KARAKTERISTIK KEAUSAN KAMPAS REM BERBASIS HYBRID KOMPOSIT EPOXY-SERBUK BASALT I K. Adi Atmika1), IDG. Ary Subagia1), I Wayan Nata S.1), I Made Parwata1), I Made Dwi Budiana1) 1
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana, Kampus Bukit Jimbaran, Bali 80362 Telepon (0361) 703321 e-Mail :
[email protected] Bandung, 3 - 4 November 2015 ABSTRAK Kampas rem adalah komponen rem yang langsung bergesekan dengan bagian yang berputar pada sistem rem susuai dengan jenis dan tipe rem (disk/drum) yang digunakan. Pada umumnya kampas rem dibuat dari material asbeston karena unggul pada ketahanan temperatur hingga 800˚C. Disamping itu, dalam upaya mendapatkan bahan kampas rem yang ramah lingkungan dan terbarukan serta ekonomis telah pula dilakukan. Namun, hasil yang dicapai saat ini belum mampu untuk mempertahankan sifat mekanik khususnya terhadap ketahanan aus, ketahanan temperatur, penyerapan terhadap getaran dan suara, dan mahal. Penelitian ini menginvestigasi ketahanan aus gesek kampas rem komposit dengan penguat material basalt dan pengikat epoksi. Kampas rem komposit diprodukasi dengan menggunakan tahapan penekanan dan sintering. Tujuan penelitian adalah untuk mengetahui tingkat keausan material komposit dengan penguat basalt akibat gesekan yang berikan dengan menggunakan pengujian pin on disk. Kecepatan putar pada pengujian adalah .05Rpm dengan 200 putaran. Penelitian ini adalah menggunakan standar ASTM G 99-95a 2000. Material basalt yang dipergunakan memiliki ukuran butir sebesar 105+50 µm, dan komposisi komposit yang di produksi adalah 30:70wt.%; 60:40wt.% dan 80:20wt.%. Pada pembuatan material komposit digunakan akselerator yaitu 02% dan 0.6%. Hasil pengujian didapatkan nilai rata - rata kehilangan masa dari setiap variasi spesimen, dimana untuk spesimen dengan komposisi 60;40 wt.% meiliki tingkat keausan akibat gesekan yang paling rendah dibandingkan dengan komposisi 30:70 wt% dan 80;20wt%. Tingkat laju ketahanan aus dari komposit tersebut adalah sebesar 10.9% dan 11.38% masing - masing. Berdasarkan hasil yang diperoleh, maka dapat disimpulkan bahwa bahwa basalt adalah salah satu bahan alam yang dapat dipergunakan sebagai pengganti asbeton pada kampas rem kendaraan bermotor. Kata Kunci : Ketahanan aus gesek, Kampas rem, Komposit, Basalt, kompaksi, Sintering
I.
PENDAHULUAN Banyak teknologi pengereman kendaraan telah dikembangkan diataranya Antilock Braking System (ABS) yaitu peranti untuk mencegah terjadinya rem mengunci saat pedal rem ditekan dalam-dalam, supaya gaya traksi pada ban ke permukaan jalan tetap ada dan tidak selip, sehingga roda masih bisa diarahkan untuk mencegah kecelakaan. Kemudian Brake Assist System (BAS) yaitu piranti untuk menambahkan tekanan pada rem secara otomatis untuk memaksimalkan kerja dari ABS agar sempurna. piranti ini akan banyak berfungsi pada saat panik breaking [1]. Akan tetapi untuk pengereman yang maksimal tidak terlepas
dari kemampuan kampas rem dalam menyerap besarnya energi kenetik yang terjadi. Disamping itu, adalah disebabkan oleh terjadinya keausan. Keausan dapat didefinisikan sebagai rusaknya permukaan padatan, umumnya melibatkan kehilangan material yang progesif akibat adanya gesekan (friksi) antar permukaan padatan [2]. Keausan bukan merupakan sifat dasar material, melainkan respon material terhadap sistem luar (kontak permukaan). Keausan telah menjadi perhatian praktis sejak lama, tetapi hingga beberapa saat lamanya masih belum mendapatkan penjelasan ilmiah, sebagaimana halnya pada
