Simulasi Kegagalan Bemper Mobil Berbahan Komposit Diperkuat Serat Alam artikel
SIMULASI KEGAGALAN BEMPER MOBIL BERBAHAN KOMPOSIT
DIPERKUAT SERAT ALAM
Ellyawan Setyo Arbintarso1), Muslim2) Fajar Muttaqin2)
1
FTI, IST AKPRIND
email: ellyawan@akprind.ac.id
2
FTI, IST AKPRIND
Abstract
Bumper car made of Natural Fiber Reinforced Composite (NFRC) is very possible to be
produced with the advantage of easy to get, and cheap. Simulations have been conducted and
showed an increased impact speed in line with increased displacement, strain and stress that occur
on the surface of the bumper. The bumper can withstand collisions at a rate of less than 70 km/h.
Keywords: Bemper, Static Test, Drop Test, NFRC
1. PENDAHULUAN
Sejalan dengan gencarnya penggunaan
green technology, penelitian sifat-sifat
mekanis terhadap komposit berpenguat serat
alam kembali menjadi fokus para peneliti dan
pengembang bahan alternatif. Pada umumnya
komposit diperkuat dengan fiberglass/serat
kaca, yang relatif mahal dan berbahaya bagi
lingkungan. Ada sejumlah keuntungan
menggunakan serat alam ini, di antaranya
adalah: a) serat alami akan membuat sebagian
materi menjadi biodegradable (mampu
diuraikan oleh bakteri/mikro organisme); b)
serat alami, salah satunya serat nanas
mempunyai biaya produksi yang rendah,
massa jenis rendah dan konsumsi energi yang
rendah.
Menurut Mokhtar, dkk. (2007) di tengah
ilmu material yang terus berkembang pesat,
serat alami tampaknya menjadi bahan luar
biasa yang bisa digunakan sebagai pengganti
yang layak dari serat sintetis serta jumlahnya
berlimpah dan murah. Komposit diperkuat
serat alam mempunyai kekuatan tarik spesifik
250-650 MPa dan mencapai 2850 MPa untuk
serat karbon (Westman dkk. (2010)). Namun
serat alam mempunyai keunggulan terutama
harga lebih murah, lebih ringan dan lebih
ramah lingkungan (Joshi dkk. (2004)).
Komposit yang diperkuat serat alam
membentuk kelas baru pada ilmu bahan yang
memiliki potensi yang baik di masa depan
sebagai pengganti bahan berbasis kayu di
berbagai macam aplikasi. Namun, ketahanan
dalam penyerapan air yang kurang baik
membuat
penggunaan
komposit yang
diperkuat serat alami kurang menarik.
Industri otomotif, penerbangan, dan
konstruksi merupakan segmen konsumen
terbesar dari komposit serat alam. Serat
seperti hemp, flax, dan kenaf merupakan jenis
serat pilihan yang digunakan pada industri
otomotif sedangkan komposit dari kayu
banyak digunakan pada bidang konstruksi.
Bemper mobil pada umumnya terbuat
dari logam ringan seperti paduan aluminium
atau baja plat tipis, seiring perkembangan
teknologi selanjutnya terbuat dari komposit
berpenguat serat (pada umumnya serat
sintetis). Namun, dalam beberapa tahun
terakhir harga bahan aluminium dan plastik
terus meningkat untuk itulah perlu adanya
bahan pengganti yang mempunyai kelebihan
dari bahan sebelumnya dan mempunyai harga
yang lebih murah. Serat alami dipilih karena
mempuyai kelebihan dengan harga yang lebih
murah dan biodegradable. Tetapi apakah
bemper mobil yang terbuat dari bahan serat
alami sudah memenuhi syarat?
Komposit diperkuat serat alam selain
mempunyai keunggulan murah, ringan dan
ramah
lingkungan
juga
mempunyai
kelemahan dimana kekuatan tarik spesifik dan
beratnya tergantung dari jenis serat, jenis
anyaman, dan proses penyiapan serat alam
tersebut. Arbintarso (2015) mengemukakan
serat daun nanas mempunyai sifat-sifat
mekanis tertinggi dibanding dengan serat
serabut kelapa dan serat rosela. Untuk itu
dipilih serat daun nanas sebagai serat penguat
komposit yang digunakan sebagai bemper
mobil. Untuk itu perlu dilakukan suatu
simulasi kegagalan bemper mobil berbahan
komposit diperkuat serat alam.
Serat alam yang digunakan meliputi serat
daun nanas (Ananas Comosus L), dan resin
yang digunakan jenis phenol formaldehida.
Adapun dimensi bumper mobil yang akan
didesain adalah, panjang 169.4 cm, lebar 10
cm, dan tinggi 16.4 cm. Penelitian
terbatas
pada simulasi static test dan drop test pada
desain bemper mobil terbuat dari bahan
komposit berpenguat serat daun nanas dengan
menggunakan software Solidworks 2014.
Untuk mengetahui kemampuan maksimal
dari bemper mobil yang menggunakan bahan
komposit serat alam dengan melalui proses
simulasi stress analysis dengan software
Solidworks 2014 dan juga untuk mengetahui
pendistribusian beban yang terjadi pada
bemper mobil serta memprediksi letak critical
point pada desain bemper tersebut.
Mengembangkan alternatif bahan yang
ringan, murah dan ramah lingkungan pada
umumnya dan pengembangan penggunaan
serat alam (serat daun nanas) untuk keperluan
otomotif pada khususnya.
2. KAJIAN LITERATUR DAN
PEGEMBANGAN HIPOTESIS
Penelitian ini merupakan pengembangan
penelitian sebelumnya (Arbintarso, (2015))
dengan judul “Tinjauan Komposit Diperkuat
Serat Alam Sebagai Bahan Alternatif Untuk
Bodi Mobil Urban Concept” dimana
dibandingkan komposit dengan berbagai jenis
serat alam yaitu serat daun nanas, serat rosela
dan serat sabut kelapa. Serat daun nanas
mempunyai sifat mekanis yang paling baik
dari ketiga jenis serat tersebut.
