TINJAUAN PUSTAKA. Universitas Sumatera Utara

TINJAUAN PUSTAKA

2.1

Komposit Komposit adalah suatu material yang terdiri dari campuran atau kombinasi

dua atau lebih material baik secara mikro atau makro, dimana sifat material yang tersebut berbeda bentuk dan komposisi kimia dari zat asalnya (Smith, 1996). Komposit juga suatu perpaduan dari bahan yang dipilih berdasarkan kombinasi sifat fisik masing-masing material penyusun untuk menghasilkan material baru dengan sifat yang unik dibandingkan sifat material dasar sebelum dicampur dan terjadi ikatan permukaan antara masing-masing material penyusun. Dengan adanya perbedaan dari material penyusunnya maka komposit antara material harus berikatan dengan kuat, sehingga perlu adanya penambahan wetting agent. Pendapat lain mengatakan bahwa komposit adalah sebuah kombinasi material yang berfasa padat yang terdiri dari dua atau lebih material secara skala makroskopik yang mempunyai kualitas lebih baik dari material pembentuknya (Jacob, 1994). Dari sekian banyak jenis material pembentuk komposit, semuanya dapat dikelompokkan ke dalam tiga bagian, yaitu matriks, material penguat (reinforcement) dan material pengisi (filler). Komposit dapat didefinisikan sebagai gabungan serat-serat dan resin. Penggabungannya sangat beragam, fiber atau serat ada yang diatur memanjang (unidirectional composites), ada yang dipotong-potong kemudian dicampur secara acak (random fibers), ada yang dianyam silang lalu dicelupkan dalam resin (cross-ply laminae), dan lainnya. Manfaat utama dari penggunaan komposit adalah mendapatkan kombinasi sifat kekuatan serta kekakuan tinggi dan berat jenis yang ringan. Dengan memilih kombinasi material serat dan matriks yang tepat, kita dapat membuat suatu material komposit dengan sifat yang tepat sama dengan kebutuhan sifat untuk suatu struktur tertentu dan tujuan tertentu pula. Dibanding dengan material konvensional keunggulan komposit antara lain yaitu memiliki kekuatan yang

5 Universitas Sumatera Utara

dapat diatur (tailorability), tahanan lelah (fatigue resistance) yang baik, tahan korosi, dan memiliki kekuatan jenis (rasio kekuatan terhadap berat jenis) yang tinggi. Lembaran komposit disebut sebagai lamina, Serat yang dipakai seperti di industri pesawat terbang biasanya terbuat dari karbon dan gelas, sedangkan resinnya adalah epoxy, sejenis polimer. Pada bahan material komposit dapat dilihat pada gambar 2.1.

Gambar 2.1 material komposit

Material komposit merupakan material non logam yang saat ini semakin banyak digunakan mengingat kebutuhan material disamping memprioritaskan sifat mekanik juga dibutuhkan sifat lain yang lebih baik misalnya ringan, tahan korosi dan ramah lingkungan. Komposit juga memiliki sifat mekanik yang lebih bagus dari logam, kekakuan jenis (modulus Young/density) dan kekuatan jenisnya lebih tinggi dari logam. Beberapa lamina komposit dapat ditumpuk dengan arah orientasi serat yang berbeda, gabungan lamina ini disebut sebagai laminat. Selain itu sifat teknologi dari komposit merupakan salah satu sifat yang harus di miliki oleh material komposit tersebut. Dimana sifat teknologi adalah kemampuan material untuk dibentuk atau diproses. Proses pembuatan atau proses produksi dari komposit tersebut merupakan hal yang sangat penting dalam menghasilkan material komposit tersebut. Banyak cara atau metoda yang di gunakan untuk menghasilkan material komposit yang di inginkan.


2.1.1 Sejarah Komposit Kata komposit (composite) merupakan kata sifat yang berarti susunan atau gabungan. Komposit berasal dari kata kerja to compose´ yang berarti menyusun atau menggabung. Jadi secara sederhana bahan komposit berarti bahan gabungan dari dua atau lebih bahan yang berlainan. Penggunaan material komposit telah dikenal selama ribuan tahun pada alam sekitar kita. Pada jaman mesir kuno, jerami digunakan pada dinding untuk meningkatkan penampilan struktur. Kayu merupakan komposit alami yang sering digunakan selama ini. Para pekerja kuno telah mengenal istilah komposit dengan menggunakan ter untuk mengikat alangalang untuk membuat kapal komposit 7000 tahun yang lalu. Perkembangan dari material komposit tidak terbatas hanya pada material bangunan dan hal ini dapat dilihat pada abad pertengahan. Asia tengah, busur dibuat dari otot binatang, getah kayu dan benang sutera dengan bahan perekat sebagai pengikat. Hasil dari komposit yang berlapis-lapis (laminated) memiliki daktilitas dan kekerasan (hardness) dari unsur pokoknya namun kekuatan merupakan efek sinergi dari gabungan sifat material. Beton, material yang digunakan oleh seluruh dunia dan juga material berbasis semen lainnya juga merupakan suatu komposit. Perilaku dan sifat dari beton dapat dimengerti dan direncanakan, diprediksi dengan lebih baik bila dilihat sebagai komposit dan begitu pula dengan beton bertulang. Material komposit akan bersinergi bila memiliki sebuah sistem yang mempersatukan material-material penunjang untuk mencapai sebuah sifat material baru tertentu. Seperti yang dikatakan oleh Aristotle pada 350 SM “The whole is more than just the sum of components”. Aristotle berkeyakinan bahwa skema konseptual secara keseluruhan dari alam perlu untuk dipersatukan dan tidak dapat ditinjau dari segi komponen yang terpisah-pisah. Hal ini yang penting untuk diperhatikan dalam perencanaan struktur oleh seorang engineer.


