POLITEKNOSAINS EDISI KHUSUS DIES NATALIS
Juni 2011
PENGARUH VARIASI JENIS SAMBUNGAN KOMPOSIT SERAT GELAS TERHADAP SIFAT MEKANIK BENDING Sugiyanto1, Kuncoro Diharjo 2, Wijang WR 3, Triyono 4 1
Mahasiswa Magister Teknik Mesin UNS Staf Pengajar S2 Teknik Mesin UNS
2,3,4
ABSTRACT Currently, the use of composite materials instead of metal is very broad, such as for sports equipment, transportation, construction and aerospace world. In particular construction requires connecting the composite material. Grafting methods that can be applied to composite materials is the mechanical method, and adhesive bonding, as well as a combination of both. This study aims to determine the influence of the connection model of bending mechanical properties of glass fiber composites. The variation of the connection model consists of two types namely, butt joint and lap joint. The research methodology based on ASTM D 5868-95. The composites were made by hand lay-up method and performed suppression. The materials used are 157 BQTN unsaturated polyester resin, fiber glass. The volume fraction used was 30% with composite skin structure composed of 2 layers of fiber glass fiber and resin with a ratio of 30: 70. Tests carried out using a bending test with a three-point bending in accordance with ASTM D 790. The results showed bending strength of glass fiber composite connection specimens obtained at the highest (1) Straight line model (butt joint) of 39.30 MPa, the connection overlap (lap joint), amounting to 96.39 MPa. (2) Bending strength of the straight line model (butt joint) of 6.80 mm, line overlap (lap joint), which is 16 mm. (3) Strain bending the straight line model (butt joint) of 0.88, overlapping connections (lap joint), that is equal to 2.06. Failures that occur in glass fiber composite specimens connection begins with the occurrence of cracks due to shear stress area connection, then followed by the lower specimen cracks caused by tensile stresses due to bending loading. Keywords: Skin composite, connection model, adhesives, bending test, strength
Pengaruh Variasi Jenis Sambungan…
17
POLITEKNOSAINS EDISI KHUSUS DIES NATALIS
Pendahuluan Dewasa ini perkembangan material komposit di bidang rekayasa sangat pesat. Pemanfaatannya sebagai bahan pengganti logam sudah semakin luas, seperti untuk peralatan olah raga, sarana transportasi (darat, laut dan udara), konstruksi dan dunia antariksa. Keuntungan penggunaan material komposit antara lain; tahan korosi, rasio antara kekuatan dan densitasnya cukup tinggi (ringan), murah dan proses pembuatannya mudah. Penggunaan material komposit pada suatu struktur harus memenuhi kriteria kemampuan dan keamanan. Termasuk dalam hal ini adalah sambungan. Metode penyambungan yang dapat diterapkan pada material komposit adalah mechanical method, dan adhesive bonding, serta gabungan keduanya. Mechanical method menggunakan baut/pin dan sejenisnya sebagai media penyambung, sedangkan adhesive bonding menggunakan adhesive/perekat sebagai media penyambungan. Dari ketiga metode penyambungan tersebut, adhesive bonding merupakan metode yang paling tepat untuk menyambung elemen-elemen tersebut. Metode ini tidak akan merusak serat dan distribusi
Pengaruh Variasi Jenis Sambungan…
Juni 2011
beban akan merata, mampu menahan berat beban yang lebih besar daripada mechanical method, dan penggunaan metode penyambungan ini tidak menambah berat material. Efisiensi suatu struktur yang terbuat dari elemen-elemen fiber reinforced plastic (FRP), sangat dipengaruhi oleh kekuatan/ketangguhan sambungannya, sehingga diperlukan suatu pemilihan model sambungan yang tepat. Pengujian bending terhadap sambungan kayu tipe end grained joint, yang meliputi tiga model sambungan, yaitu model half lap joint, mortise and tenon, serta double mortise and tenon. Dari ketiga model sambungan tersebut, half lap joint merupakan model sambungan yang paling kuat. Penelitian-penelitian yang sudah dilakukan, menunjukkan bahwa kekuatan yang diperoleh dari suatu material berbanding lurus dengan biaya yang dikeluarkan. Hal ini tidak menguntungkan, karena dapat mengurangi nilai jual terhadap produk tersebut. Mengkaitkan dengan rancangan sambungan, perlu dilakukan suatu rancangan yang efektif dan aman.