Pengembangan yang dilakukan pada
penelitian ini adalah pertama untuk
menganalisa kegagalan yang terjadi pada
komposit berpenguat serat daun nanas jika
dipergunakan sebagai bemper mobil. Kedua
untuk mengembangkan simulasi pembebanan
terhadap bemper mobil dengan bahan
komposit berpenguat serat daun nanas
sehingga
dapat
diketahui
titik-titik
kritikalnya.
Komposit adalah suatu jenis bahan
tunggal yang tersusun dari minimal dua unsur
yang menghasilkan sifat yang berbeda
terhadap sifat-sifat unsur penyusunnya. Pada
umumnya komposit terdiri dari matrik
sebagai bahan utama dan suatu jenis
penguatan (reinforcement) yang ditambahkan
untuk meningkatkan kekuatan dan kekakuan
matrik. Bila unsur penguat berupa serat
(fibre) maka komposit tersebut dinamakan
Komposit Diperkuat Serat. Komposit jenis ini
dibagi menjadi 3 kelompok besar yaitu
Carbon Fiber Reinforced Composite (CFRC),
Glass Fiber Reinforced Composite (GFRC)
dan Natural Fiber Reinforced Composite
(NFRC).
Dalam hal ini matrik yang digunakan
adalah dari jenis polimer atau sering disebut
dengan resin. Resin yang sering digunakan
adalah dari jenis termoset yang dibentuk dari
reaksi kimia dimana resin dan pengeras (atau
resin dengan katalis) dicampur dan kemudian
terjadi reaksi kimia yang searah (nonreversibble) membentuk produk yang keras.
Sekali direaksikan, termoset tidak akan
menjadi cairan kembali jika dipanaskan.
Jika sistem resin dikombinasikan dengan
serat penguat akan diperoleh sifat-sifat yang
jauh lebih baik dari pada sifat resin maupun
sifat serat secara terpisah. Matrik resin
menyebarkan beban yang diterima kedalam
setiap individu serat dan juga melindungi
serat dari kerusakan karena abrasi dan
benturan, sedangkan serat akan meningkatkan
kekuatan dan kekakuan matrik. Penggunaan
sistem resin diperkuat serat memudahkan
pencetakan bentuk-bentuk yang rumit, juga
mempunyai ketahanan terhadap lingkungan
korosif dengan berat jenis yang rendah,
sehingga komposit diperkuat serat lebih
unggul terhadap logam dalam banyak aplikasi
teknik.
Secara garis besar ada 3 macam jenis
komposit
berdasarkan
penguat
yang
digunakannya (Kaw, 1997), yaitu:
Fibrous Composites (Komposit Serat)
merupakan jenis komposit yang hanya terdiri
dari satu laminat atau satu lapisan yang
menggunakan penguat berupa serat. Serat ini
bisa disusun secara acak maupun dengan
orientasi tertentu bahkan bisa juga dalam
bentuk yang lebih kompleks seperti anyaman.
Laminated Composites (Komposit Laminat), merupakan jenis komposit yang terdiri
dari dua lapis atau lebih yang digabung
menjadi satu dan setiap lapisnya memiliki
karakteristik sifat sendiri.
Particulate Composites (Komposit Partikel), merupakan komposit yang menggunakan
partikel/serbuk sebagai penguatnya dan
terdistribusi secara merata dalam matriksnya
Kekuatan komposit tidak tergantung dari
interaksi mikroskopik antar molekul seperti
yang biasa terjadi pada material lain.
Kekuatan komposit terdiri dari serat, dan
posisi serat dalam komposit itu sendiri apabila
posisi serat dalam matrik hanya satu arah saja
sesuai dengan arah serat. Akan tetapi
komposit yang berkualitas tinggi adalah yang
bisa melayani gaya dari segala arah, untuk
memenuhi kebutuhan ini hendaknya serat
diusahakan
mengarah
kesegala arah.
Komposit tentu dipengaruhi oleh jenis serat
dan panjangnya serat dan arah serat, dimana
serat-serat itu diorientasikan paralel kepada
arah pengujian untuk menunjukkan sifat
mekanis terbaik.
Selain hal diatas kekuatan dari komposit
sangat ditentukan dari fraksi volume
penyusunnya, yaitu jumlah masing-masing
volume matrik dan serat, yang dirumuskan
(Gibson, 1994):
�� = (�� ���) + �� ��� ............. (1)
�� + �� + �� = 1.................. (2)
Sedang compact density ditentukan
dengan persamaan rule of mixture:
�� = �� ��� + (�� ��� )............. (3)
Dimana :
c = Tegangan tarik komposit
m = Tegangan tarik matrik
m = Fraksi volume matrik
c = Berat jenis komposit
m = Berat jenis matrik
f = Berat jenis fiber
f = Tegangan tarik serat
f = Fraksi volume serat
v = Fraksi volume voids (rongga)
Salah satu faktor penting yang menentukan karakteristik dari komposit adalah
perbandingan matrik dan penguat/serat.
Perbandingan ini dapat ditunjukkan dalam
bentuk fraksi volume serat (Vf) atau fraksi
berat serat (Wf). Namun, formulasi kekuatan
komposit lebih banyak menggunakan fraksi
volume serat. Menurut Roe dan Ansel (1985),
fraksi volume serat dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan berikut:
�� =
[ �� −(
��−��
��
��
)]
................. (4)
Jika selama proses pembuatan komposit
diketahui massa komposit (MC), serat (Mf)
dan matrik (Mm), serta berat serat dan matrik,
maka fraksi volume dan fraksi massa serat
dapat dihitung dengan persamaan Kaw
(1997).
Serat alam utamanya terdiri dari: selulosa
(cellulose), hemiselulosa (hemicellulose),
pektin (pectin) dan liknin (lignin). Prosentase
dari masing masing pembentuk serat alam
tersebut bervariasi tergantung dari jenis
seratnya. Variasi tersebut dipengaruhi oleh
kondisi pertumbuhan dan panenannya.
Selulosa adalah suatu semikristal polisakarid
(polysaccharide) dan merupakan komponen
utama dalam serat alam (Westman, dkk.