2.1.2 Karakteristik dan Aplikasi Bahan Komposit Komposit didefinisikan sebagai dua macam atau lebih material yang digabungkan atau dikombinasikan dalam skala makroskopis (dapat terlihat langsung oleh mata) sehingga menjadi material baru yang lebih berguna. Tahap pertama peringkat atas suatu bahan yang terdiri dari dua atau lebih atom yang berbeda bolehlah dikatakan sebagai bahan komposit. Ini termasuk alloy polimer dan keramik. Bahan-bahan yang terdiri dari unsur asal saja yang tidak termasuk dalam peringkat ini. Tahap kedua peringkat mikrostruktur suatu bahan yang terdiri dari dua atau lebih struktur molekul atau fasa merupakan suatu komposit. Mengikuti definisi ini banyak bahan yang secara tradisional dikenal sebagai komposit seperti kebanyakan bahan logam. Contoh besi keluli yang merupakan alloy multifusi yang terdiri dari karbon dan besi. Tahap ketiga peringkat makrostruktur merupakan gabungan bahan yang berbeda komposisi atau bentuk bagi mendapatkan suatu sifat atau ciri tertentu. Dimana konstituen gabungan masih tetap dalam bentuk asal, dimana dapat ditandai secara fisik dan melihatkan kesan antara muka antara satu sama lain. Dari beberapa definisi diatas, maka dapat disimpulkan bahwa, bahan komposit adalah bahan yang heterogen yang terdiri dari dari fasa tersebar dan fasa yang berterusan. Sifat maupun Karakteristik dari komposit ditentukan oleh beberapa hal yaitu Material yang menjadi penyusun komposit. Karakteristik komposit ditentukan berdasarkan karakteristik material penyusun menurut Rule Ofmixture sehingga akan berbanding secara proporsional. Bentuk dan penyusunan struktural dari penyusun Bentuk dan cara penyusunan komposit akan mempengaruhi karakteristik komposit. Interaksi antar penyusun Bila terjadi interaksi antar penyusun akan meningkatkan sifat dari komposit. Bahan komposit memiliki banyak keunggulan, diantaranya berat yang lebih ringan, kekuatan yang lebih


tinggi, tahan korosi, memiliki biaya perakitan yang lebih murah dan memiliki densitas yang rendah. 2.1.3 Klasifikasi Komposit Secara garis besar ada 3 macam jenis klasifikasi komposit berdasarkan penguat yang digunakannya, yaitu : A. Komposit Serat (fibricus composite) Komposit serat yaitu jenis komposit yang hanya terdiri dari satu lamina atau satu lapisan yang menggunakan penguat berupa serat/fiber atau komposit yang terdiri dari serat dan matriks (bahan dasar) yang diproduk secara fabrikasi, misalnya serat ditambah dengan resin sebagai bahan perekat. Sebagai contoh adalah FRP (fiber reinforce plastik) plastik diperkuat dengan serat dan banyak digunakan. Yang sering disebut fiber glass. Fiber ini bisa disusun secara acak maupun dengan orientasi tertentu bahkan bisa juga dalam bentuk yang lebih kompleks seperti anyaman. Fungsi utama dari serat adalah sebagai penopang kekuatan dari komposit, sehingga tinggi rendahnya kekuatan komposit sangat tergantung dari serat yang digunakan, karena tegangan yang dipakai pada komposit mulanya diterima oleh matrik akan diteruskan kepada serat, sehingga serat akan menahan beban maksimum. Oleh karena itu serat harus mempunyai tegangan tarik dan modulus elastisitas yang lebih tinggi dari pada matrik penyusun komposit. Pemilihan serat atau penguat harus mempertimbangkan beberapa hal salah satunya harga. Hal yang penting karena sebagai pertimbangan bila akan digunakan pada skala produksi besar. Jenis komposit serat terbagi menjadi 4 macam yaitu : a. Continous fiber composite (komposit diperkuat dengan serat kontinue) b. Woven fiber composite (komposit diperkuat dengan serat anyaman) c. Chopped fiber composite (komposite diperkuat serat pendek/acak) d. Hybrid composite (komposit diperkuat serat kontinyu dan serat acak) Pada gambar 2.2 memperlihatkan gambar jenis-jenis pada komposit serat. 9 Universitas Sumatera Utara

(a)

(b)

(c)

(d)

Gambar 2.2 Jenis komposit serat (a) Continous fiber composite, (b) Woven fiber composite, (c) Chopped fiber composite, (d) Hybrid composite

B. Komposit Lapis (laminated composite) Komposit Lapis yaitu jenis komposit yang terdiri dari dua lapis atau lebih yang digabung menjadi satu dan setiap lapisnya memiliki karakteristik sifat sendiri dari lapisan dan matriks, yaitu lapisan yang diperkuat oleh resin sebagai contoh plywood, laminated glass yang sering digunakan sebagai bahan bangunan dan kelengkapannya. Pada komposit lapis dapat dilihat pada gambar 2.3.

Gambar 2.3 komposit lapis C. Komposit Partikel (particulate composite)

Komposit partikel yaitu komposit yang menggunakan partikel/serbuk sebagai penguatnya dan terdistribusi secara merata dalam matriksnya. Partikel dan matriks yaitu butiran (batu, pasir) yang diperkuat dengan semen yang kita jumpai sebagai beton. Komposit partikel banyak dibuat untuk bahan baku industri. Proses produksi yang mudah juga menjadi salah satu pertimbangan bila komposit akan diproduksi massal. Pada gambar 2.4 memperlihatkan gambar komposit partikel.

matriks partikel

Gambar 2.4 komposit partikel 10 Universitas Sumatera Utara

2.1.4 Sifat Bahan Komposit Sifat-sifat pada bahan komposit pada umumnya pemilihan bahan matriks dan serat memainkan peranan penting dalam menentukan sifat-sifat mekanik dan sifat komposit. Gabungan matriks dan serta dapat menghasilkan komposit yang mempunyai kekuatan dan kekakuan yang lebih tinggi dari bahan konvensional seperti keluli. Bahan komposit mempunyai density yang jauh lebih rendah berbanding dengan bahan konvensional. Ini memberikan implikasi yang penting dalam konteks penggunaan karena komposit akan mempunyai kekuatan dan kekakuan spesifik yang lebih tinggi dari bahan konvensional. Implikasi kedua ialah produk komposit yang dihasilkan akan mempunyai kerut yang lebih rendah dari logam. Pengurangan berat adalah satu aspek yang penting dalam industri pembuatan seperti automobile dan angkasa lepas. Ini karena berhubungan dengan penghematan bahan bakar. Dalam industri angkasa lepas terdapat kecendrungan untuk menggantikan komponen yang diperbuat dari logam dengan komposit karena telah terbukti komposit mempunyai rintangan terhadap bahan yang baik terutamanya komposit yang menggunakan serat karbon. Kelemahan logam yang agak terlihat jelas ialah rintangan terhadap kakisan yang lemah terutama produk yang kebutuhan sehari-hari. Kecendrungan komponen logam untuk mengalami kakisan menyebabkan biaya pembuatan yang tinggi. Bahan komposit juga mempunyai kelebihan dari segi versatility (berdaya guna) yaitu produk yang mempunyai gabungan sifat-sifat yang menarik yang dapat dihasilkan dengan mengubah sesuai jenis matriks dan serat yang digunakan. Contoh dengan menggabungkan lebih dari satu serat dengan matriks untuk menghasilkan komposit hibrid.

