Pengaruh Fraksi Volume Serat Terhadap Kekuatan Tekan Komposit Fiberglass.
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
DAFTAR ISI
Kata Pengantar
Sambutan Dekan Fakultas Teknik
Ucapan Terima Kasih
Daftar Isi
Susunan Panitia
Susunan Acara
1.
2.
Technopreneur and Social-Entrepreneurship: “…based on product…”, Raldi
Artono Koestoer
Supply Chain Management: Tantangan dan Strategi, Nyoman Pujawan
ii
iii
iv
v
x
xi
1
7
Bidang Teknik Mesin
1. Metode Pemilihan Pompa Sebagai Turbin Pembangkit Listrik Tenaga Mikro
Hidro, Anak Agung Adhi Suryawan, Made Suarda, I Nengah Suweden
1
2. Pengaruh Fraksi Volume Serat terhadap Kekuatan Tekan Komposit Fiberglass,
AAIA Sri Komaladewi, I Made Astika, I G K Dwijana
7
3. Pengaruh Variasi Diameter dan Sudut Kemiringan Pipa Inlet Terhadap Unjuk
Kerja Pompa Hidram, Sehat Abdi Saragih
14
4. Analisa Kerusakan pada Rotating Element Pompa Injeksi Air David Brown
DB34-D DI PT CPI Minas, Abrar Ridwan, Ridwan Chandra
21
5. Pengaruh Temperatur Pembakaran pada Komposit Lempung/Silika RHA terhadap
Sifat Mekanik (Aplikasi pada Bata Merah), Ade Indra, Nurzal, Hendri Nofrianto 34
6. Rancang Bangun Mesin Pemisah Dan Pencacah Sampah Organik (Daun-daunan)
dan Anorganik (Plastik, Kresek) untuk Menghasilkan Serpihan Sampah Organik
Lebih Kecil sebagai Bahan Kompos, I Gede Putu Agus Suryawan, Cok. Istri P.
Kusuma Kencanawati, I Gst. A. K. Diafari D. Hartawan
42
7. Peningkatan Nilai Kalor Biobriket Campuran Sekam Padi dan Dominansi Kulit
Kacang Mete dengan Metode Pirolisa, Arijanto
49
8. Perilaku Stress Tanki Toroidal Penampang Oval dengan Beban Internal Pressure,
Asnawi Lubis, Shirley Savetlana, and Ahmad Su’udi
60
9. Kekerasan Baja AISI 4118 setelah Proses Pack Karburising dengan Media
Karburasi Arang Tulang Bebek dan Arang Pelepah Kelapa, Dewa Ngakan Ketut
Putra Negara, I Dewa Made Krisnha Muku, AAIA Sri Komala Dewi
67
10. Quantum States At Juergen Model for Nuclear Reactor Control Rod Blade Based
On Thx Duo2 Nano-Material, Moh. Hardiyanto
73
11. Pengerasan Induksi pada Material AISI 4340 sebagai Material Bahan Baku
Industri HANKAM Nasional, Muhammad Dzulfikar, Rifky Ismail, Dian Indra
Prasetyo, dan Jamari
83
12. Studi Pengaruh Kemiringan Kolektor Surya Tipe Satu Laluan Udara Panas
Terhadap Proses Pengeringan Kerupuk Ubi, Eddy Elfiano, Muhd. Noor Izani
90
13. Pemanfaatan Limbah Tempurung Kelapa Sawit (Elacis Guinesis) sebagai Energi
Biomassa yang Terbarukan, Eko Yohanes, Sibut
96
14. Pengaruh Variasi Volume Serat Resam terhadap Kekuatan Tarik dan Impact
Komposit pada Matriks Polyester sebagai Bahan Pembuatan Dashboard Mobil,
Herwandi, Sugianto, Somawardi, Muhammad Subhan
102
15. Pemanfaatan Arang Kayu Bakar sebagai Media Karburasi pada Proses Pack
Karburising, I Dewa Made Krisnha Muku, AAIA Sri Komala Dewi
109
|v
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
PENGARUH FRAKSI VOLUME SERAT TERHADAP KEKUATAN
TEKAN KOMPOSIT FIBERGLASS
AAIA Sri Komaladewi, I Made Astika, I G K Dwijana
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana
Kampus Bukit Jimbaran Badung Bali 80362
e-mail: [email protected]
Abstrak
Penelitian ini bertujuan untuk menyelidiki pengaruh fraksi volume serat terhadap kekuatan
tekan komposit polyester yang diperkuat dengan serat gelas atau Glass Fiber Reinforced
Polymer (GFRP). Dalam aplikasinya seperti untuk body kendaraan, kompo sit ini banyak
mengalami pembebanan tekan, maka perlu diperhatikan kekuatan dari material tersebut
agar nantinya dalam pengoperasiannya tidak terjadi kegagalan material yang menyebabkan
kecelakaan yang fatal. Proses pembuatan spesimen menggunakan metode press hand lay –
up, dengan resin unsaturated polyester (UPRs) jenis Yukalac 157 BQTN. Serat yang
digunakan adalah serat gelas jenis E–class WR 600 dan pengerasnya menggunakan
hardener jenis metal etil keton peroxide (MEKPO). Variasi fraksi volume serat adalah 44,8,
34,7 dan 24,4%. Spesimen pengujian tekan sesuai dengan ASTM D 695. Hasil penelitian
menunjukkan bahwa bertambahnya fraksi volume serat dalam komposit menyebabkan
naiknya kekuatan tekan komposit GFRP. Nilai tertinggi sebesar 47578,33 N pada komposit
dengan 57 lapis serat.
