STUDI SIFAT MEKANIS CHARPY IMPACT KAMPAS REM BERBASIS HIBRID KOMPOSIT EPOXY / SERBUK BASALT/ ALUMINUM/ SERBUK KULIT KERANG Oleh Dosen Pembimbing
: I Nyoman Gede Suma Wijaya : I Dewa Gede Ary Subagia, ST.,MT.,Ph.D. Dr. Wayan Nata Septiadi, ST.,MT. ABSTRAK
Kampas rem merupakan salah satu komponen dalam sistem pengereman yang secara langsung bersentuhan atau bergesekan dengan bagian yang berputar. Teknologi komposit saat ini sudah mulai bergeser dengan memanfaatkan bahanbahan alami seperti serat alam, kayu alam, serbuk tempurung kelapa, serat basalt dan limbah abu terbang sisa pembakaran dari batu bara. Penelitian yang diambil menggunakan bahan hibrid komposit (HK) yang komposisinya divariasikan yaitu material dari basalt dipadukan dengan material aluminium oxide, serbuk cangkang kerang, dan phenolic resin. Material kampas rem hibrid komposit diproses melalui proses sintering dengan penekanan 2 ton, temperatur 150ºC selama 30 menit. Tujuan penelitian adalah untuk mengetahui karakteristik dan ketangguhan pembebanan impak charpy pada material hibrid. Spesimen yang diuji impak mengacu pada standar dari ASTM D6110–04. Hasil penelitian menunjukkan bahwa: (1) Pengaruh fraksi berat pada setiap variasi komposit terhadap kekuatan impact pengurangan persentase basalt dan penambahan persentase serbuk kerang, serta persentase konstan aluminium oxide yang pada setiap komposisi menghasilkan nilai kekuatan yang bervariasi. Dimana nilai kekuatan yang tinggi terjadi pada hibrid komposit variasi 2 (HK2) dengan nilai 0,000339547 J/mm2, ini disebabkan karena mempunyai ikatan antara metrik dan basalt yang lebih kuat dan sempurna dibandingkan dengan hibrid komposit lainnya. Untuk nilai hibrid komposit variasi 1 (HK1) adalah 0,000304851 J/mm², hibrid komposit variasi 3 (HK3) adalah 0,000334516 J/mm², hibrid komposit variasi 4 (HK4) adalah 0,000325059 J/mm², hibrid komposit variasi 5 (HK5) adalah 0,0003327 J/mm². (2) Dari perbandingan antara kampas rem dipasaran dengan kampas rem hibrid komposit maka didapat nilai kekuatannya berbeda pada hibrid komposit variasi 2 (HK2) dengan kampas pembanding (KP) yang memiliki nilai kekuatannya lebih besar yaitu, 0,000374867 J/mm².
Kata kunci : Kampas rem, Impact charpy, Hibrid komposit, Basalt, Aluminium, Kerang
iii
STUDY OF MECHANICAL CHARACTER CHARPY IMPACT THE BRAKE BASED COMPOSITE HYBRID EPOXY / BASALT POWDER / ALUMINUM / SHELLS POWDER Author Guidance
: I Nyoman Gede Suma Wijaya : I Dewa Gede Ary Subagia, ST.,MT.,Ph.D. Dr. Wayan Nata Septiadi, ST.,MT. ABSTRACT
Brake is one component in the braking system that directly touch or rubbed by rotating parts. Composite technology already started to use natural materials such as natural fibers, natural wood, coconut shell powder, basalt, and waste fly ash from the combustion of coal. The research conducted using hybrid composite (HK) material whose composition varied of basalt material combined with aluminum oxide material, powder shells, and phenolic resin. Hybrid composite brake material processed through the sintering process with emphasis 2 tons, the temperature of 150ºC for 30 minutes.The purpose of this research was to determine the characteristics and toughness charpy impact loading on hybrid materials. Specimens were tested for impact refers to standard of ASTM D6110 - 04. The result of this research showed : (1) Effect of weight fraction in the composite variation of the percentage reduction impact strength and the addition of basalt powder percentage shells, as well as a constant percentage of aluminum oxide which in each composition varying yield strength values. High strength values that exist on hybrid composites variation 2 (HK2) is valued 0,000339547 J / mm2, for having bond between metric and basalt stronger and more perfect than the other hybrid composites. While is valued hybrid composites variation 1 (HK1) 0,000304851 J / mm²; hybrid composites variation 3 (HK3) is 0,000334516 J/mm² ; hybrid composites variation 4 (HK4) is 0,000325059 J/mm²; hybrid composites variation 5 (HK5) is 0,0003327 J/mm². (2) From a comparison between the brake market with hybrid composite brake then strength different got values at hybrid composites variation 2 (HK2) to brake the comparator (KP) having a value greater strength is 0,000374867 J/mm².