2.2 Serat Serat (fiber) adalah suatu jenis bahan berupa potongan-potongan komponen yang membentuk jaringan memanjang yang utuh. Contoh serat yang 11 Universitas Sumatera Utara

paling sering dijumpai adalah serat pada kain. Material ini sangat penting dalam ilmu Biologi baik hewan maupun tumbuhan sebagai pengikat dalam tubuh. Manusia menggunakan serat dalam banyak hal untuk membuat tali, kain, atau kertas. Serat dapat digolongkan menjadi dua jenis yaitu serat alami dan serat sintetis (serat buatan manusia). Serat sintetis dapat diproduksi secara murah dalam jumlah yang besar. Adapun jenis-jenis dari serat alami yaitu: a. Serat kaca b. Serat bambu c. Serat rock wool

2.2.1 Serat Rock Wool Rock wool adalah suatu bahan insulation jenis isolasi termal dan akustik. Terbuat dari bahan tambang fiber ringan dengan inti berupa batu alam yang dipadukan dengan damar panas. Namun, sifat dari rock wool dapat secara substansial diubah dengan menyesuaikan kandungan mineral. Pada awal 1960-an ditemukan bahwa setelah beberapa modifikasi proses rock wool manufaktur akan mendukung dan dibawah praktik penanganan yang tepat, meningkatkan pertumbuhan tanaman. Hal ini diproduksi khusus hortikultura Rock wool adalah yang terutama dijual sebagai substrat hidroponik. (Mulai sekarang istilah "Rock wool" khusus akan mengacu pada kelas produk hortikultura).

2.2.2 Proses Manufaktur Pada Serat Rock Wool Rock wool diproduksi dengan melelehkan batuan basaltik dan berputar mencair menjadi serat. Segera setelah berputar, pengikat ditambahkan ke serat dan mereka dikompresi dan sembuh dalam lempengan besar. Dengan menyesuaikan jumlah tekanan, kepadatan media disesuaikan. Lembaran besar dapat dipotong menjadi lembaran kecil dan blok propagasi untuk penanganan mudah. Serat berputar juga dibentuk menjadi butiran (berbondong-bondong) produk yang dapat ditangani dengan cara yang mirip dengan bal gambut.


Semua rock wool tidak sama. Yang terbaik yang dihasilkan dari murni batuan basaltik . Para rock wool dihasilkan dari diabas memiliki keseimbangan mineral yang inert dan tidak reaktif. Beberapa rock wool yang dihasilkan dari terak yang tersisa dari operasi peleburan. Ini rock wool mengandung proporsi yang tinggi dari logam dan mungkin agak reaktif dengan larutan nutrisi. Rock wool berkualitas tinggi harus memiliki diameter seragam serat, pemerataan pengikat dan rendahnya proporsi shot (pelet mineral yang belum dipintal menjadi serat Kualitas yang paling penting kelas rock wool tinggi harus miliki adalah pembasahan seragam. Rock wool harus basah dengan mudah tetapi tidak tetap direndam air. Drainase yang baik adalah penting. Karakteristik membasahi rock wool bervariasi. Serat rock wool secara alami hidrofobik (mereka menolak air) karena kehadiran minyak mineral. Dalam rock wool kualitas tertinggi minyak mineral dikeluarkan selama proses manufaktur dan agen pembasahan mineral yang tergabung dalam mencair. Bentuk hortikultura kelas rock wool alami menarik air dan membasahi dengan mudah. Sementara ini adalah proses kualitas tertinggi kualitas yang sebenarnya dari rock wool akan tergantung pada perawatan yang diambil di bidang manufaktur.

2.2.3 Manfaat dan Ukuran Jenis Rock Wool Fungsi umum dari rock wool adalah untuk memberikan isolasi di rumah tinggal atau bangunan komersial. Rock wool juga dapat melindungi pipa, kapal, rumah mobile dan peralatan memasak domestik. Meskipun paling umum dikenal untuk menyediakan isolasi di rumah, orang juga menggunakan rock wool sebagai media tumbuh hortikultura. Adapun manfaat lainnya yaitu : 1. Memiliki daya konduksi termal yang rendah 2. Cocok untuk aneka kebutuhan industri 3. Dapat digunakan pada suhu 100 °C sampai 820 °C 4. Tidak berkarat/berjamur 5. Kedap suara


6. Tidak mudah terbakar Rock wool menyediakan berbagai keuntungan, termasuk tahan api dan kedap suara. Karena serat yang tidak mudah terbakar dan memiliki titik leleh yang ekstrim lebih dari 2.150 °F, isolasi rock wool bertindak sebagai penghalang api. Karakteristik tahan apinya dapat menunda penyebaran api, yang bisa menambahkan menit berharga untuk melarikan diri saat kebakaran. Rock wool juga menolak air, anti membusuk dan jamur, termasuk berbagai jenis pertumbuhan bakteri. Karena menolak air, rock wool tidak akan melemah atau kendur. Isi dari rock wool padat, sehingga mengurangi aliran udara dan transmisi gelombang suara. Pada rock wool juga terdapat ukuran dan jenis dapat di lihat pada tabel 2.1. Tabel 2.1 ukuran dan jenis rock wool Type