18
POLITEKNOSAINS EDISI KHUSUS DIES NATALIS
Tujuan Penelitian Tujuan Penelitian adalah mengetahui pengaruh variasi model sambungan pada komposit serat gelas terhadap pengujian bending serta mengetahui jenis sambungan yang cocok untuk serat gelas. Pengamatan foto makro penampang patahan yang dilakukan terhadap adanya kegagalan. Tinjauan Pustaka Teknologi material komposit dengan menggunakan serat alam sebagai penguat (composite reinforced fiber) telah banyak dikembangan untuk dapat menggantikan serat sintetis. Hal ini disebabkan karena serat alam yang digunakan sebagai penguat komposit tersebut mempunyai berbagai keunggulan, diantaranya; harga murah, mampu meredam suara, ramah lingkungan, mempunyai densitas rendah, dan kemampuan mekanik yang tinggi. Komposit serat alam banyak digunakan sebagai interior mobil, peredam akustik, dan panel pintu hal ini disebabkan karena penggunaan serat alam sebagai penguat komposit dapat mengurangi berat sampai 80 % (Schuh, 1999). Broughton,dkk (2001), melakukan penelitian tentang pengaruh panjang ikatan terhadap
Pengaruh Variasi Jenis Sambungan…
Juni 2011
kekuatan sambungan adhesive dengan uji tarik. Pada penelitiannya, mereka menggunakan spesimen sambungan tipe single-lap joint dengan variasi panjang ikatan 12,5 mm; 25,0 mm; dan 50,0 mm, dengan dimensi spesimen mengacu pada ASTM D3164-97. Hasilnya menunjukkan bahwa semakin panjang panjang ikatan, maka semakin kuat sambungan tersebut. Serizawa, dkk (2004) menyatakan bahwa metode pengujian yang dapat diterapkan pada sambungan, dan salah satu pengujian yang sering diterapkan pada sambungan adalah uji bending. Mereka melakukan penelitian tentang pengembangan media penyambung baru untukmengevaluasi kekuatan sambungan komposit SiC/SiC dengan melakukan pengujian bending. Kekuatan dan kekakuan material komposit akan sangat berbeda apabila dibandingkan dengan kekuatan dan kekakuan sambungan komposit. Karakteristik kekuatan dan kekakuan material komposit tidak akan diperoleh pada sambungannya apabila tidak diperhitungkan secara matang, padahal sambungan komposit sangat berpengaruh pada kekuatan
19
POLITEKNOSAINS EDISI KHUSUS DIES NATALIS
Metodologi Penelitian Bahan utama penelitian adalah serat gelas acak, pembuatan spesimen skin komposit menggunakan fraksi volume 30% yaitu perbandingan volume antara serat dan matrik sebesar 30% serat dan 70% matrik. Katalis yang digunakan sebesar 1 % dari berat resin. Dilakukan secara hand lay up, dimana serat gelas, kemudian ditaruh pada dasar cetakan, yang sebelumnya telah dituang campuran resin termosetting BQTN-EX dan katalis MEKPO. Kemudian di atas serat gelas tadi dituang campuran resin termosetting BQTN-EX dan katalis MEKPO sampai semua serat gelas terendam. Cetakan
Pengaruh Variasi Jenis Sambungan…
penutup dipasang di atas spesimen dan dibiarkan mengeras pada temperatur ruang. Proses selanjutnya spesimen dibekukan pada temperatur ruang selama 2 jam. Pengujian dilakukan dengan uji bending three point bending ASTM D790. Hasil dan Pembahasan Hasil pengujian kekuatan bending untuk variasi sambungan didapatkan : Grafik Kekuatan Bending Terhadap 2 Variasi Sambungan Kekuatan Bending MPa
dan kemampuan suatu struktur komposit. Steeves & Fleck, (2004) mengatakan bahwa komposit serat gelas merupakan gabungan dua lembar skin yang disusun pada dua sisi material ringan (core) serta adhesive. Fungsi utama skin pada struktur serat gelas adalah menahan beban aksial dan bending, sedangkan core berfungsi untuk mendistribusikan beban aksial menjadi beban geser pada seluruh luasan yang terjadi akibat pembebanan gaya dari luar.