Keywords: Brake, Impact charpy, Hybrid composite, Basalt, Aluminium, Shells
iv
DAFTAR ISI
Halaman LEMBAR PENGESAHAN .................................................................................... i LEMBAR PERSETUJUAN ................................................................................... ii ABSTRAK ............................................................................................................... iii ABSTRACT ............................................................................................................. iv KATA PENGANTAR ............................................................................................. v DAFTAR ISI ......................................................................................................... vii DAFTAR GAMBAR ............................................................................................. x DAFTAR TABEL ................................................................................................. xii DAFTAR LAMPIRAN ......................................................................................... xiii BAB I PENDAHULUAN ...................................................................................... 1.1 Latar Belakang .................................................................................. 1.2 Rumusan Masalah ............................................................................. 1.3 Batasan Masalah ............................................................................... 1.4 Tujuan Penelitian .............................................................................. 1.5 Manfaat Penelitian ............................................................................
1 1 3 3 4 4
BAB II LANDASAN TEORI ............................................................................... 5 2.1 Kampas Rem ..................................................................................... 5 2.1.1 Mekanisme Sistem Pengereman ........................................... 7 2.2 Komposit ........................................................................................... 10 2.2.1 Matrik .................................................................................... 11 2.2.2 Sifat Matrik ........................................................................... 12 2.2.3 Penguat .................................................................................. 13 2.2.4 Polimer .................................................................................. 13 2.2.5 Pembagian Polimer Berdasarkan Strukturnya ...................... 14 2.3 Komposit Hibrid ............................................................................... 15 2.4 Material ............................................................................................. 15 2.4.1 Basalt .................................................................................... 15 2.4.2 Aluminium ............................................................................ 17 2.4.3 Serbuk Cangkang Kerang ..................................................... 17 2.4.4 Resin Epoksi (Epoxy) ............................................................ 17 2.5 Teknik Pembentukan Komposit ........................................................ 18 2.6 Sintering ............................................................................................. 19
vii
2.7 2.8 2.9
Matematis (Perhitungan Fraksi Berat) .............................................. 19 Uji Impact ......................................................................................... 20 Spesimen Uji Impak .......................................................................... 24
BAB III METODE PENELITIAN ...................................................................... 25 3.1 Diagram Alir Penelitian .................................................................... 25 3.2 Kerangka Penelitian .......................................................................... 26 3.3 Variabel Penelitian ............................................................................ 26 3.3.1 Variabel Bebas ...................................................................... 26 3.3.2 Variabel Terikat .................................................................... 26 3.4 Bahan dan Peralatan Penelitian ......................................................... 26 3.4.1 Peralatan Penelitian ............................................................... 29 3.5 Penentuan Variasi Kampas Rem Hibrid Komposit .......................... 31 3.6 Skematik Alat Uji Impact Charpy .................................................... 32 3.7 Proses Pembuatan Spesimen Uji ....................................................... 