Plain Blanket

Wire Mesh

Rigid Board

Pipe Section

Density 60 80 100 60 80 100 60 80 100 120 (kg/m3) Mean Temp. Thermal Conductivity: W/m.K (kcal/m.h.°C) °C 0.043 0.042 0.041 0.043 0.042 0.041 0.043 0.042 0.041 0.038 100 °C (0.037) (0.036) (0.035) (0.037) (0.036) (0.035) (0.037) (0.036) (0.035) (0.033) 0.061 0.057 0.057 0.061 0.057 0.057 0.061 0.057 0.057 0.052 200 °C (0.052) (0.049) (0.049) (0.052) (0.049) (0.049) (0.052) (0.049) (0.049) (0.044) 0.087 0.077 0.073 0.087 0.077 0.073 0.087 0.077 0.073 0.070 300 °C (0.075) (0.066) (0.063) (0.075) (0.066) (0.063) (0.075) (0.066) (0.063) (0.060) 0.123 0.099 0.095 0.123 0.099 0.095 0.123 0.099 0.095 0.092 400 °C (0.106) (0.085) (0.082) (0.106) (0.085) (0.082) (0.106) (0.085) (0.082) (0.079) Sumber : Indonetwork.co.id/tradeoffers/Kebutuhan_Industri/ukuran bentuk rock wool.html

2.3 Resin Resin adalah material yang non metalik dan untuk membentuknya dapat dicetak, dicor, dan dapat digunakan sebagai isolasi. Resin merupakan zat organik yang komposisinya terdiri dari kombinasi Hidrogen, Carbon, Oksigen, Nitrogen 14 Universitas Sumatera Utara

dimana bahan mineralnya adalah Coal (Batu Bara), Ptroleum dan Bahan-bahan tanaman.

2.3.1 Klasifikasi Dari Resin Secara umum resin diklasifikasikan menjadi 2 bagian : 1. Thermoplastik Thermoplastik adalah plastik yang dapat dilunakkan berulang kali dengan menggunakan panas. Thermoplastik juga merupakan polimer yang akan menjadi keras apabila didinginkan. Thermoplastik meleleh pada suhu tertentu, melekat mengikuti perubahan suhu dan mempunyai sifat dapat balik kepada sifat aslinya, yaitu kembali mengeras bila didinginkan. Bahan termoplastik yang lazim dipergunakan sebagai matrik komposit adalah sebagai berikut : a.

Acetal

b. Acryronitrile Butadiene Styrene (ABS) c. Nylon d. Polyenthyene (PE) e. Polypropylene (PP) f. Polyethylene Terephthalate (PET) 2. Thermoset Thermoset tidak dapat mengikuti perubahan suhu. Bila sekali pengerasan telah terjadi, maka bahan tidak dapat dilunakkan kembali. Pemanasan yang tinggi tidak akan melunakkan Thermoset melainkan akan membentuk arang dan terurai karena sifatnya yang demikian sering digunakan sebagai tutup ketel, seperti jenisjenis melamin. Plastik jenis Thermoset tidak begitu menarik dalam proses daur ulang karena sulit penanganannya juga volumenya jauh lebih sedikir (sekitar 10%) dari volume jenis Thermoplastik.


Polimer thermoset biasanya memiliki daya tahan terhadap temperature pencetakannya lebih tinggi dari pada thermoplastik. Bahan termoset yang lazim dipergunakan sebagai matrik komposit adalah sebagai berikut : a. Polyester b. Vinyl Resin c. Epoxy d. Phenolic e. Polyurethane

2.3.2 Resin Polyester Resin polyester berupa resin cair dengan viskositas yang relatif rendah, mengeras pada suhu kamar dengan penggunaan katalis tanpa menghasilkan gas sewaktu pengesetan seperti banyak resin thermoset lainnya. Resin ini banyak dijual ditoko-toko kimia sehingga memungkinkan untuk mudah didapat, juga rasio harganya yang rendah dapat dipertimbangkan dalam pemilihan bahan material komposit. Resin polyester dapat didefinisikan sebagai suatu molekulmolekul zat yang mengandung lebih dari satu digolongkan kedalam polyester yang termasuk proses internal, proses terminal atau pada suatu siklus struktur yang mampu diubah bentuk aplikasi thermoset. Istilah-istilah ini digunakan untuk mengindikasikan resin berada diantara golongan thermoset resin cair dengan viskositas relatif rendah, mengeras pada suhu kamar dengan penggunaan katalis tanpa menghasilkan gas sewaktu pengesetan yaitu tidak perlu diberi tekanan pada saat pencetakan. Pada resin polyester terdapat spesifikasi dapat dilihat pada tabel 2.2.


Tabel 2.2 spesifikasi resin polyester Item

Satuan

Nilai Tipikal

Catatan

Berat jenis

-

1.215

25 oC

Kekerasan

-

40

-

Suhu distorsi panas

o

70

-

Penyerapan air

%

0.188

24 jam

(suhu ruang)

%

0.466

7 hari

Kekuatan fleksural

Kg/mm2

9.4

-

Modulus fleksural

Kg/mm2

300

-

Daya rentang

Kg/mm2

5.5

-

Modulus rentang

Kg/mm2

300

-

Elongasi

%

2.1

-

C

Sumber : Tata Surdia, pengetahuan bahan teknik, Jakarta : Pradnya paramita, 2000.

2.3.3 Sifat-Sifat Resin Polyester Penyerapan energi plastik yang diperkuat dengan serat kimia (uji benturan, pelentukan, dan tarik) Investigasi atas persyaratan praktis untuk mengukur penyerapan energi dari bahan-bahan gabungan (komposit), dan pengembangan metode yang cocok untuk melaksanakan pengukuran tersebut. Sejumlah metode uji dinamis untuk mengukur penyerapan energi dari berbagai lapisan, termasuk uji benturan pelentukan, uji benturan berulang-ulang, uji benturan tarikan, dan uji tumbukan pembengkokan. Didiskusikan pula ujian benturan pada lempengan berlapis. Penekanan khusus ditempatkan pada studi pada berbagai komposit yang diperkuat dengan sebuah serat kimia. Tak dapat dipungkiri bahwa ada hubungan antara penyerapan energi statis yang semu dari berbagai serat dan penyerapan energi dinamisnya komposit. Komposit berpolyester komersial dan serat poliamida memiliki penyerapan energi yang tertinggi, dimana piranti pengujian memiliki efek yang signifikan. Adapun sifat mekanik dari polyester yaitu:


1. Didalam sifat termalnya, resin polyester memiliki suhu deformasi termal lebih rendah dari pada resin termoset lainnya. 2. Matriks tersebut dapat menghasilkan keserasian matriks penguat dengan mengontrol faktor jenis dan jumlah komponen, katalis, waktu dan suhu. 3. Memiliki sifat listirik yang cukup baik diantara resin termoset lainnya. 4. Mengenai ketahanan kimia, kuat terhadap asam tetapi lemah terhadap alkali dan bahan ini mudah mengembang dalam pelarut yang melarutkan polimer stiren. 5. Kemampuan terhadap cuaca sangat baik, tahan terhadap kelembapan dan sinar Ultra Violet bila dibiarkan diluar.