(2010)). Serat alam yang berasal bukan dari
kayu didominasi jenis ilalang (30%), bambu
(10%), kelapa (7%), rami (6%) dan jerami
(6%) (Youngquist, dkk. (1994)).
Tanaman nanas (Ananas comosus) selain
menghasilkan buah nanas juga menghasilkan
serat yang berasal dari daunnya. Serat daun
nanas telah banyak digunakan sebagai bahan
baku tekstil dan mempunyai kekuatan tarik
dua kali lebih tinggi dibandingkan serat kaca
(Mujiyono dan Didik, (2009)). Serat daun
nanas adalah salah satu jenis serat alam yang
berasal dari tumbuhan yang diperoleh dari
daun tanaman nanas. Bentuk daun nanas
menyerupai
pedang
yang
meruncing
diujungnya dengan warna hijau kehitaman
dan pada tepi daun terdapat duri yang tajam.
Tergantung dari spesies atau varietas
tanaman, panjang daun nanas berkisar antara
55 sampai 75 cm dengan lebar 3,1 sampai 5,3
cm dan tebal daun antara 0,18 sampai 0,27 cm
(Daulay, dkk. (2014)). Daulay, dkk. (2014)
menyimpulkan bahwa serat daun nanas
sebagai penguat komposit meningkat secara
signifikan, dimana kekuatan bentur maksimal
diperoleh pada variasi ukuran partikel 100
mesh pada rasio matriks dan pengisi 90/10
yaitu sebesar 12,3425 KJ/m2 (~120 MPa/m)
berada di atas kekuatan lentur epoksi murni
yaitu sebesar 9,5061 KJ/m2.
Bemper merupakan bagian paling ujung
depan dan ujung belakang dari sebuah mobil
yang di desain khusus untuk mengurangi
dampak kerusakan pada bagian-bagian mobil
saat terjadi tabrakan serta melindungi
pengendaranya. Bemper depan dan belakang
menjadi sebuah bagian standar pada semua
mobil semenjak tahun 1925. Desain bemper
yang akan dipakai dalam simulasi ini dengan
dimensi panjang 169.4 cm, lebar 10 cm, dan
tinggi 16.4 cm, seperti terlihat pada Gambar
1.
benturan berbentuk anak panah seperti pada
Gambar 2 dan Gambar 3.
Gambar 2. Letak Gaya Benturan Pada
Bagian Depan Bumper.
Gambar 3. Letak Gaya Benturan Pada
Bagian Sisi Kiri Bumper
Gambar 1. Desain 3D Bemper.
Menurut Huston (1987) Gaya (F)
merupakan tarikan atau dorongan. Efek atau
konsekuensi dari gaya tersebut tergantung
pada seberapa keras atau seberapa besar
tarikan atau dorongannya, arah dari
tarikan/dorongan tadi, dan letak posisi gaya
tersebut bekerja. Ketiga efek tadi bisa juga
disebut
dengan
“karakteristik”
yang
mendefinisikan sebuah gaya. Dengan
karakterik-karakteristik tersebut, gaya bisa
disajikan dengan bentuk vektor. Gaya
benturan yang akan diberikan ke bumper
nantinya diletakkan di sisi kanan & kiri
bumper serta bagian depan bumper, arah gaya
3. METODE PENELITIAN
Sebagai dasar awal perlu dilakukan studi
pustaka yang terkait dengan komposit
berpenguat serat daun nanas (khususnya hasil
penelitian sebelumnya tentang sifat mekanis
komposit diperkuat serat daun nanasArbintarso (2015)) dan karakterisasi bemper
mobil. Desain bemper mobil dibuat dengan
referensi dari blueprint mobil Isuzu Elf NKR
55 Microbus.
Tahap kedua desain pengujian dibuat
dengan berbasis simulasi yaitu drop test dan
static test. Kegagalan yang terjadi pada
bemper dianalisa dengan variabel kecepatan
mobil.
Software solidworks 2014 digunakan
untuk menguji kegagalan bemper berdasarkan
konsep drop test dan static test. Pengujian
pembebanan kritis diwujudkan melalui grafis
dengan menggunakan warna yang menyolok
untuk titik-titik kritikal dimana komposit
mengalami kegagalan diatas kemampuan
bahan.
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Proses mendesain bemper ini menggunakan perangkat lunak Solidworks 2014.
Salah satu keunggulan dari Solidworks 2014
adalah Graphic User Interface (GUI) yang
mudah untuk dipelajari, sehingga proses
mendesain menjadi lebih cepat. Bemper
mobil yang didesain mengambil referensi dari
blueprint mobil Isuzu Elf NKR 55 Microbus,
seperti pada Gambar 4.
Tabel 1. Hasil simulasi static test.
Kecepat
an (V)
Gaya
(F)
Regang
an
(max)
(kN)
Perpindahan
(max)
(mm)
Tegang
an
(max)
(MPa)
(km/j)
40
57,11
8,59
0,018
75,10
70
99,94
15,04
0,031
131,42
100
142,78
21,48
0,045
187,74
130
185,61
27,92
0,058
244,06
Sedangkan hasil simulasi drop test, dapat
dilihat pada Tabel 2 berikut:
Tabel 2. Hasil simulasi drop test.
Kec.
Benturan
Gambar 4. Blueprint Mobil Isuzu Elf
NKR 55 Microbus. (Evolution Ltd, 2015)
Dalam simulasi static test, diskenariokan
kendaraan Isuzu Elf NKR 55 Microbus yang
dalam kondisi diam/rest dan di tabrak oleh
kendaraan yang sama persis.
Sedang untuk simulasi drop test, kejadian hampir sama
dengan kasus dari static test, letak perbedaannya pada kasus ini adalah menggunakan satu kendaraan Isuzu Elf NKR 55
Microbus yang melaju dan menabrak tembok
yang kuat dan berat (tidak bergerak ketika
ditabrak).
Penentuan gaya berdasarkan kecepatan
yang terjadi, dengan mengkonversikan nilai
gaya (F = mV/t) baik untuk static dan drop
test, waktu (t) yang diperkirakan terjadi
adalah selama 1 detik, dan hasil simulasi
untuk static test dapat dilihat pada Tabel 1.