33 3.7.1 Tahap Pencampuran Bahan Hibrid Komposit Kampas Rem 34 3.7.2 Proses Pencetakan (Sintering) .............................................. 35 3.7.3 Proses Pemotongan Spesimen Uji ........................................ 37 3.8 Dimensi Spesimen Uji ...................................................................... 38 3.9 Pelaksanaan Pengujian Hibrid Komposit ......................................... 38 3.9.1 Pengujian Impact .................................................................. 38 3.9.2 Scanning Electron Microscope (SEM) ................................. 39 3.9.3 Analisis Data ......................................................................... 40 3.10 Tempat Penelitian ............................................................................. 40 BAB IV ANALISIS DATA DAN PEMBAHASAN ........................................... 41 4.1 Analisis Data ..................................................................................... 41 4.2 Perhitungan Persamaan Pengujian Impact ........................................ 41 4.3 Hasil Perhitungan Uji Impact ........................................................... 43 4.3.1 Pengamatan Ikatan antara Partikel pada Komposit Menggunakan SEM .............................................................. 47 4.3.2 Hasil Foto EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) Material Basalt, Cangkang Kerang, dan Aluminium Oxide ................ 48 4.3.3 Pengamatan Ikatan Antara Partikel Pada Kampas Asbes/ Pembanding (KP) Menggunakan SEM ...................... 52 4.3.4 Hasil Foto EDS Material Kampas Asbes / Pembanding ....... 53 BAB V SIMPULAN DAN SARAN ....................................................................... 54 5.1 Simpulan ........................................................................................... 54 5.2 Saran ................................................................................................. 55
viii
DAFTAR PUSTAKA .............................................................................................. 56 LAMPIRAN ............................................................................................................ 61
ix
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Gambar 2.2 Gambar 2.3 Gambar 2.4 Gambar 2.5 Gambar 2.6 Gambar 2.7 Gambar 2.8 Gambar 2.9 Gambar 2.10 Gambar 2.11 Gambar 2.12 Gambar 2.13 Gambar 2.14 Gambar 3.1 Gambar 3.2 Gambar 3.3 Gambar 3.4 Gambar 3.5 Gambar 3.6 Gambar 3.7 Gambar 3.8 Gambar 3.9 Gambar 3.10 Gambar 3.11 Gambar 3.12 Gambar 3.13 Gambar 3.14 Gambar 3.15 Gambar 3.16 Gambar 3.17 Gambar 3.18 Gambar 3.19 Gambar 3.20 Gambar 4.1 Gambar 4.2 Gambar 4.3 Gambar 4.4
Rem Tromol (drum break) ................................................................. 7 Prinsip Kerja Leading Shoe .............................................................. 8 Tipe Two – Leading Shoe ................................................................. 8 Rem Cakram ..................................................................................... 9 Fibrous Composites .......................................................................... 10 Laminat Composites ......................................................................... 11 Particulate Composites ..................................................................... 11 Polimer Berdasarkan Susunan Rantai ............................................... 15 Bahan Baku Basalt ............................................................................ 16 Metode Pengujian Impak Izod .......................................................... 21 Metode Pengujian Impak Charpy ..................................................... 21 Skema Pengujian Impak ................................................................... 22 Ayunan Pendulum Dari Sisa Kedudukan ......................................... 23 Spesimen Uji Impak Charpy ............................................................. 24 Diagram Alir Penelitian .................................................................... 25 Basalt Powder ................................................................................... 27 Serbuk Cangkang Kerang ................................................................. 27 Serbuk Aluminium Oxide ................................................................. 28 Phenolic Resin .................................................................................. 28 Alat Press Cetakan ............................................................................ 29 Alat Uji Impak Charpy ..................................................................... 29 Alat Uji SEM .................................................................................... 30 Neraca Digital ................................................................................... 