Juni 2011
120 100
96.39
80 60
67.94
58.45
40
41.05 33.11
38.09 33.11
Sambungan Lurus Sambungan Tumpang 39.3
36.18
34.63
20 0 1
2
3
4
5
Spesimen
Gambar 1. Grafik kekuatan bending dua jenis sambungan Gambar 1. menunjukan bahwa kekuatan bending pada sambungan lurus (butt joint) terjadi pada kekuatan bending minimum 33,11 MPa dan kekuatan bending maksimum 39,30 MPa. Sedangkan kekuatan bending pada sambungan tumpang (lap joint) terjadi pada kekuatan bending minimum 38,09 MPa dan kekuatan bending maksimum 96,39 MPa. Sambungan lurus dan tumpang mengalami patah pada saat pengujian bending. Kedua jenis 20
POLITEKNOSAINS EDISI KHUSUS DIES NATALIS
Hasil pengujian defleksi bending untuk variasi sambungan didapatkan; Grafik Defleksi Bending Terhadap 2 Variasi Sambungan
Grafik Regangan Bending Terhadap 2 Variasi Sambungan 2.5 Regangan Bending
sambungan tersebut yang mempunyai kekuatan bending yang tertinggi terjadi pada sambungan tumpang.
Juni 2011
2.06
2 1.5
1.48
1.33 0.82 0.72
Sambungan Tumpang 0.69
0.54
0.5
Sambungan Lurus
1.13 0.88
1
0.54
0 1
2
3
4
5
Spesimen
Gambar 3. Grafik regangan bending dua jenis sambungan
Defleksi Bending mm
18 16
16
14 12
11.5
10.3
10
Sambungan Lurus
8.7
8
Sambungan Tumpang
6.8
6.4 5.6
6
5.4
4.2
4
4.2
2 0 1
2
3
4
5
Spesimen
Gambar 2. Grafik defleksi bending dua jenis sambungan Gambar 2. menunjukan bahwa defleksi bending minimum pada sambungan lurus 4,2 mm dan defleksi bending maksimum 6.80 mm. Sedangkan sambungan tumpang (lap joint) mempunyai defleksi bending minimum 6,40 mm dan defleksi bending maksimum 16 mm. Hal ini menunjukkan bahwa sambungan mempunyai defleksi paling tinggi dengan 16 mm terjadi pada sambungan tumpang. Hasil pengujian regangan bending untuk variasi sambungan didapatkan :
Pengaruh Variasi Jenis Sambungan…
Gambar 3. menunjukan bahwa regangan bending minimum pada sambungan lurus (butt joint ) sebesar 0,54 dan regangan bending maksimum 0,88. Sedangkan sambungan tumpang (lap joint ) mempunyai regangan menunjukkan bahwa sambungan tumpang mempunyai regangan paling tinggi dengan 2,0 mm. Dari hasil pengujian dan hasil kekuatan bending, defleksi, regangan menunjukkan bahwa sambungan tumpang lebih kuat bila dibandingkan dengan sambungan lurus. Sehingga untuk material skin komposit dengan serat gelas sambungan tumpang sangat dominan untuk diaplikasikan. Foto Makro Kegagalan Uji Makro Tujuan dilakukan foto makro untuk mengetahui kegagalan yang terjadi pada komposit. Selain itu, foto makro juga dilakukan untuk melihat
21
POLITEKNOSAINS EDISI KHUSUS DIES NATALIS
patahan spesimen hasil pengujian bending. Foto–foto makro tersebut dapat dilihat pada gambar dibawah. Sambungan Lurus Komposit
Patahan