mekanisme kerusakan akibat pembebanan tarik, impak, puntir atau fatigue. Kampas rem adalah komponen rem yang langsung bergesekan dengan bagian yang berputar pada sistem rem susuai dengan jenis dan tipe rem (disk/drum) yang digunakan [3]. Pada umumnya kampas rem dibuat dari material asbeston karena unggul pada ketahanan temperatur hingga 800˚C [4] dan pula baik pada penyerapan suara serta rendah dalam penyerapan air (water absorption) [5]. Akan tetapi, bahan asbestos telah dihentikan penggunaannya karena memilik sifat carcinogenic yang berdampak negatif terhadap lingkungan dan kesehatan manusia (toxic) [6-8]. Kemudian serat asbes diganti dengan material serat aramid, kevlar, twaron, rockwool, fiberglass, potasiumtitanate, carbon fiber, graphite, cellulose, vermiculate, steel fiber, BaSO4, resin, Nitrile butadiene rubber. Beberapa paten kampas rem bebas asbestos telah diterbitkan diataranya kampas rem tipe WS-08, kampas rem tipe WS-45, bahan kampas rem semi logam tipe WS-65, tipe WS-85 dan tipe WS 156 [9, 10]. Disamping itu, dalam upaya mendapatkan bahan kampas rem yang ramah lingkungan dan terbarukan serta ekonomis telah pula dilakukan [11-17]. Namun, hasil yang dicapai saat ini belum mampu untuk mempertahankan sifat mekanik khususnya terhadap ketahanan aus, ketahanan temperatur, penyerapan terhadap getaran dan suara, dan mahal.
rendah. Sifat ini sangat potensial dipergunakan untuk menjawab kendala kampas rem saat ini. Bertitik tolak dari larangan tersebut, banyak penelitian terhadap bahan alternatif sebagai pembentuk kampas rem telah dilakukan diantaranya meneliti unjuk kerja bahan kayu sebagai bahan lapisan gesekan kampas rem [22]. Penelitian yang dilakukan termasuk effek temperatur dan tekanan terhadap koeffisien gesek kampas rem. Penelitian lain untuk material kampas rem dengan mengaplikasikan komposit serat bambu, fiber glass, serbuk alumunium dengan pengikat resin polyester telah dilakukan oleh Pramuko Ilmu Purboputro [15]. Disamping itu terkait dengan metode pembuatan kampas rem juga telah banyak dilakukan [23].
Bertitik tolak dari hasil inovasi yang telah dilakukan dan melihat potensi yang dimiliki maka diusulkan untuk menggunakan bahan dari endapan gunung berapi yang disebut dengan Basalt. Basalt adalah serat alami hasil letusan gunung berapi yang memiliki ketahanan panas hingga diatas 1500˚C [18], tahan terhadap korosi, rendah penyerapan air dan tahan terhadap perlakuan zat kimia dan tidak beracun [19]. Berdasarkan kajian laboratorium material basalt mengandung unsur unsur sebagai berkut; 52.8%SiO2, 17.5% Al2O3, 10.3 Fe2O3, 4.63% MgO, 8.59% CaO, 3.34% Na2O, 1.46% K2O, 1.38% TiO2, dan sisanya adalah P2O5, MnO, dan Cr2O3 masing - masing 0.28%, 0.16%, dan 0.06%.[18] Pada lima tahun terakhir penelitian berkaitan dengan karakteristik basalt telah dilakukan dengan kesimpulan bahwa material basalt memiliki sifat fisik dan mekanis yang sangat baik, keulatan yang tinggi, serta ketahan aus yang tinggi [20]. Juga basalt dapat menggantikan serta glass [21]. Kemudian sifat basalt yang paling utama adalah memiliki konduktifitas termal yang
Bubuk basalt telah diimplementasikan sebagai penguat material komposit epoxy sebagai kampas rem kendaraan bermotor. Basalt seperti telah dijelaskan di atas, adalah bersumber dari pengerasan lahar gunung (gambar 1). Ukuran butir basalt pada penelitian ini digunakan adalah 150+50 µm. Disamping itu sifat mekanis basalt adalah ditunjukkan seperti Tabel 1.
Penelitian ini dilakukan dengan merancang material komposit dengan penguat serbuk basalt dan epoxy sebagai matrik untuk kampas rem kendaraan dengan menggunakan metode kompasi dan sintering. Tujuan penelitian adalah menguji dan menginvestigasi karakteristik ketahanan aus akibat gesekan dengan pengujian pin on disk.