30 Breaker Glass .................................................................................... 30 Jangka Sorong dan penggaris ........................................................... 31 Kamera Digital .................................................................................. 31 Skematik Alat Uji Impak Charpy ..................................................... 32 Skematik Kedudukan Spesimen Uji Pada Alat Uji .......................... 32 Proses Penimbangan dan Pencampuran material-material komposit sebelum akan dicetak ......................................................... 35 Proses pencetakan komposit .............................................................. 36 Proses pemotongan komposit sesuai ukuran uji impak ..................... 37 Dimensi Spesimen ............................................................................. 38 Proses pengujian spesimen ................................................................ 39 Proses pengambilan foto SEM .......................................................... 40 Diagram perbandingan kekuatan impact hibrid komposit ................ 46 Nilai Energi yang diserap yang terjadi pada pengujian impak .......... 46 Foto SEM ikatan antar partikel - partikel material pada hibrid komposit HK2 ................................................................................... 47 Foto EDS untuk Basalt ...................................................................... 48 x
Gambar 4.5 Gambar 4.6 Gambar 4.7 Gambar 4.8 Gambar 4.9 Gambar 4.10 Gambar 4.11 Gambar 4.12
Grafik hasil EDS pada Basalt ............................................................ 49 Foto EDS untuk Aluminium Oxide ................................................... 50 Grafik EDS material Aluminium Oxide ............................................ 51 Foto untuk EDS cangkang kerang ..................................................... 51 Grafik EDS material cangkang kerang .............................................. 51 Foto SEM pada kampas Asbes .......................................................... 52 Foto EDS Kampas Asbes .................................................................. 53 Grafik EDS kandungan unsur kimia pada asbes ............................... 53
xi
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 2.1 Sifat Fisik Serbuk Basalt ....................................................................... 16 Tabel 3.1 Variasi Paduan Hibrid Komposit .......................................................... 31 Tabel 3.2 Flow proses chart .................................................................................. 33 Tabel 4.1 Data Pengukuran Awal dan Hasil Pencatatan Data Uji HK .................. 42 Tabel 4.2 Data Pengukuran Awal dan Hasil pencatatan Data Uji kampas pembanding / asbes ................................................................................ 43 Tabel 4.3 Perhitungan Kekuatan Impact Hibrid Komposit dan Kampas Pembanding ............................................................................................ 44 Tabel 4.4 Nilai rata – rata Kekuatan Imapact Hibrid Komposit dan Kampas Pembanding ............................................................................................ 45 Tabel 4.5 Hasil EDS untuk kandungan unsur kimia dari Basalt ............................ 49 Tabel 4.6 Hasil EDS untuk kandungan unsur kimia dari Aluminium oxide ......... 50 Tabel 4.7 Hasil EDS untuk kandungan unsur kimia dari cangkang kerang ........... 51 Tabel 4.8 Hasil EDS untuk kandungan unsur kimia pada kampas asbes .............. 53
xii
DAFTAR LAMPIRAN
Halaman Lampiran 1. Lampiran 2. Lampiran 3.
Lembar ASTM D 6110-04 ................................................................. 61 Surat Pernyataan ............................................................................... 77 SK Pembimbing Skripsi .................................................................... 78
xiii
1
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Industri otomotif dalam negeri terus meningkat seiring dengan meningkatnya permintaan masyarakat akan alat transportasi atau kendaraan. Kendaraan merupakan salah satu media atau sarana transportasi bagi manusia dan barang. Dalam sistem kendaraan, keamanan menjadi faktor terpenting yang perlu diperhatikan. Hal tersebut karena akhir-akhir ini kecelakan yang terjadi diakibatkan sistem pengereman yang tidak berfungsi dengan baik selain juga dipengaruhi oleh kalalaian pengendara atau manusia. Menurut data kecelakaan bermotor akibat faktor rem blong, yaitu 59,03% atau terdapat 10.566 kasus, yang artinya pada setiap hari terjadi 29 kasus kecelakaan diakibatkan oleh rem (https://edorusyanto.wordpress.com). (Anonim, 2013) Salah satu faktor kegagalan pada pengereman dikarenakan kehilangan kemampuan bahan kampas rem terhadap proses pengereman.