Kata kunci: komposit, woven roving/ polyester, fraksi volume, kekuatan tekan.
1. Pendahuluan
Perkembangan ilmu dan teknologi yang semakin pesat dewasa ini banyak
memberikan terobosan baru dalam kehidupan manusia. Perkembangan ini juga merambah
pada teknologi bahan teknik dan material rekayasa, karena tuntutan perkembangan jaman
para ahli dipaksa untuk mendapatkan bahan yang kuat, ringan namun relatif murah. Guna
menanggapi permasalahan tersebut maka teknologi polimer dan komposit mulai
dikembangkan untuk mendapatkan berbagai bahan dengan sifat mekanis yang diinginkan
untuk berbagai keperluan. Salah satu material komposit yang saat ini banyak digunakan
adalah polymer yang diperkuat serat gelas atau Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP).
GFRP yang lebih umum disebut fiberglass, banyak digunakan sebagai body kendaraan
khususnya untuk bagian yang membutuhkan material ringan dengan kekuatan dan
ketahanan korosi yang tinggi.
Berdasarkan penelitian sebelumnya bahwa pengujian lelah semakin tinggi fraksi
serat pada bahan komposit, umur lelahnya semakin tinggi pula (I Made Astika 2007).
Penambahan Lapisan serat pada komposit GFRP akan mengakibatkan peningkatan
pada fraksi berat serat dan fraksi volume serat, yang berakibat pada peningkatan kekuatan
dan juga modulus lentur komposit GFRP (NPG Suardana, I W Surata 2007).
Serat gelas yang umum digunakan sebagai komposit adalah yang berbentuk
lembaran serat pendek dengan orientasi acak yang disebut chopped random mat dan
anyaman seperti kain yang disebut woven. Untuk mendapatkan bentuk dan karakteristik
komposit yang diinginkan, lembaran serat dapat disusun berlapis – lapis dalam polymer
sebagai matrik pengisi, dengan fraksi volume serat yang bervariasi.
Penggunaan GFRP baik sebagai peralatan medis, pesawat udara, kapal laut,
otomotif. dalam pengoperasiannya banyak mengalami tekanan, dan pembebanan, terutama
pada tingkat desain yang rumit dengan tingkat orientasi pembebanan yang cukup tinggi,
yang sering mengakibatkan material mengalami kegagalan. Maka untuk itu karakteristik
dan sifat mekanis yang perlu diperhatikan salah satunya adalah kekuatan tekan dari
TM-02 | 7
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
material yang digunakan, agar dalam pengaplikasiannya tidak terjadi kegagalan material
yang dapat mengakibatkan kecelakaan yang fatal.
2. Komposit Berpenguat Serat Gelas
Komposit berpenguat serat gelas atau yang dalam teknologi komposit disebut
GFRP, digolongkan sebagai komposit yang menggunakan polymer sebagai matrik dan
serat sebagai penguat (PMC – FRC).Umumnya GFRP terdiri dari resin unsaturated
polyester (UPRs) sebagai matrik,pengeras atau hardener, dan serat gelas sebagai penguat.