Gambar 4. Penampang patahan butt joint Gambar 4. menunjukan bahwa pada sambungan lurus patahan yang terjadi tidak lurus atau bergelombang. Hal ini kekuatan zat perekat yang menyambung pada material komposit sangat kuat. Walaupun kekuatan material komposit masih kuat dibandingkan dengan sambungannya. Sambungan Tumpang Komposit
Patahan
Gambar 5. Penampang patahan sambungan tumpang
Pengaruh Variasi Jenis Sambungan…
Juni 2011
Gambar 5. menunjukan bahwa pada sambungan tumpang patahan yang terjadi tidak lurus atau bergelombang. Hal ini kekuatan zat perekat yang menyambung pada material komposit sangat kuat. Walaupun kekuatan material komposit masih kuat dibandingkan dengan sambungannya. Kesimpulan Berdasarkan penelitian dan analisis dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut: 1. Dari data pengujian yang telah dilakukan didapatkan bahwa - Kekuatan bending sambungan komposit maksimum yaitu sebesar 96,39 Mpa terjadi pada sambungan tumpang - Defleksi bending sambungan komposit maksimum yaitu sebesar 16 mm terjadi pada sambungan tumpang dan minimum sebesar 4,2 mm terjadi pada sambungan lurus - Regangan bending sambungan komposit maksimum yaitu sebesar 2,06 terjadi pada sambungan tumpang dan minimum sebesar 0,54
22
POLITEKNOSAINS EDISI KHUSUS DIES NATALIS
terjadi pada sambungan lurus 2. Jenis kekuatan sambungan tumpang lebih kuat dibandingkan dengan sambungan lurus dengan jenis adhesive yang sama. 3. Kegagalan yang terjadi pada spesimen sambungan komposit serat gelas diawali dengan terjadinya retakan area sambungan akibat tegangan geser, kemudian diikuti retakan sebelah bawah spesimen yang disebabkan oleh tegangan tarik akibat pembebanan bending. Daftar Pustaka .............., Annual Book of Standards, Section 15, ASTM D 5868-95, “Standard Test Methods forFlexural Properties of Serat gelas Constructions”, ASTM, 1994 ............, Annual Book of Standards, Section 8, D 790-02, “Standard Test Methods forFlexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical InsulatingMaterials1”, ASTM, 2002 Broughton, W.R., dkk., 2001, Effects of Specimen Geometry on the Strength of Pengaruh Variasi Jenis Sambungan…
Juni 2011
Flexible Adhesive Joints, National Physical Laboratory, Mesir. Fassio, F., dkk., 2005, Tensile Test on Bonded doubleStrap Joints Between Pultruded GFRP Profiles, Department of Structural Engineering, Universita Degli Studi “Roma Tre”, ITA. Gay, Daniel, dkk., 2003, Composite Material, Desaign and Applications, Boca Raton: CRC Press. Schuh G.T., 1999, Renewable Materials for Automotive Applications, UNESP-Sao Paulo State University. Schwartz, M.M., 1984, Composite Materials Handbook, New York: McGraw Hill Inc. Serizawa, dkk., 2004, Development of New Interface Potential for Evaluating Strength of Sic/Sic Composite Joint, Osaka University, Japan. Steeves C.A. dan Fleck N.A., 2004, Collaps Mechanism of Serat gelas Beam with Composite Face and Foam Core Loaded in Three Point Bending, Available Online at www.sciencedirect.com.
23