Oleh karena itu,
seiring dengan perkembangan kecepatan kendaraan bermotor yang juga harus diimbangi dengan sistem dan kualitas rem yang tinggi. Sistem rem memiliki fungsi untuk memperlambat atau mengurangi kecepatan, menghentikan kendaraan yang sedang berjalan, dan menjaga kendaraan agar tetap berhenti atau diam (Sukamto, 2012). Kualitas kampas rem dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu komposisi bahan, jenis bahan dan kekerasan. Kampas rem merupakan salah satu komponen dalam sistem pengereman yang secara langsung bersentuhan atau bergesekan dengan bagian yang berputar dalam hal ini adalah drum (sistem tromol) atau disk (sistem cakram). Kemampuan kampas rem memiliki peranan penting yaitu untuk menyerap besarnya energi kinetik pada saat pengereman. Masalah yang sering terjadi pada kampas rem adalah keausan yang dimana kausan memliki arti sebagai rusaknya permukaan padatan sebagai akibat gesekan terhadap beban kejut dengan pengereman secara tiba-tiba (M Ikhbal Mursan et al., 2014). Bahan dasar secara umum kampas rem adalah asbestos, karena memiliki beberapa keunggulan seperti tahan terhadap temperatur tinggi yang mencapai 800 o Celsius (Sukamto, 2012), sedangkan kelemahan dalam kondisi basah bahan tersebut akan mengalami efek licin seperti menggesekkan jari di atas kaca basah (licin/tidak
2
pakem), karena rem dari bahan asbestos terbuat dari 60% material asbes atau fiber sebagai serat utama pembuatan kampas rem, dan unsur tambahan lainnya seperti Silicon Carbida (SiC), Mangan (Mn), Kobalt (Co), Resin, Friction Aditive, Filler (Fuad Dwi Fitrianto et al., 2013). Kampas rem dari bahan asbestos yang merupakan komponen yang menimbulkan sifat carcinogenic dan juga tidak ramah lingkungan yang dapat terganggunya kesehatan manusia yang bisanya menyebabkan penyakit kanker (Cherie J.W et al., 2000). Dalam perkembangan teknologi saat ini sudah mulai mengarah pada konsep back to nature. Teknologi komposit pun sudah mulai bergeser dengan memanfaatkan bahan-bahan alami seperti serat alam, kayu alam, serbuk tempurung kelapa, serat basalt dan limbah abu terbang sisa pembakaran dari batu bara (Puja, 2010). Sebagai contoh, (Sutikno, 2008) dan (Kiswiranti D et al., 2009) mengaplikasikan serbuk tempurung kelapa sebagai bahan gesek dimana kekerasan dan kekuatan tarik kampas rem meningkat dengan kadar optimum sebesar 14.82% untuk kadar resin 15%, holding time 6 jam dan temperatur oven 160 derajat Celsius dan mendapatkan kekerasan 60-70 HRB. Para peneliti di Indonesia sudah sewajarnya merasa bangga memanfaatkan potensi alam lokal sebagai bahan rekayasa seperti serat basalt. Basalt merupakan serat alami hasil dari letusan gunung berapi yang memiliki ketahanan panas hingga diatas 1500 oCelsius (Singha, 2012). Melihat hasil dari inovasi yang telah dilakukan dan potensi yang dimiliki maka dalam penelitian ini menggunakan bahan endapan gunung berapi yang disebut dengan Basalt. Basalt yang memiliki ketahanan terhadap korosi, rendahnya peyerapan air, dan tahan terhadap perlakuan zat kimia dan tidak beracun (V. Fiore et al., 2011). Berdasarkan analisis laboratorium kandungan Basalt terdiri dari unsur – unsur kimia berupa: SiO, Al2O3, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O, K2O, TiO2, P2O5, MnO, dan