2.1. Serat Gelas
Serat gelas dalam teknologi komposit didefinisikan sebagai suatu material yang
memiliki perbandingan panjang lebih dari 100 kali dari diameternya dengan panjang
minimum 25 mm dan diameter 5 – 20 μm.serat dapat berupa serat panjang (filamen) atau
serabut pendek (staple) juga dapat berupa serat organik yang diperoleh dari alam dan serat
sintetik yang sengaja dibuat dari senyawa kimia (Jacobs, 1994). Serat gelas yang
digunakan dalam komposit GFRP merupakan serat sintetik yang dibuat dari bahan dasar
silikon (Si). Berdasarkan karakteristik dan fungsinya serat gelas dapat dibagi menjadi tiga
jenis yaitu:
1. E – class, merupakan serat gelas yang didesain untuk peralatan - peralatan elektronik
dan peralatan umum lainnya yang membutuhkan sifat isolator dan konduktifitas
thermal yang rendah, dengan komposisi 55,2% SiO2, 8% AL2 O3,18,7% CaO , 4,6%
MgO , O,3% Na2 O, 0,2% K 2 O, 7,3% B2 O3 . Serat E – class memiliki kekuatan tarik
1750 MPa dan modulus elastis 70 GPa (Chawla, 1987). Serat jenis ini paling banyak
digunakan karena harganya relatif lebih murah.
2. S – class, merupakan serat gelas yang didesain kusus untuk peralatan yang
membutuhkan kekuatan dan ketahanan terhadap panas yang tinggi, dengan komposisi
65% SiO2, , 25% AL2 O3 , 10% MgO.
3. C – class, merupakan serat gelas yang didesain khusus untuk peralatan yang
membutuhkan ketahanan terhadap korosi yang tinggi,dengan komposisi 65% SiO2, 4%
AL2 O 3, 14% CaO, 3% MgO, 8,5% Na2 O, 5% B2 O3.
Serat gelas umumnya dibentuk berupa serat panjang kontinu (yarn), kumpulan serat
panjang kontinu (roving), kumpulan serat pendek dengan orientasi acak (chopped strand
mat), dan serat panjang kontinu yang disusun seperti anyaman/kain (woven).
3. Proses Produksi Komposit Berpenguat Serat
Beberapa teknik yang umum digunakan dalam proses pembentukan komposit
khususnya komposit berpenguat serat (FRC) adalah:
1. Pultrusion, merupakan proses pembentukan komposit berpenguat serat dimana dalam
prosesnya serat dicelupkan kedalam wadah berisi resin kemudian melalui beberapa die.
Teknik ini khusus digunakan untuk memproduksi benda berbentuk datar (flat) dan
batang dengan penampang “L” “T” ( L dan T - beam)
2. Filament winding, merupakan proses pembentukan komposit berpenguat serat yang
dalam prosesnya serat yang telah dilapisi resin dialirkan ke mandreal Teknik ini khusus
digunakan untuk memproduksi benda berdiameter sperti pipa.
3. Lay-up merupakan proses pembentukan komposit berpenguat serat yang dalam
prosesnya serat ditumpuk kemudian dilapisi dengan resin yang dapat dikerjakan
dengan menggunakan mesin atau tangan (hand lay- up). Proses ini memiliki
kemudahan dan keunggulan yang lebih dibanding dengan teknik yang lain. Dengan
proses lay-up dapat dihasilkan produk komposit yang beraneka bentuk dengan desain
yang rumit sekalipun.
TM-02 | 8
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
4. Teknik semprot, merupakan proses pembentukan komposit dimana pada teknik ini
serat dipotong pendek-pendek dicampur resin kemudian disemprotkan dibentuk lapisan
demi lapisan.
5. Transfer molding, merupakan proses pembentukan komposit, dengan mengalirkan
campuran resin dan serat pendek ke beberapa cetakan sekaligus. Teknik ini digunakan
untuk memproduksi komposit dalam jumlah besar.
4. Kuat Tekan
Tegangan tekan berlawan dengan tegangan tarik. Jika pada tegangan tarik, arah
kedua gaya menjauhi ujung benda (kedua gaya saling berlawanan), sedangkan pada
tegangan tekan arah kedua gaya saling mendekati. Kekuatan tekan material adalah adalah
nilai tegangan tekan uniaksial yang mempunyai modus kegagalan ketika saat pengujian.
Kekuatan tekan biasanya diperoleh dari percobaan dengan alat pengujian tekan. Ketika
dalam pengujian nantinya, spesimen (berbentuk balok) akan mengalami perubahan panjang
dan terjadi perubahan dimensi kearah lateral. (Ismoyo, 1999). Perubahan benda karena
tegangan tekan dapat dilihat pada gambar 1.