2.4 Metode Hand Lay Up Metode Hand lay up yang disebut juga dengan way lay up merupakan sebuah metode pembuatan komposit yaitu dengan mengisiskan resin kedalam cetakan dengan tangan keserat didalam suatu wadah. Dalam metode ini serat bisa disusun, dianyam, atau diikat. Biasanya untuk meratakan permukaan dari resin digunakan roller atau kuas. Perataan atau penekanan ini dilakukan agar antara resin dan serat benar-benar menyatu dengan baik. Hand lay up adalah metode yang paling sederhana dan merupakan proses dengan metode terbuka dari proses fabrikasi komposit. Adapun proses dari pembuatan dengan metoda ini adalah dengan cara menuangkan resin dengan tangan kedalam serat berbentuk anyaman, rajuan atau kain, kemudian memberi takanan sekaligus meratakannya menggunakan rol atau kuas. Proses tersebut dilakukan berulang-ulang hingga ketebalan yang diinginkan tercapai. Pada proses ini resin langsung berkontak dengan udara dan biasanya proses pencetakan dilakukan pada temperatur kamar. Proses manufaktur bahan komposit dengan metrode hand lay up merupakan metode yang paling sederhana diantara metode-metode manufaktur bahan komposit yang lain. Dikatakan sederhana karena tekniknya sangat mudah 18 Universitas Sumatera Utara

diaplikasikan yaitu cairan resin dioleskan diatas sebuah cetakan dan kemudian serat layer pertama diletakkan diatasnya, kemudian dengan menggunakan roller/kuas resin kembali diratakan. Langkah ini dilakukan terus menerus hingga didapatkan ketebalan spesimen yang diinginkan. Pada proses metode hand lay up dapat dilihat pada gambar 2.5.

Gambar 2.5 proses hand lay up

Kelebihan penggunaan metode proses hand lay up ini adalah : 1. Mudah dilakukan 2. Cocok di gunakan untuk komponen yang besar 3. Volumenya rendah 2.5 Desain Struktur pada Pesawat Tanpa Awak Dalam perancangan pesawat tanpa awak ini, material yang digunakan adalah material komposit yang diperkuat dengan polyester dan serat rock wool dengan metode hand lay up, dengan tebal 5 mm. Proses pembuatan dilakukan dengan menggunakan metode hand lay up, dimana proses metode hand lay up menggunakan roller/kuas resin dengan meratakan campuran resin dan serat rock wool ditambah dengan sedikit cairan katalis sebagai pengerasnya. Adanya spesifikasi data khusus hasil design. Pada desain stuktur pada pesawat tanpa awak diperoleh spesifikasi data khusus hasil desain dapat dilihat pada tabel 2.3.


Tabel 2.3 spesifikasi data khusus hasil desain No

Spesifikasi

Karakteristik

1

Aifoil

NACA 2412

2

Jenis Wing

Straight Wing

3

Panjang Fuselage

2027 mm

4

Lebar

202 mm

5

Motor penggerak

Motor elektrik

6

Putaran Propeler

3000 rpm

7

Jumlah Blade

2 buah

8

Diameter Propeler

300 mm

9

Material Bahan

Komposit

10

Berat body

10000 gr

Adapun komponen-komponen pesawat tanpa awak adalah badan pesawat, sayap pesawat, glider, ekor pesawat dan landing gear. Pada pembahasan ini hanya membahas badan pesawat (fuselage) pada pesawat tanpa awak dengan melihat detail proses metode hand lay up, melakukan simulasi untuk mencari nilai tegangan regangan dan menghitung titik berat pada badan pesawat tanpa awak. 2.5.1 Badan Pesawat ( Fuselage ) Fuselage merupakan salah satu struktur utama pesawat yang terhubung dengan sayap, ekor, dan landing gear. Struktur fuselage berfungsi mentransfer beban dari struktur sayap, ekor, dan landing gear. Struktur fuselage ini harus mampu menahan beban seperti berikut tanpa mengalami kegagalan struktur maupun masalah fatigue: a. Beban dari ekor akibat trim, maneuvering, turbulence, dan gust, b. Beban landing gear akibat impact saat mendarat, beban saat taxi, dan ground maneuvering, c. Beban akibat payload didalam fuselage.


Struktur fuselage harus dibuat cukup kaku dan kuat untuk menahan segala pembebanan yang akan terjadi selama pesawat ini beroperasi. Hal ini berfungsi untuk menghindari terjadinya defleksi dan vibrasi pada saat operasionalnya. Akan tetapi, struktur fuselage ini harus dibuat tetap seringan mungkin. Dalam merancang badan pesawat ini, aerodinamis badan pesawat adalah hal yang paling penting. Tipe dan koefisien badan pesawat dapat dilihat pada gambar 2.6 sebagai acuan. Badan pesawat yang digunakan adalah tipe 8 dengan koefisien drag (Cd)0,458, dimana Cd yang akan digunakan untuk menghitung gaya hambat yang dialami pesawat tanpa awak. Pada badan pesawat terdapat tipe dan koefisien badan pesawat dapat dilihat pada gambar 2.6.

Cd=0,458

Sumber : lennon Andy ,2006. Aircraft Design

Gambar 2.6 tipe dan koefisien badan pesawat

Berikut adalah gambar badan pesawat tanpa awak dapat dilihat pada gambar 2.7.