II. MATERIAL DAN METODE 2.1 Material
Gambar 1 Material basalt
Tabel 2 Karakteristik mekanis material basalt Data fisik Basalt Density Tensile strength Temperatur sintering Temperatur operasi Modulus of elastisitas Mohs Hardness @20oC Melting point Heat resistance Elongation at break Modulus elastik
Nilai (unit) 2600-2630 (kg/m3) 500k-550k (psi) 1050 (oC) -265-+700 (oC) 9100-1100 (kg/mm3) 5-9 1170(oC) 700-1000 (deg.C) 3.15(%) 89 (kg/mm3)
Tabel 2 variasi komposisi komposit basalt/epoxy Kode ABICa
A (µm) I
ABICb ABIICa ABIICb
B (%)
150+50µm
ABIIICa ABIIICa
40%
II
60%
III
80%
a
C (%) 0.2%
b
0.6%
a
0.2%
b
0.6%
a
0.2%
b
0.6%
2.2 Proses Manufaktur Kampas rem pada penelitian ini adalah diproduksi dengan melakukan tahap pencampuran (mixing), penekanan (kompaksi) dan pemanasan (sintering) serta pemotongan benda uji. Komposisi komposit adalah ditunjukkan seperti pada Tabel 3 berdasarkan pada standart ASTM D 3171-09. Pada proses pembuatan penekanan dilakukan dengan pembebanan sebesar 2500 N selama kurang lebih 30 menit untuk setiap veriasi komposit kampas rem. Selanjutnya komposit di sintering pada temperatur 60o selama 2 jam untuk masing masing variasi. Kemudian, material komposi kampas rem setiap variasi masing - masing dipotong dengan dimensi 20 x 13.75 mm2. Pin on disk adalah alat yang dipergunakan untuk menguji keausan benda uji kampas rem dengan menggunakan standar ASTM G 99-95a 2000 seperti diilutrasikan pada gambar 2. Pin-On-Disc merupakan alat tribotester untuk menguji gesekan dan keausan suatu bahan material yang saling bersentuhan [24]. Pada penelitian ini, kecepatan putaran disk adalah 0.05Rpm dengan 200 putaran pada sample. Komposisi material komposit dengan penguat basalt dan pengikat epoxy adalah didasarkan pada fraksi berat yaitu 30:70wt.%; 60:40wt.% dan 80:20wt.%, masing-masing diuji sebanyak 5 buah specimen. Adapun komposisi tersebut ditunjukkan seperti pada tabel 1.
Gambar 2 mesin uji keausan Pin-on disk Komposisi dan keausan dari komposit basaltepoxy ditentukan berdasarkan persamaan matematik sebagai berikut; Fraksi berat: ωc = ω m + ω f Wm =
ωf ωm ,W f = ωc ωc
(1)
Wm + W f = 1
dimana; ωc adalah berat komposit, ωf berat bahan penguat (filler), ωm berat pengikat (matrik), dan berat fraksi filler ditunjukkan dengan Wf serta fraksi berat matrik adalah Wm. Perhitungan berat keausan adal didefinisikan sebagai berat keausan = berat awal - berat akhir, sedangkan untuk volume keausan ditentukan dengan persamaan: Berat keausan (gram) (2) Vol.keausan= Berat jenis ( gram
mm 3 )
Faktor keausan:
Faktor.keausan=
Vol. keausan (mm 3 ) Beban (N) x Jarak tempuh (m)
(3)
Keausan permukaan pada penelitian ini adalah disebabkan oleh penanmpang yang berbetuk semisperical, sehingga dihitung menggunakan persamaan:
P = a.l → l =
π rϕ 180o
(4)
Kehilangan masssa perluas penampang dihitung dengan persamaan: z=
m g ( ) P cm2
(5)
Hasil perhitungan menggunakan persamaan (4) dimana a adalah lebar spesimen uji 2.75 cm, dan panjang port l = 3.335 cm sehingga nilai P adalah 9.17125 cm2. Selanjutnya hasil perhitungan ketahanan aus komposit basalt/epoxy rata - rata adalah eseperti pada Tabel 3. Tabel 3 Hasil perhitungan dari ketahanan keausan komposit basalt/epoxy Sample