Penekanan sifat yang ditinjau adalah
perpindahan (mm), regangan maksimum yang
bakal terjadi, dan tegangan (MPa) maksimum
yang terjadi pada bemper.
(km/j)
Perpindahan
(max)
(mm)
Regangan Tegangan
(max)
(max)
40
6,03
0,007
69,71
70
10,54
0,012
129,09
100
15,10
0,016
189,54
130
19,70
0,021
244,72
(MPa)
Gambar 5. di bawah ini menunjukkan
letak area kritis (daerah yang mempunyai
potensi kerusakan tertinggi saat dikenai gaya)
pada bemper mobil yang ditunjukkan dengan
warna merah dengan nilai tegangan
maximumnya adalah 75,10 MPa untuk
kecepatan 40 km/j.
Gambar 5. Hasil tegangan dengan
pembebanan 57,11 kN.
Letak area kritis pada bemper mobil yang
ditunjukkan dengan warna merah dengan nilai
perpindahan maksimumnya adalah 8,59 mm
untuk kecepatan 40 km/j seperti terlihat pada
Gambar 6..
Gambar 8. Perbandingan tegangan
maksimum.
Gambar 6. Hasil perpindahan dengan
pembebanan 57,11 kN.
Sedangkan Gambar 7. menunjukkan letak
nilai regangan tertinggi pada bemper mobil
yang ditunjukkan dengan warna merah
dengan nilai 0,018 untuk kecepatan 40 km/j.
Gambar 9. menampilkan perbandingan
nilai perpindahan maksimum yang dihasilkan
pada simulasi static dan drop test. Nilai
perpindahan maksimum pada static test lebih
tinggi dibanding drop test, hal ini dipengaruhi
oleh momentum yang terjadi dimana kondisi
static test mempunyai nilai perbandingan
momentum (e) > 1 dan drop test e = 1.
Gambar 9. Perbandingan nilai
perpindahan maksimum.
Gambar 7. Hasil regangan dengan
pembebanan 57,11 kN.
Gambar 8. menampilkan perbandingan
nilai tegangan maksimum yang dihasilkan
pada simulasi static dan drop test. Tidak
terdapat perbedaan yang signifikan pada
kedua hasil tes tersebut.
Gambar 10. Memperlihatkan perbandingan nilai regangan maksimum yang dihasilkan
pada simulasi static dan drop test. Pada static
test, regangan cenderung mengalami kenaikan
seiring dengan kenaikan kecepatan kendaraan, sedang pada drop test, tidak signifikan terjadi perubahan dengan kenaikan
kecepatan benturan.
Gambar 10. Perbandingan nilai regangan
maksimum.
Berdasarkan data kemampuan komposit
berpenguat serat alam sebesar ~120 MPa/m,
dan dari simulasi yang dilakukan, dapat
disimpulkan bemper menggunakan serat alam
mampu menahan benturan dengan kecepatan
40 km/jam namun kurang dari 70 km/jam.
5. KESIMPULAN
Kenaikan
kecepatan
benturan
meningkatkan perpindahan, regangan dan
tegangan. Static dan drop test, terdapat
perbedaan yang signifikan terhadap perpindahan dan regangan, namun tidak untuk
tegangannya. Bemper dengan komposit
berpenguat serat mampu menahan benturan
dengan laju < 70 km/jam. Perlu dilakukan insitu testing, khususnya kecepatan rendah
untuk memperkuat hasil pengujian simulasi
ini.
6. REFERENSI
Arbintarso, ES. (2015) Tinjauan Komposit
Diperkuat Serat Alam Sebagai Bahan
Alternatif Untuk Bodi Mobil Urban
Concept. Laporan Penelitian-non publikasi, LPPM, IST Akprind.
Daulay, SA. Wirathama, F. Halimatuddahliana. (2014) Pengaruh ukuran partikel dan
komposisi terhadap sifat kekuatan bentur
komposit epoksi berpengisi serat daun
nanas. Jurnal Teknik Kimia USU, Vol. 3,
No. 3 (September 2014).
Evolution, Ltd. (2015) Isusu Elf NKR 55
Microbus
LWB,
http://www.the-
blueprints.com/, diakses tanggal 12 April
2016.
Gibson, R.F, (1994). Principles of Composite
Material Mechanics, McGraw-Hill Book
Co New York.
Huston, RL. (1987) Crash victim simulation:
Use of computer models, International
Journal of Industrial Ergonomics, Vol. 1,
Iss. 4, p. 285-291.
Joshi, SV. Drzal, LT. Mohanty, AK. Arora, S.
(2004) Are natural fiber composites
environmentally superior to glass fiber
reinforced composites? Composites: Part
A 35. p.371–376.
Kaw, A.K., (1997), Mechanics of Composite
Materials, CRC Press, Boca Raton.
Mallick, P.K., 2007, Fiber-Reinforced
Composites, 3rd Edition, Taylor & Francis
Group, New York.
Mokhtar, M., Rahmat, A.R., & Hassan, A.,
2007, Characterization and Threatments of
Pineapple Leaf Fibre Thermoplastic
Composite for Construction Application,
Project Report, Universiti Teknologi
Malaysia, Malaysia.
Mujiyono dan Didik H., (2009) Pemanfaatan
Serat Daun Nanas Sebagai Penguat
Material Komposit, Skripsi, Program
Sarjana Fakultas Teknik UNY, Yogyakarta.
Roe P.J. dan Ansel M.P., (1985), Jutereinforced polyester Composites, UK.,
Journal of Materials Science 20,. p. 40154020.
Westman, MP. Fifield, LS. Simmons, KL.
Laddha, SG. Kafenfzis, TA. (2010)
Natural fiber composite: A review. Pacific
Northwest National Laboratory for U.S.
Department of Energy. Washington.
Youngquist, JA.; English, BE.; Scharmer,
RC.; Chow, P; Shook, SR. (1994).
Literature review on use of nonwood plant
fibers for building materials and panels.