Gambar 2.7 Badan pesawat tanpa awak

Berikut adalah gambar teknik tiap pandangan badan pesawat tanpa awak : a. Pandangan depan badan pesawat tanpa awak dapat dilihat pada gambar 2.8.

Gambar 2.8 Pandangan depan badan pesawat tanpa awak


b. Pandangan samping badan pesawat tanpa awak dapat dilihat pada gambar 2.9.

Gambar 2.9 Pandangan Samping badan pesawat tanpa awak

c. Pandangan belakang badan pesawat tanpa awak dapat dilihat pada gambar 2.10.


Gambar 2.10 Pandangan belakang badan pesawat tanpa awak

d. Gambar teknik badan pesawat tanpa awak dapat dilihat pada gambar 2.11.

Gambar 2.11 Gambar teknik badan pesawat tanpa awak

2.5.2 Assembling Pesawat Tanpa Awak Assembling merupakan bagian utuh dari suatu benda, dimana dalam hal ini adalah pesawat (fuselage) tanpa awak (Unmanned Aerial Vehicle). Berikut adalah gambar assembling dari pesawat yang dilengkapi dengan pandangan tiap sisi dari pesawat (fuselage) tanpa awak (Unmanned Aerial Vehicle). Berikut adalah gambar assembling pesawat tanpa awak dapat dilihat pada gambar 2.12.


Gambar 2.12 Assembling pesawat tanpa awak

2.6 Analisis Kekuatan Bahan Komposit 2.6.1 Teori Tegangan untuk Komposit Intensitas gaya (gaya persatuan luas) disebut tegangan (stress). Dengan menganggap bahwa tegangan terdistribusi secara merata pada seluruh bidang batang penghubung. Gambar 2.13 memperlihatkan suatu elemen tegangan berdimensi tiga, atau tegangan triaksial (triaxial stress), dimana menunjukkan tiga tegangan normal σx, σy dan σz, semuanya positif; dan enam tegangan geser τxy, τxz, τyx, τyz, τzx, τzy, juga semuanya positif.

Gambar 2.13 elemen tegangan tiga dimensi


Elemen tersebut berada dalam kesetimbangan statis, sehingga tegangan normal yang arahnya keluar, adalah tegangan tarik yang dinyatakan positif. Orientasi elemen tegangan terjadi dalam ruang dimana semua komponen tegangan geser berharga nol. Bila elemen mempunyai orientasi khusus seperti ini, maka garis normal terhadap setiap permukaan merupakan arah utamanya. Tegangan normal yang terjadi merupakan tegangan utama atau tegangan prinsipal (principal stress) yaitu σ1, σ2, σ3. Dengan prinsip kesetimbangan gaya pada masing-masing arah utama, maka diperoleh persamaan pangkat tiga, yaitu: σ3-(σx + σy +σz) σ2+(σx σy + σx σz + σy σz - τ2xy - τ2yz - τ2zx ) σ - (σx σy σz + 2τxzx - σ x2yz - σ y2zx - σ z2xy) = 0

(2.1)

Gambar 2.14 memperlihatkan diagram lingkaran Mohr untuk kasus beban triaksial yang terjadi untuk kondisi σ1 > σ2 > σ3. Berdasarkan teori ini tegangan geser maksimum adalah:

τ max =

σ1 − σ 3 2

(2.2)

Regangan yang terjadi memenuhi persamaan: (2.3) Dimana : L

= Panjang awal sebelum pembebanan.

δ

= Pertambahan panjang setelah pembebanan


Gambar 2.14 lingkaran mohr untuk kasus beban triaksial

Pertambahan panjang persatuan disebut regangan (ε), ditunjukan oleh karena regangan normal (ε) adalah perbandingan antara dua ukuran panjang, merupakan besaran yang berdimensi (dimenssion less quantity) tidak memilki satuan. Dalam pembahasan regangan pada sebuah titik, yang penting diperhatikan adalah pergeseran (displacement) relatif dari titik-titik yang berdekatan. Pertambahan panjang yang terjadi pada suatu elemen diilustrasikan pada Gambar 2.15.

Gambar 2.15 komponen-komponen regangan xy dalam bidang xy

Pada bidang xy dapat terjadi ketiga komponen regangan, yaitu: regangan normal εx dalam arah x, regangan normal εy dalam arah y, dan regangan geser γxy. Sebuah elemen bahan yang hanya dikenai regangan-regangan ini dikatakan berada dalam regangan bidang (plane strain). Dari sini diperoleh bahwa elemen yang mengalami regangan bidang tidak memiliki regangan normal εz dan regangan geser γxz dan γyz berturut-turut dalam bidang xz dan yz. Jadi, regangan bidang didefinisikan dengan rumus sebagai berikut: εz = 0 xz = 0 yz = 0

(2.4)

Regangan-regangan yang sisa (εx, εy, dan γxy) dapat memiliki hargaharga yang tidak nol.


2.6.2 Teori Regangan Normal Maksimum Teori regangan maksimum disebut juga dengan teori Saint Venant aplikasinya hanya digunakan dalam selang elastis pada tegangan. Teori ini menyatakan keluluhan akan terjadi ketika regangan terbesar dari tegangan utama menjadi sama dengan regangan yang berhubungan dengan kekuatan luluh. Jika diasumsikan kekuatan luluh dalam tarikan dan tekanan adalah sama, maka regangan pada tegangan dapat disamakan dengan regangan yang berhubungan dengan kekuatan luluh. Kondisi luluh dapat dirumuskan sebagai berikut:

(2.5) Jika salah satu dari tiga tegangan-tegangan utama adalah nol dan dua tegangan yang bekerja adalah Aσ dan Bσ maka untuk tegangan beraksial kriteria luluh dapat dituliskan sebagai berikut.