massa awal massa akhir Kehilangan massa Keausan permukaan 2 mo (gr) m1 (gr) m (gr) z (g/cm )
ABICa ABICb ABIICa ABIICb ABIIICa
10.76 10.984 12.75 12.65 13.7
10.73 10.949 12.736 12.6356 13.682
0.03 0.035 0.014 0.0144 0.018
0.00327 0.00382 0.00153 0.00157 0.00196
ABIIICb
13.58
13.5586
0.0214
0.00233
komposit untuk ABICa dan ABICb adalah(4)memiliki rata-rata keausan yang paling tinggi masingmasing 0.03g karena jumlah butir yang rendah yaitu sebesar 30 wt% dibandingkan dengan matrik yaitu 70 wt%. Selanjutnya untuk (5) campuran komposit dengan komposisi 80wt% penguat dan 20wt% pengikat yang ditunjukkan dengan material ABIIICa dan ABIIICb dibandingkan dengan komposit dengan komposisi 60:40wt%. Berdasarkan analisa, diperoleh bahwa pada komposisi rendah keausan adalah lebih banyak disebabkan oleh hilangnya massa matrik, dan sebaliknya pada komposisi tinggi keausan terjadi karena butir penguat dengan mudah terlepas dari ikatan. Hal ini dikarenak matrik tidak sepenuhnya mengikat butir - butir penguat (basat). Sedangkan pada komposisi 60:40wt% merupakan komposis yang paling optimal, yangmana antara matrik dan penguat (filler) secara uniform bersatu untuk membetuk ikatan. Dengan hasil tersebut, dengan ini dapat disimpulkan bahwa komposis antara jumlah butir dan jumlah matrik memberikan pengaruh yang signifikan terhadap laju keausan akibat gesekan dari material komposit basalt epoksi. Disamping itu basalt merupakan salah satu bahan alternatif alami yang dapat dipergunakan sebagai alternatif bahan untuk kampas rem pengganti asbes. IV.
Gambar 3 Diagram batang keausan benda uji komposit basalt/epoxy penggunaan acelerator 0.2% dan 0.6% III. PEMBAHASAN DAN DISKUSI 3.1 Karakteristik Keausan Gambar 3 dan tabel 4 masing - masing menunjukkan diagram batang distribusi keausan dan nilai rata - rata kehilangan massa dari komposit dengan penguat basalt/epoxy untuk material kampas rem kendaraan bermotor. Dari Tabel 3 dapat dilihat bahwa keausan terendah terjadi adalah pada spesimen dengan variasi ABIICa dan ABIICb dengan akselerator masing - masing 0.2% dan 0.6%. Dimana, kehilangan masa yang dialami oleh kedua sample masing - masing adalah 10.9% dan 11.38%. Sedangkan pada variasi
KESIMPULAN Material komposit basalt/epoxy untuk bahan kampas rem kendaraan bermotor telah dibuat dengan tahapan pencampuran, compaction dan sintering. Spesimen diuji untuk ketahan keausan dengan menggunakan pin-on disk test, pada kecepatan 0.05 rpm untuk setiap variasi benda uji, yang masing masing variasi diuji sebanyak 5 (lima) kali sehingga diperoleh rata-rata ketahanan aus. Hasil pengujian menunjukkan bahwa keasuan terrendah adalah terjadi pada variasi spesimen ABIICa dan ABIICb dibandingkan dengan variasi komposit basalt/epoksi untuk kampas rem lainnya. Besarnya kehilangan massa dari spesimen tersebut masing-masing adalah 10.9% dan 11.38%. Dengan hasil tersebut, dapat disimpulkan bahwa basalt adalah salah satu bahan alam yang dapat dipergunakan sebagai pengganti asbes pada kampas rem kendaraan bermotor. DAFTAR PUSTAKA [1] R Bosch GmbH, Safety, comfort and convenience system. England: John Wiley & Son Ltd, 2006.