Gen. Tech. Rep. FPL-GTR-80. Madison,
WI: U.S. Department of Agriculture,
Forest Service, Forest Products Laboratory.
DIPERKUAT SERAT ALAM
Ellyawan Setyo Arbintarso1), Muslim2) Fajar Muttaqin2)
1
FTI, IST AKPRIND
email: ellyawan@akprind.ac.id
2
FTI, IST AKPRIND
Abstract
Bumper car made of Natural Fiber Reinforced Composite (NFRC) is very possible to be
produced with the advantage of easy to get, and cheap. Simulations have been conducted and
showed an increased impact speed in line with increased displacement, strain and stress that occur
on the surface of the bumper. The bumper can withstand collisions at a rate of less than 70 km/h.
Keywords: Bemper, Static Test, Drop Test, NFRC
1. PENDAHULUAN
Sejalan dengan gencarnya penggunaan
green technology, penelitian sifat-sifat
mekanis terhadap komposit berpenguat serat
alam kembali menjadi fokus para peneliti dan
pengembang bahan alternatif. Pada umumnya
komposit diperkuat dengan fiberglass/serat
kaca, yang relatif mahal dan berbahaya bagi
lingkungan. Ada sejumlah keuntungan
menggunakan serat alam ini, di antaranya
adalah: a) serat alami akan membuat sebagian
materi menjadi biodegradable (mampu
diuraikan oleh bakteri/mikro organisme); b)
serat alami, salah satunya serat nanas
mempunyai biaya produksi yang rendah,
massa jenis rendah dan konsumsi energi yang
rendah.
Menurut Mokhtar, dkk. (2007) di tengah
ilmu material yang terus berkembang pesat,
serat alami tampaknya menjadi bahan luar
biasa yang bisa digunakan sebagai pengganti
yang layak dari serat sintetis serta jumlahnya
berlimpah dan murah. Komposit diperkuat
serat alam mempunyai kekuatan tarik spesifik
250-650 MPa dan mencapai 2850 MPa untuk
serat karbon (Westman dkk. (2010)). Namun
serat alam mempunyai keunggulan terutama
harga lebih murah, lebih ringan dan lebih
ramah lingkungan (Joshi dkk. (2004)).
Komposit yang diperkuat serat alam
membentuk kelas baru pada ilmu bahan yang
memiliki potensi yang baik di masa depan
sebagai pengganti bahan berbasis kayu di
berbagai macam aplikasi. Namun, ketahanan
dalam penyerapan air yang kurang baik
membuat
penggunaan
komposit yang
diperkuat serat alami kurang menarik.
Industri otomotif, penerbangan, dan
konstruksi merupakan segmen konsumen
terbesar dari komposit serat alam. Serat
seperti hemp, flax, dan kenaf merupakan jenis
serat pilihan yang digunakan pada industri
otomotif sedangkan komposit dari kayu
banyak digunakan pada bidang konstruksi.
Bemper mobil pada umumnya terbuat
dari logam ringan seperti paduan aluminium
atau baja plat tipis, seiring perkembangan
teknologi selanjutnya terbuat dari komposit
berpenguat serat (pada umumnya serat
sintetis). Namun, dalam beberapa tahun
terakhir harga bahan aluminium dan plastik
terus meningkat untuk itulah perlu adanya
bahan pengganti yang mempunyai kelebihan
dari bahan sebelumnya dan mempunyai harga
yang lebih murah. Serat alami dipilih karena
mempuyai kelebihan dengan harga yang lebih
murah dan biodegradable. Tetapi apakah
bemper mobil yang terbuat dari bahan serat
alami sudah memenuhi syarat?
Komposit diperkuat serat alam selain
mempunyai keunggulan murah, ringan dan
ramah
lingkungan
juga
mempunyai
kelemahan dimana kekuatan tarik spesifik dan
beratnya tergantung dari jenis serat, jenis
anyaman, dan proses penyiapan serat alam
tersebut. Arbintarso (2015) mengemukakan
serat daun nanas mempunyai sifat-sifat
mekanis tertinggi dibanding dengan serat
serabut kelapa dan serat rosela. Untuk itu
dipilih serat daun nanas sebagai serat penguat
komposit yang digunakan sebagai bemper
mobil. Untuk itu perlu dilakukan suatu
simulasi kegagalan bemper mobil berbahan
komposit diperkuat serat alam.
Serat alam yang digunakan meliputi serat
daun nanas (Ananas Comosus L), dan resin
yang digunakan jenis phenol formaldehida.
Adapun dimensi bumper mobil yang akan
didesain adalah, panjang 169.4 cm, lebar 10
cm, dan tinggi 16.4 cm. Penelitian
terbatas
pada simulasi static test dan drop test pada
desain bemper mobil terbuat dari bahan
komposit berpenguat serat daun nanas dengan
menggunakan software Solidworks 2014.
Untuk mengetahui kemampuan maksimal
dari bemper mobil yang menggunakan bahan
komposit serat alam dengan melalui proses
simulasi stress analysis dengan software
Solidworks 2014 dan juga untuk mengetahui
pendistribusian beban yang terjadi pada
bemper mobil serta memprediksi letak critical
point pada desain bemper tersebut.
Mengembangkan alternatif bahan yang
ringan, murah dan ramah lingkungan pada
umumnya dan pengembangan penggunaan
serat alam (serat daun nanas) untuk keperluan
otomotif pada khususnya.
2. KAJIAN LITERATUR DAN
PEGEMBANGAN HIPOTESIS
Penelitian ini merupakan pengembangan
penelitian sebelumnya (Arbintarso, (2015))
dengan judul “Tinjauan Komposit Diperkuat
Serat Alam Sebagai Bahan Alternatif Untuk
Bodi Mobil Urban Concept” dimana
dibandingkan komposit dengan berbagai jenis
serat alam yaitu serat daun nanas, serat rosela
dan serat sabut kelapa. Serat daun nanas
mempunyai sifat mekanis yang paling baik
dari ketiga jenis serat tersebut.