(2.6)

2.6.3 Teori Tegangan Geser Maksimum Teori ini mengatakan bahwa kegagalan yang dimulai ketika tegangan geser maksimum pada setiap elemen menjadi sama dengan tegangan geser dalam uji tarik spesimen tersebut mulai luluh. Jika ditentukan tegangan-tegangan utama seperti, σ1> σ2 > σ3 maka dari teori tegangan geser maksimum menduga senantiasa keluluhan akan terjadi pada persamaan. τmax ½ ≥ σy atau σ1 - σ3 ≥ σy

(2.7)


2.6.4 Teori Pusat Gravitasi Dan Pusat Massa Untuk Sistem Partikel Pusat gravitasi (g) adalah titik pusat yang menempatkan berat yang dihasilkan dari suatu sistem partikel. Untuk menunjukkan bagaimana menentukan titik ini dengan mempertimbangkan sistem n partikel tetap dalam suatu wilayah ruang seperti ditunjukkan pada Gambar 2.16. Bobot partikel terdiri dari sistem kekuatan paralel yang dapat diganti dengan (setara) berat resultan tunggal memiliki titik didefinisikan g dari aplikasi. Untuk menemukan koordinat x, y, z dari g, kita harus melihat prinsip yang diuraikan.

Gambar 2.16 menentukan titik partikel tetap dalam suatu ruang

Hal ini membutuhkan bahwa berat yang dihasilkan sama dengan berat total semua partikel n dapat dirumuskan sebagai berikut:

(2.8) Jumlah momen bobot semua partikel tentang sumbu x, sumbu y, dan sumbu z, kemudian sama dengan saat berat resultan tentang sumbu ini. Dengan demikian, untuk menentukan koordinat g. kita dapat menyimpulkan jumlah momen sumbu y. hasil ini dapat dilihat pada rumus.

(2.9)


Demikian juga, untuk menjumlahkan momen terhadap sumbu x, kita dapat memperoleh koordinat y. (2.10) Meskipun bobot tidak menghasilkan sejenak tentang sumbu z, kita dapat memperoleh sumbu z pada koordinat g dengan membayangkan sistem koordinat. Dengan partikel tetap di dalamnya, seperti yang diputar 90º tentang x (atau sumbu y), Gambar 2.16 Menjumlahkan momen terhadap sumbu x, kita memiliki rumus. (2.11) Kita bisa menggeneralisasi formula ini, dan menulis semua secara simbolis dalam bentuk rumus berikut.

(2.12) x, y, z mewakili koordinat pusat gravitasi g dari sistem partikel. x, y, z mewakili koordinat dari setiap partikel dalam sistem. ∑W adalah jumlah yang dihasilkan dari bobot semua partikel dalam sistem. Persamaan-persamaan ini mudah diingat jika diingat bahwa mereka hanya mewakili keseimbangan antara jumlah dari momen bobot masing-masing partikel dari sistem dan saat berat yang dihasilkan untuk sistem. Untuk mempelajari masalah pusat massa tentang gerak materi di bawah pengaruh kekuatan, dinamika, perlu untuk menemukan titik yang disebut pusat massa. Asalkan percepatan gravitasi g untuk setiap partikel adalah konstan, maka W = mg. Mengganti ke Persamaan 2.12 dan membatalkan g baik dari pembilang dan hasil penyebut.


(2.13) Sebagai perbandingan, saat itu lokasi pusat gravitasi bertepatan dengan pusat massa. Ingat, bagaimanapun bahwa partikel memiliki "berat" hanya ketika di bawah pengaruh daya tarik gravitasi, sedangkan pusat massa tidak bergantung pada gravitasi. Sebagai contoh, itu akan menjadi tidak berarti untuk menentukan pusat gravitasi dari suatu sistem partikel yang mewakili planet tata surya kita, sementara pusat massa dari sistem ini adalah penting. 2.6.5 Titik Berat, Pusat Massa dan Centeroid Untuk Tubuh Pusat gravitasi tubuh kaku terdiri dari jumlah tak terbatas partikel, dan jadi jika prinsip-prinsip yang digunakan untuk menentukan Persamaan 2.16 diterapkan pada sistem partikel menyusun tubuh kaku, menjadi perlu untuk menggunakan integrasi dari pada penjumlahan istilah diskrit. Mengingat partikel sewenangwenang yang terletak di (x, y, z) dan memiliki berat dW. Gambar 2.17, dihasilkan persamaan.

(2.14) Dalam rangka menerapkan persamaan ini dengan benar, berat differensial dW harus dinyatakan dalam volume yang terkait dV nya. Jika y mewakili berat tertentu dari tubuh. Diukur sebagai berat per satuan volume, maka dW = γ dV dan karena itu.

(2.15) Berikut integrasi harus dilakukan sepanjang seluruh volume tubuh.


Pusat massa. Kepadatan p, atau massa per satuan volume. berkaitan dengan γ dengan persamaan γ = pg. di mana g adalah percepatan gravitasi. Mengganti hubungan ini ke persamaan 2.15 dan membatalkan g baik dari pembilang dan penyebut menghasilkan persamaan yang sama (dengan p menggantikan γ) yang dapat digunakan untuk menentukan pusat massa tubuh.

Gambar 2.17 menentukan pusat massa tubuh

Centroid (C) adalah titik yang mendefinisikan pusat geometris dari suatu objek. Lokasinya dapat ditentukan dari rumus yang sama dengan yang digunakan untuk menentukan pusat gravitasi tubuh atau pusat massa. Secara khusus, jika bahan menyusun tubuh seragam atau homogen, kepadatan atau berat tertentu akan konstan di seluruh tubuh, dan karena istilah ini akan faktor dari integral dan membatalkan baik dari pembilang dan penyebut dari Persamaan 2.15. Rumus yang dihasilkan menentukan pusat massa tubuh karena mereka adalah independen dari berat tubuh dan bukan hanya bergantung pada geometri tubuh. Tiga kasuskasus tertentu akan dipertimbangkan.


Gambar 2.18 lokasi pusat massa

Jika suatu benda dibagi menjadi elemen Volume dV. Gambar 2.18 lokasi pusat massa C (x, y, z) untuk volume objek dapat ditentukan dengan menghitung "momen" dari unsur-unsur tentang masing-masing sumbu koordinat. Rumus yang dihasilkan.

(2.16) Dengan cara yang sama, pusat massa untuk daerah permukaan suatu benda, seperti plale atau shell, Gambar 2.19, dapat ditemukan dengan membagi wilayah tersebut menjadi elemen differensial dA dan menghitung "momen" elemen daerah ini tentang masing-masing sumbu koordinat, yaitu.