[2] M Ikhbal Mursan, Daswarman Daswarman, and E. Alwi, (2014), "Pengaruh intensitas tekanan kampas rem terhadap tingkat keausan kampas rem sepeda motor yamaha mio tahun 2008," Automotive Engineering Education Journal, vol. 1, No 2. [3] Sukamto, (2012), "Analisis keausan kampas rem pada sepeda motor," JURNAL TEKNIK vol. 2 NO. 1, pp. 3139. [4] Sivarao, M. Amarnath, M.S.Rizal, and A.Kamely, (2009), "An investigation toward development of economical brake lining wear alert system," International Journal of Engineering & Technology IJET-IJENS vol. 09, No. 09, pp. 63-68. [5] V. S. AIGBODION, U. AKADIKE, S.B. HASSAN, F. ASUKE, and J.O. AGUNSOYE, (2010), "Development of asbestos - free brake pad using bagasse," Tribology in industry, vol. 32, No.1, pp. 12-18. [6] Cherie J.W, Gibson H, McIntosh C, Maclaren W.M, and a. L. G, (2000), "Exposure to fire airborne dust amongst processor of para-aramid," Edinburgh: Institute of Occupational Medcine. [7] Jacko M.G, Tsang P.H.S, and Rhee S.K. (2003), "Automotive friction materials evaluation during the past decade". Troy: Allied Automotive Technical Center. [8] Louis St, (2004), "U.S. Survey shows imports of asbestos brake materials increasing," St. Louis. [9] Kato T and A. Magario, (1994), "The wear of aramid fiber reinforced brake pads: The role of aramid fiber," Trib. Trans, vol. 7, pp. 559-565. [10] Bijwe J, (1997), "Composite as friction materials: Recent development in non-asbestos fiber reinforced friction materials - a review," Polym. Compos, vol. 18, pp. 78-96. [11] A.N. Enetanya and L.E.S. Akpanisi, (2000), "Performance characteristics of a wood by-product as base friction lining material," Nigerian Journal of Technology, vol. 19, No. 1,, pp. 1-14. [12] Kiswiranti D, Sugianto, Hindarto N, and Sutikno, (2009), "Pemanfaatan serbuk tempurung kelapa sebagai alternatif serat penguat bahan gesek non-asbes pada
pembuatan kampas rem sepeda motor," Jurnal Pendidikan Fisika Indonesia (JPFI), vol. 9, No. 1, pp. 87-93. [13] Lubi, (2001), "Perancangan kampas rem beralur dalam usaha meningkatkan kinerja serta umur dari kampas rem," Jurnal Teknik Mesin, vol. 1. No 1, pp. 21-28. [14] M.A. Maleque, S.Dyuti, and M.M. Rahman, (2010), "Material selection method in design of automotive brake disc." [15] Pramuko Ilmu Purboputro, (2012), "Pengembangan kampas rem sepeda motor dari komposit serat bambu, fiber glass, serbuk aluminium dengan pengikat resin polyester terhadap ketahanan aus dan karakteristik pengeremannya," pp. 237373. [16] Pramuko Ilmu Purboputro, (2014), "Pengembangan ketahanan keausan pada bahan kampas rem sepeda motor dari komposit bonggol jagung," MEDIA MESIN, vol. 15, No.1, pp. 41-48. [17] Telang A K, Rehman A, Dixit G, and dan Das S, (2010), "Alternate materials in automobile brake disc applications with emphasis on al composites- a technical review," Journal of Engineering Research and Studies JERS, vol. I, pp. 35-46. [18] Kunal Singha, (2012), "A short review on basalt fiber," International Journal of Textile Science, vol. 1 (4), pp. 19-28. [19] V. Fiore, G. Di Bella, and A. Valenza, (2011), "Glass–basalt/epoxy hybrid composites for marine applications," Materials and Design, vol. 32, pp. 2091–2099. [20] Dalinkevich A.A, Gumargalieva K.Z, Marakhovsky S.S, and Soukhanov A.V, (2009), "Modern basalt fibrous materials and basalt fiber-based polymeric composites," Journal of Natural Fibers, vol. 6, pp. 248-271. [21] Lopresto, C. Leone, and I. De Iorio, (2011), "Mechanical characterisation of basalt fibre reinforced plastic," Composites Part B: Engineering, vol. 42, pp. 717–723. [22] A.N. Enetanya,L.E.S. Akpanisi, (2000), Performance characteristics of a
wood by-product as base friction lining material, Nigerian Journal of Technology, 19 (1), pp. 1-14. [23] IDG Ary Subagia,Yonjig Kim, (2014), Tensile behavior of hybrid epoxy composite laminate containing carbon and basalt fibers, Science and Engineering of Composite Materials, 21 (2), pp. 211-217. Issn: 2191-0359. [24] Eko Armanto, Aan Burhanudin, Didi Dwi Krisnandi,Dian Prabowo. (2012). Perancangan mesin uji tribologi pin-on-disc. Paper presented at the Prosiding Seminar Nasional Sains Dan Teknologi Fakultas Teknik.