Pengembangan yang dilakukan pada
penelitian ini adalah pertama untuk
menganalisa kegagalan yang terjadi pada
komposit berpenguat serat daun nanas jika
dipergunakan sebagai bemper mobil. Kedua
untuk mengembangkan simulasi pembebanan
terhadap bemper mobil dengan bahan
komposit berpenguat serat daun nanas
sehingga
dapat
diketahui
titik-titik
kritikalnya.
Komposit adalah suatu jenis bahan
tunggal yang tersusun dari minimal dua unsur
yang menghasilkan sifat yang berbeda
terhadap sifat-sifat unsur penyusunnya. Pada
umumnya komposit terdiri dari matrik
sebagai bahan utama dan suatu jenis
penguatan (reinforcement) yang ditambahkan
untuk meningkatkan kekuatan dan kekakuan
matrik. Bila unsur penguat berupa serat
(fibre) maka komposit tersebut dinamakan
Komposit Diperkuat Serat. Komposit jenis ini
dibagi menjadi 3 kelompok besar yaitu
Carbon Fiber Reinforced Composite (CFRC),
Glass Fiber Reinforced Composite (GFRC)
dan Natural Fiber Reinforced Composite
(NFRC).
Dalam hal ini matrik yang digunakan
adalah dari jenis polimer atau sering disebut
dengan resin. Resin yang sering digunakan
adalah dari jenis termoset yang dibentuk dari
reaksi kimia dimana resin dan pengeras (atau
resin dengan katalis) dicampur dan kemudian
terjadi reaksi kimia yang searah (nonreversibble) membentuk produk yang keras.
Sekali direaksikan, termoset tidak akan
menjadi cairan kembali jika dipanaskan.
Jika sistem resin dikombinasikan dengan
serat penguat akan diperoleh sifat-sifat yang
jauh lebih baik dari pada sifat resin maupun
sifat serat secara terpisah. Matrik resin
menyebarkan beban yang diterima kedalam
setiap individu serat dan juga melindungi
serat dari kerusakan karena abrasi dan
benturan, sedangkan serat akan meningkatkan
kekuatan dan kekakuan matrik. Penggunaan
sistem resin diperkuat serat memudahkan
pencetakan bentuk-bentuk yang rumit, juga
mempunyai ketahanan terhadap lingkungan
korosif dengan berat jenis yang rendah,
sehingga komposit diperkuat serat lebih
unggul terhadap logam dalam banyak aplikasi
teknik.
Secara garis besar ada 3 macam jenis
komposit
berdasarkan
penguat
yang
digunakannya (Kaw, 1997), yaitu:
Fibrous Composites (Komposit Serat)
merupakan jenis komposit yang hanya terdiri
dari satu laminat atau satu lapisan yang
menggunakan penguat berupa serat. Serat ini
bisa disusun secara acak maupun dengan
orientasi tertentu bahkan bisa juga dalam
bentuk yang lebih kompleks seperti anyaman.
Laminated Composites (Komposit Laminat), merupakan jenis komposit yang terdiri
dari dua lapis atau lebih yang digabung
menjadi satu dan setiap lapisnya memiliki
karakteristik sifat sendiri.
Particulate Composites (Komposit Partikel), merupakan komposit yang menggunakan
partikel/serbuk sebagai penguatnya dan
terdistribusi secara merata dalam matriksnya
Kekuatan komposit tidak tergantung dari
interaksi mikroskopik antar molekul seperti
yang biasa terjadi pada material lain.
Kekuatan komposit terdiri dari serat, dan
posisi serat dalam komposit itu sendiri apabila
posisi serat dalam matrik hanya satu arah saja
sesuai dengan arah serat. Akan tetapi
komposit yang berkualitas tinggi adalah yang
bisa melayani gaya dari segala arah, untuk
memenuhi kebutuhan ini hendaknya serat
diusahakan
mengarah
kesegala arah.
Komposit tentu dipengaruhi oleh jenis serat
dan panjangnya serat dan arah serat, dimana
serat-serat itu diorientasikan paralel kepada
arah pengujian untuk menunjukkan sifat
mekanis terbaik.
Selain hal diatas kekuatan dari komposit
sangat ditentukan dari fraksi volume
penyusunnya, yaitu jumlah masing-masing
volume matrik dan serat, yang dirumuskan
(Gibson, 1994):
�� = (�� ���) + �� ��� ............. (1)
�� + �� + �� = 1.................. (2)
Sedang compact density ditentukan
dengan persamaan rule of mixture:
�� = �� ��� + (�� ��� )............. (3)
Dimana :
c = Tegangan tarik komposit
m = Tegangan tarik matrik
m = Fraksi volume matrik
c = Berat jenis komposit
m = Berat jenis matrik
f = Berat jenis fiber
f = Tegangan tarik serat
f = Fraksi volume serat
v = Fraksi volume voids (rongga)
Salah satu faktor penting yang menentukan karakteristik dari komposit adalah
perbandingan matrik dan penguat/serat.
Perbandingan ini dapat ditunjukkan dalam
bentuk fraksi volume serat (Vf) atau fraksi
berat serat (Wf). Namun, formulasi kekuatan
komposit lebih banyak menggunakan fraksi
volume serat. Menurut Roe dan Ansel (1985),
fraksi volume serat dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan berikut:
�� =
[ �� −(
��−��
��
��
)]
................. (4)
Jika selama proses pembuatan komposit
diketahui massa komposit (MC), serat (Mf)
dan matrik (Mm), serta berat serat dan matrik,
maka fraksi volume dan fraksi massa serat
dapat dihitung dengan persamaan Kaw
(1997).
Serat alam utamanya terdiri dari: selulosa
(cellulose), hemiselulosa (hemicellulose),
pektin (pectin) dan liknin (lignin). Prosentase
dari masing masing pembentuk serat alam
tersebut bervariasi tergantung dari jenis
seratnya. Variasi tersebut dipengaruhi oleh
kondisi pertumbuhan dan panenannya.
Selulosa adalah suatu semikristal polisakarid
(polysaccharide) dan merupakan komponen
utama dalam serat alam (Westman, dkk.
(2010)). Serat alam yang berasal bukan dari
kayu didominasi jenis ilalang (30%), bambu
(10%), kelapa (7%), rami (6%) dan jerami
(6%) (Youngquist, dkk. (1994)).