(2.17)

Gambar 2.19 daerah pusat massa

Jika geometri objek, seperti batang tipis atau kawat, mengambil bentuk garis, Gambar 2.19. yang momen seimbang elemen differensial dL tentang masing-masing sumbu koordinat hasil.


(2.18)

Gambar 2.20 garis pusat massa

2.6.6 Simulasi Numerik dengan Ansys 14.0 Untuk menyelesaikan permasalahan numerik digunakan alat bantu software Ansys. Program Ansys ini dikembangkan di Amerika Serikat oleh National Aeronautics and Space Administration (NASA). Perangkat Schwendler Corporation adalah program analisa elemen hingga untuk analisa tegangan (stress), getaran (vibration), dan perpindahan panas (heat transfer) dari struktur dan komponen mekanika. Dengan Ansys, kita dapat mengimport geometri CAD (Computer Aided Design) atau dengan membuat geometri sendiri dengan Ansys. Metode elemen hingga merupakan metode yang digunakan oleh para engineer untuk menyelesaikan permasalahan teknik dan problem matematis yang dihadapinya. Adapun permasalahan teknik dan masalah matematis yang dapat diselesaikan dengan menggunakan metode elemen hingga dapat dibagi dalam dua kelompok, yaitu masalah analisa struktur dan non struktur. Permasalahan dalam bidang stuktur meliputi analisa tegangan, buckling, dan analisa getaran. Sedangkan dalam bidang non struktur meliputi masalah perpindahan panas, mekanika fluida, dan distribusi potensial listrik dan magnet. Dalam persoalan-persoalan yang menyangkut geometri yang rumit, seperti persoalan pembebanan terhadap struktur yang komplek, pada umumnya sulit dipecahkan melalui analisa matematika. Hal ini disebabkan karena analisa 34 Universitas Sumatera Utara

matematika memerlukan besaran atau harga yang harus diketahui pada setiap titik pada struktur yang dikaji. Penyelesaian analisis dari suatu persamaan differensial suatu geometri yang komplek, pembebanan yang rumit, tidaklah mudah diperoleh. Formulasi dari metode elemen hingga dapat digunakan untuk mengatasi permasalahan ini. Metode ini akan mengadakan pendekatan terhadap harga-harga yang tidak diketahui setiap titik secara diskrit. Mulai dengan pemodelan dari suatu benda dengan membagi-bagi dalam bagian yang kecil yang secara keseluruhan masih mempunyai sifat yang sama dengan benda yang utuh sebelum terbagi dalam bagian yang kecil (diskrisasi). Analisa

tegangan

dapat

memecahkan

beberapa

kasus

banyak

menggunakan pendekatan prosedur dua dimensi. Prosedur dua dimensi digunakan karena praktis lebih mendekati, dan modelnya lebih sederhana. Pada kasus yang sebenarnya analisa tiga dimensi yang banyak digunakan karena analisa tegangan tiga dimensi mendekati masalah yang sebenarnya. 2.6.7 Metode Meshing (Ansys Meshing) Meshing merupakan bagian integral dari proses simulasi rekayasa dibantu komputer. Mesh mempengaruhi akurasi, dan kecepatan konvergensi dari solusi. Selain itu, waktu yang dibutuhkan untuk membuat dan mesh model sering porsi yang signifikan dari waktu yang dibutuhkan untuk mendapatkan hasil dari solusi. Dari mudah, meshing otomatis ke mesh sangat dibuat, Ansys menyediakan solusi akhir. Setelah desain terbaik ditemukan, meshing teknologi dari Ansys menyediakan fleksibilitas untuk menghasilkan jerat yang berkisar dalam kompleksitas dari hex murni untuk hibrida yang sangat rinci, pengguna dapat menempatkan mesh yang tepat di tempat yang tepat dan memastikan bahwa simulasi akurat akan memvalidasi model fisik. Elemen bentuk meshing yaitu: 1. Berbentuk segi empat


2. Berbentuk segi tiga 3. Berbentuk segi enam 4. Tetrahedral

Adapun jenis penggunaan dari metode meshing yaitu: 1. Automatic Metode Meshing, Jika Anda memilih metode kontrol otomatis, tubuh akan menyapu jika memungkinkan. Jika tidak, Tetrahedrons (patch Penurut) digunakan. Global option Elemen Midside Nodes memungkinkan Anda untuk mengontrol apakah jerat harus dibuat dengan node midside (unsur kuadrat / urutan kedua) atau tanpa node midside (elemen linier / urutan pertama). Mengurangi jumlah node midside mengurangi jumlah derajat kebebasan. Pilihan untuk global opsi Elemen Midside Nodes meliputi Program Controlled, Turun, dan Kept. Opsi Turun menghapus node midside pada semua elemen. Contoh di bawah ini merupakan untuk benda padat.

Disimpan opsi mempertahankan node midside pada elemen dibuat dalam bagian atau badan. Semua elemen akan memiliki node midside.


2. Tetrahedrod / Hybrid Meshing Method, dimana semua jala tetrahedral dibuat. Pengaturan algoritma ditampilkan memungkinkan untuk memilih bagaimana mesh tetrahedral dibuat berdasarkan pilihan 3. Hex dominan Meshing Method, dimana hex jala dominan bebas dibuat. Pilihan ini direkomendasikan bagi tubuh yang tidak dapat menyapu. 4. Sapu Meshing Metode, mesh menyapu dipaksa pada "sweepable" tubuh (termasuk sumbu-sweepable tubuh, yang tidak ditampilkan saat menggunakan acara tubuh sweepable fitur). Mesher akan gagal jika mesh menyapu tidak dapat dihasilkan pada tubuh dengan kontrol metode sapuan. 5. Multizona Meshing Metode, berdasarkan pendekatan. Secara otomatis menghasilkan mesh hexahedral murni di mana mungkin dan kemudian mengisi lebih sulit untuk menangkap daerah dengan jala terstruktur. Metode jala multizona dan metode Sweep jala beroperasi sama. Namun, multizona memiliki kemampuan yang membuatnya lebih cocok untuk kelas masalah yang metode Sweep tidak akan bekerja tanpa dekomposisi geometri luas.


TINJAUAN PUSTAKA. Universitas Sumatera Utara

Recommend Documents