% - 19% pada jumlah fiber content yang sama. 9. Keuntungan dari metode VARTM adalah fiber rasio meningkat, menghilangkan udara yang terjebak dalam laminasi, kekuatan meningkat, kapal menjadi ringan dan stabil, penggunaan material menjadi lebih hemat, lambung yang divacuum memiliki humidity yang baik, investasi sangat murah, sistem tertutup dapat meminimalisir penguapan resin yang mengering ke atmosfer, dan mengurangi potensi bahaya bagi kesehatan para pekerja. Ucapan Terima Kasih Penelitian ini didukung oleh PT. Justus Kimiaraya yang telah memberikan sampel material serta pengujian. Ucapan terima kasih special untuk Bapak Markus Sutiono yang telah meluangkan waktunya untuk memberikan penjelasan dan informasi mengenai material yang digunakan pada penelitian. Referensi (1) American Bureau of Shipping (ABS). (2013). Guide for Building and Classing High-Speed Craft. Paramus NJ : ABS. (2) ASTM D3039/D3039M-00e1 Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, P.O. Box C700, West Conshohocken, PA 19428-2959, USA. (3) ASTM D790 Standard test method for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials. ASTM International, 100 Barr Harbor Drive, P.O. Box C700, West Conshohocken, PA 19428-2959, USA.

Material 08


(4) Biro Klasifikasi Indonesia (1996). Rules and Regulation for the Classification and Construction of Ships. Jakarta (5) Autar K.Kaw. Mechanics Of Composite Materials. Taylor and Francis Group; 2006, p. 203-350. (6) Eric Greene Associates, Inc. Marine Composite. EGA; 1999, p. 62-83. (7) Geer, Dave. The Element of Boat Strength for Builders, Designers, and Owners. McGraw-Hill; 2000, p. 1-27.

(8) http://seigla.is/Innovation/Vacuum_Infusi on-en.html (9) Larsson Lars, Rolf E Eliasson. Principle of Yacht Design. McGraw-Hill; 2000, p. 250-274. (10) Santoso, Abdul Wahid Al Adami Santoso. (2010). Project Overview 20 m Fiber Composite Vessel Shipyard. Jakarta.

Material 08

ANALISA SIFAT MEKANIK KOMPOSIT VINYL ESTER BERPENGUAT SERAT E-GLASS TIPE MULTIAXIAL DENGAN METODE VARTM UNTUK APLIKASI PADA LAMBUNG KAPAL CEPAT

Recommend Documents