Tanaman nanas (Ananas comosus) selain
menghasilkan buah nanas juga menghasilkan
serat yang berasal dari daunnya. Serat daun
nanas telah banyak digunakan sebagai bahan
baku tekstil dan mempunyai kekuatan tarik
dua kali lebih tinggi dibandingkan serat kaca
(Mujiyono dan Didik, (2009)). Serat daun
nanas adalah salah satu jenis serat alam yang
berasal dari tumbuhan yang diperoleh dari
daun tanaman nanas. Bentuk daun nanas
menyerupai
pedang
yang
meruncing
diujungnya dengan warna hijau kehitaman
dan pada tepi daun terdapat duri yang tajam.
Tergantung dari spesies atau varietas
tanaman, panjang daun nanas berkisar antara
55 sampai 75 cm dengan lebar 3,1 sampai 5,3
cm dan tebal daun antara 0,18 sampai 0,27 cm
(Daulay, dkk. (2014)). Daulay, dkk. (2014)
menyimpulkan bahwa serat daun nanas
sebagai penguat komposit meningkat secara
signifikan, dimana kekuatan bentur maksimal
diperoleh pada variasi ukuran partikel 100
mesh pada rasio matriks dan pengisi 90/10
yaitu sebesar 12,3425 KJ/m2 (~120 MPa/m)
berada di atas kekuatan lentur epoksi murni
yaitu sebesar 9,5061 KJ/m2.
Bemper merupakan bagian paling ujung
depan dan ujung belakang dari sebuah mobil
yang di desain khusus untuk mengurangi
dampak kerusakan pada bagian-bagian mobil
saat terjadi tabrakan serta melindungi
pengendaranya. Bemper depan dan belakang
menjadi sebuah bagian standar pada semua
mobil semenjak tahun 1925. Desain bemper
yang akan dipakai dalam simulasi ini dengan
dimensi panjang 169.4 cm, lebar 10 cm, dan
tinggi 16.4 cm, seperti terlihat pada Gambar
1.
benturan berbentuk anak panah seperti pada
Gambar 2 dan Gambar 3.
Gambar 2. Letak Gaya Benturan Pada
Bagian Depan Bumper.
Gambar 3. Letak Gaya Benturan Pada
Bagian Sisi Kiri Bumper
Gambar 1. Desain 3D Bemper.
Menurut Huston (1987) Gaya (F)
merupakan tarikan atau dorongan. Efek atau
konsekuensi dari gaya tersebut tergantung
pada seberapa keras atau seberapa besar
tarikan atau dorongannya, arah dari
tarikan/dorongan tadi, dan letak posisi gaya
tersebut bekerja. Ketiga efek tadi bisa juga
disebut
dengan
“karakteristik”
yang
mendefinisikan sebuah gaya. Dengan
karakterik-karakteristik tersebut, gaya bisa
disajikan dengan bentuk vektor. Gaya
benturan yang akan diberikan ke bumper
nantinya diletakkan di sisi kanan & kiri
bumper serta bagian depan bumper, arah gaya
3. METODE PENELITIAN
Sebagai dasar awal perlu dilakukan studi
pustaka yang terkait dengan komposit
berpenguat serat daun nanas (khususnya hasil
penelitian sebelumnya tentang sifat mekanis
komposit diperkuat serat daun nanasArbintarso (2015)) dan karakterisasi bemper
mobil. Desain bemper mobil dibuat dengan
referensi dari blueprint mobil Isuzu Elf NKR
55 Microbus.
Tahap kedua desain pengujian dibuat
dengan berbasis simulasi yaitu drop test dan
static test. Kegagalan yang terjadi pada
bemper dianalisa dengan variabel kecepatan
mobil.
Software solidworks 2014 digunakan
untuk menguji kegagalan bemper berdasarkan
konsep drop test dan static test. Pengujian
pembebanan kritis diwujudkan melalui grafis
dengan menggunakan warna yang menyolok
untuk titik-titik kritikal dimana komposit
mengalami kegagalan diatas kemampuan
bahan.
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Proses mendesain bemper ini menggunakan perangkat lunak Solidworks 2014.
Salah satu keunggulan dari Solidworks 2014
adalah Graphic User Interface (GUI) yang
mudah untuk dipelajari, sehingga proses
mendesain menjadi lebih cepat. Bemper
mobil yang didesain mengambil referensi dari
blueprint mobil Isuzu Elf NKR 55 Microbus,
seperti pada Gambar 4.
Tabel 1. Hasil simulasi static test.
Kecepat
an (V)
Gaya
(F)
Regang
an
(max)
(kN)
Perpindahan
(max)
(mm)
Tegang
an
(max)
(MPa)
(km/j)
40
57,11
8,59
0,018
75,10
70
99,94
15,04
0,031
131,42
100
142,78
21,48
0,045
187,74
130
185,61
27,92
0,058
244,06
Sedangkan hasil simulasi drop test, dapat
dilihat pada Tabel 2 berikut:
Tabel 2. Hasil simulasi drop test.
Kec.
Benturan
Gambar 4. Blueprint Mobil Isuzu Elf
NKR 55 Microbus. (Evolution Ltd, 2015)
Dalam simulasi static test, diskenariokan
kendaraan Isuzu Elf NKR 55 Microbus yang
dalam kondisi diam/rest dan di tabrak oleh
kendaraan yang sama persis.
Sedang untuk simulasi drop test, kejadian hampir sama
dengan kasus dari static test, letak perbedaannya pada kasus ini adalah menggunakan satu kendaraan Isuzu Elf NKR 55
Microbus yang melaju dan menabrak tembok
yang kuat dan berat (tidak bergerak ketika
ditabrak).
Penentuan gaya berdasarkan kecepatan
yang terjadi, dengan mengkonversikan nilai
gaya (F = mV/t) baik untuk static dan drop
test, waktu (t) yang diperkirakan terjadi
adalah selama 1 detik, dan hasil simulasi
untuk static test dapat dilihat pada Tabel 1.