Cr2O3 (Singha, 2012). Kemudian serbuk kulit kerang merupakan serbuk yang dihasilkan dari pembakaran kulit kerang yang dihaluskan dan berdasarkan analisis laboratorium menunjukkan kandungan kimia berupa: CaO, MgO, SiO2, Al2O3 dan Fe2O (Siregar, 2009). Sedangkan Aluminium (Al) merupakan logam ringan yang mempunyai ketahan korosi yang baik dan mudah dibentuk (Zuliana Sari Rahmawati dan T.Sofyan, 2010). Pembentukan komposit dengan penguat Serbuk Basalt, Kulit Kerang, dan Aluminium dilakukan dengan metode hibridisasi pada pengikat tunggal
3
yaitu epoxy. Dalam pembentukan bahan uji dilakukan dengan proses sintering dengan kontrol temperatur 150oC yang akan menghasilkan kekuatan dan kekerasan serta gaya gesek yang semakin meningkat. Bertitik balik dari uraian diatas maka dalam penelitian yang diambil menggunakan bahan hibrid komposit yang komposisinya divariasikan yaitu material dari serbuk basalt di padukan dengan material aluminium dan serbuk cangkang kerang yang diperkuat epoxy. Dengan tujuan penelitian adalah untuk mengetahui karakteristik dan ketangguhan pembebanan impak charpy pada material hibrid. Spesimen yang diuji impak mengacu pada standar dari ASTM D6110 – 04. Analisis karakteristik patahan permukaan menggunakan uji SEM. 1.2 Rumusan Masalah Adapun beberapa permasalahan yang dilakukan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Bagaimana karakteristik patahan hibrid komposit dengan komposisi antara Serbuk Basalt / Aluminium/ Cangkang Kerang terhadap pembebanan impak charpy. 2. Bagaimana ketangguhan hibrid komposit dengan komposisi antara Serbuk Basalt / Aluminium/ Cangkang Kerang terhadap pembebanan impak charpy. 1.3 Batasan Masalah Agar dalam penelitian ini memperoleh hasil yang maksimal dan lebih terarah maka perlu ada batasan permasalahan. Adapun batasan-batasan permasalahan dalam melakukan penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Jenis komposit yang dijadikan sebagai bahan penelitian adalah hibrid komposit yaitu dari material Basalt Serbuk (grain size 200 mesh) dengan paduan serbuk Aluminium dan cankang kerang yang diperkuar epoxy. 2. Peneliti difokuskan pada disain komposisi dan karakteristik dari material hibrid komposit sebagai material kampas rem. 3. Pengujian dibatasi dengan pengujian sifat mekanis dengan uji Impak dan analisis SEM (scanning electron microscope).
4
1.4 Tujuan Penelitian Adapun tujuan dari penelitian ini adalah: 1. Untuk mengetahui karakteristik patahan hibrid komposit dengan komposisi antara Serbuk Basalt / Aluminium/ Kulit Kerang terhadap pembebanan impak charpy. 2. Untuk mengetahui ketangguhan hibrid komposit dengan komposisi antara Serbuk Basalt / Aluminium/ Kulit Kerang terhadap pembebanan impak charpy. 1.5 Manfaat Penelitian Adapun manfaat dari penelitian ini adalah: 1. Peneliti Dapat menjadikan sebagai ide suatu teknologi yang dapat di terapkan dan dikembangkan bagi Mahasiswa. 2. Akademik Memberikan informasi yang nyata mengenai pemanfaatan material alami sebagai bahan kampas rem. 3. Pasar atau Industri Diharapakan dapat meberikan rekomendasi kepada industry mengenai material hibridisasi yang menggunakan material serbuk Basalt, Aluminium, serbuk Kulit Kerang, dan Epoxy sebagai bahan penguat.