Penekanan sifat yang ditinjau adalah
perpindahan (mm), regangan maksimum yang
bakal terjadi, dan tegangan (MPa) maksimum
yang terjadi pada bemper.
(km/j)
Perpindahan
(max)
(mm)
Regangan Tegangan
(max)
(max)
40
6,03
0,007
69,71
70
10,54
0,012
129,09
100
15,10
0,016
189,54
130
19,70
0,021
244,72
(MPa)
Gambar 5. di bawah ini menunjukkan
letak area kritis (daerah yang mempunyai
potensi kerusakan tertinggi saat dikenai gaya)
pada bemper mobil yang ditunjukkan dengan
warna merah dengan nilai tegangan
maximumnya adalah 75,10 MPa untuk
kecepatan 40 km/j.
Gambar 5. Hasil tegangan dengan
pembebanan 57,11 kN.
Letak area kritis pada bemper mobil yang
ditunjukkan dengan warna merah dengan nilai
perpindahan maksimumnya adalah 8,59 mm
untuk kecepatan 40 km/j seperti terlihat pada
Gambar 6..
Gambar 8. Perbandingan tegangan
maksimum.
Gambar 6. Hasil perpindahan dengan
pembebanan 57,11 kN.
Sedangkan Gambar 7. menunjukkan letak
nilai regangan tertinggi pada bemper mobil
yang ditunjukkan dengan warna merah
dengan nilai 0,018 untuk kecepatan 40 km/j.
Gambar 9. menampilkan perbandingan
nilai perpindahan maksimum yang dihasilkan
pada simulasi static dan drop test. Nilai
perpindahan maksimum pada static test lebih
tinggi dibanding drop test, hal ini dipengaruhi
oleh momentum yang terjadi dimana kondisi
static test mempunyai nilai perbandingan
momentum (e) > 1 dan drop test e = 1.
Gambar 9. Perbandingan nilai
perpindahan maksimum.
Gambar 7. Hasil regangan dengan
pembebanan 57,11 kN.
Gambar 8. menampilkan perbandingan
nilai tegangan maksimum yang dihasilkan
pada simulasi static dan drop test. Tidak
terdapat perbedaan yang signifikan pada
kedua hasil tes tersebut.
Gambar 10. Memperlihatkan perbandingan nilai regangan maksimum yang dihasilkan
pada simulasi static dan drop test. Pada static
test, regangan cenderung mengalami kenaikan
seiring dengan kenaikan kecepatan kendaraan, sedang pada drop test, tidak signifikan terjadi perubahan dengan kenaikan
kecepatan benturan.
Gambar 10. Perbandingan nilai regangan
maksimum.
Berdasarkan data kemampuan komposit
berpenguat serat alam sebesar ~120 MPa/m,
dan dari simulasi yang dilakukan, dapat
disimpulkan bemper menggunakan serat alam
mampu menahan benturan dengan kecepatan
40 km/jam namun kurang dari 70 km/jam.
5. KESIMPULAN
Kenaikan
kecepatan
benturan
meningkatkan perpindahan, regangan dan
tegangan. Static dan drop test, terdapat
perbedaan yang signifikan terhadap perpindahan dan regangan, namun tidak untuk
tegangannya. Bemper dengan komposit
berpenguat serat mampu menahan benturan
dengan laju < 70 km/jam. Perlu dilakukan insitu testing, khususnya kecepatan rendah
untuk memperkuat hasil pengujian simulasi
ini.
6. REFERENSI
Arbintarso, ES. (2015) Tinjauan Komposit
Diperkuat Serat Alam Sebagai Bahan
Alternatif Untuk Bodi Mobil Urban
Concept. Laporan Penelitian-non publikasi, LPPM, IST Akprind.
Daulay, SA. Wirathama, F. Halimatuddahliana. (2014) Pengaruh ukuran partikel dan
komposisi terhadap sifat kekuatan bentur
komposit epoksi berpengisi serat daun
nanas. Jurnal Teknik Kimia USU, Vol. 3,
No. 3 (September 2014).
Evolution, Ltd. (2015) Isusu Elf NKR 55
Microbus
LWB,
http://www.the-
blueprints.com/, diakses tanggal 12 April
2016.
Gibson, R.F, (1994). Principles of Composite
Material Mechanics, McGraw-Hill Book
Co New York.
Huston, RL. (1987) Crash victim simulation:
Use of computer models, International
Journal of Industrial Ergonomics, Vol. 1,
Iss. 4, p. 285-291.
Joshi, SV. Drzal, LT. Mohanty, AK. Arora, S.
(2004) Are natural fiber composites
environmentally superior to glass fiber
reinforced composites? Composites: Part
A 35. p.371–376.
Kaw, A.K., (1997), Mechanics of Composite
Materials, CRC Press, Boca Raton.
Mallick, P.K., 2007, Fiber-Reinforced
Composites, 3rd Edition, Taylor & Francis
Group, New York.
Mokhtar, M., Rahmat, A.R., & Hassan, A.,
2007, Characterization and Threatments of
Pineapple Leaf Fibre Thermoplastic
Composite for Construction Application,
Project Report, Universiti Teknologi
Malaysia, Malaysia.
Mujiyono dan Didik H., (2009) Pemanfaatan
Serat Daun Nanas Sebagai Penguat
Material Komposit, Skripsi, Program
Sarjana Fakultas Teknik UNY, Yogyakarta.
Roe P.J. dan Ansel M.P., (1985), Jutereinforced polyester Composites, UK.,
Journal of Materials Science 20,. p. 40154020.
Westman, MP. Fifield, LS. Simmons, KL.
Laddha, SG. Kafenfzis, TA. (2010)
Natural fiber composite: A review. Pacific
Northwest National Laboratory for U.S.
Department of Energy. Washington.
Youngquist, JA.; English, BE.; Scharmer,
RC.; Chow, P; Shook, SR. (1994).
Literature review on use of nonwood plant
fibers for building materials and panels.
Gen. Tech. Rep. FPL-GTR-80. Madison,
WI: U.S. Department of Agriculture,
Forest Service, Forest Products Laboratory.