P
Gambar 1. Perubahan benda Akibat penekanan
Keterangan:
A = Luas Penampang
P = Gaya yang Bekerja sebagai penekanan
L0 = Panjang awal
L = Perubahan Panjang, Dimana L = L0 - L1
4.1. Pengujian Tekan
Akibat beban tekan yang diberikan yang merupakan fungsi dari luas penampang
yang mana material akan cenderung mengalami perubahan kearah lateral. Pada uji tekan
gaya yang diberikan ditunjukkan seperti gambar 2.
P
P
P
Gambar 2. Skematik Uji tekan
TM-02 | 9
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
Sebuah batang komposit yang dikenai beban tekan akan mengalami perubahan
panjang. Adapun kurva tegangan regangan akibat beban tekan ditunjukkan pada gambar 3
Gambar 3. Kurva Tegangan Regangan
Pada material yang mengalami deformasi plastis jika terus diberikan tegangan
maka material ini tidak akan berubah kebentuk semula. Perubahan panjang disebut
regangan teknik ( t ) yang didefinisikan sebagai perubahan panjang yang terjadi ( L)
terhadap panjang mula – mula (L0 ). Tegangan yang dihasilkan yang pada proses ini
dinamakan tegangan teknik t dimana didefinisikan sebagai nilai pembebanan yang terjadi
(P) pada suatu luas penampang (A0 ). Adapun rumusan akibat beban tekan dapat ditentukan
dengan persamaan sebagai berikut:
P
s=
(1)
A
Dimana:
s = Tegangan
P = Gaya Penekanan (N)
A = Luas Penampang (m2 )
Regangan akibat beban tekan statis dapat ditentukan dengan persamaan sebagai
berikut:
DL
e=
(2)
L
Dimana:
e = Regangan
DL = Panjang akhir – Panjang awal (m)
L = Panjang awal (m)
Pada prakteknya nilai hasil pengukuran tegangan pada suatu pengujian tekan
maupun tarik merupakan nilai teknik. Regangan akibat beban tekan yang terjadi, panjang
akan menjadi berkurang dan diameter pada spesimen akan menjadi lebih besar.
Robert Hook (1689) telah mengamati sebuah fenomena hubungan antara tegangan
dan regangan pada daerah elastis suatu bahan tertentu dan menyimpulkan bahwa dalam
batas batas tertentu tegangan pada suatu material ialah proporsional terhadap regangan
yang dihasilkan. Teori ini kemudian disebut dengan istilah hukum hook. Namun teori ini
hanya berlaku pada batas elastis material, dimana besarnya tegangan akan berbanding lurus
terhadap pertambahan regangan yang terjadi. Dan bila beban dihilangkan, maka sifat ini
akan menyebabkan material kembali kedalam bentuk semula. Berdasarkan yang dialami
oleh material maka karakteristik material tersebut dapat diketahui, seperti modulus
elastisitas. Berdasarkan hokum hook modulus elastisitas dapat ditentukan berdasarkan
persamaan sebagai berikut:
TM-02 | 10
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
E=
s
e
(3)
Dimana:
E = Modulus Elastisitas
Atau
PxL o
E=
AxDL
Parameter lain yang digunakan untuk dapat mengetahui karakteristik dari material
komposit adalah fraksi serat dalam komposit, adalah perbandingan matrik dan penguat/
serat yang dapat ditunjukkan dalam bentuk fraksi volume serat (Vf) atau fraksi berat serat
(Wf). Fraksi berat serat lebih mudah untuk diukur ketika membuat komposit (Jamasri,
2005). Fraksi berat serat dan fraksi volume serat dapat dihitung dengan persamaan:
wf
Wf =
× 100 %
(4)
wc
vf
Vf =
(5)
´ 100 %
vc
wf
(6)
vf =
rf
Keterangan:
Wf = Fraksi berat serat (%)
wf = Berat serat (g)
wc = Berat komposit (g)
Vf = Fraksi volume serat (%)
vf = Volume serat (cm3 )
vc = Volume komposit (cm3 )
r f = Massa jenis serat (gram/cm3)
4.2. Spesimen Uji Tekan
Spesimen uji tekan yang dibuat dari komposit yang berbentuk balok yang memiliki
dimensi panjang, lebar maupun tinggi yaitu 12,7 mm x 12,7 mm x 25,4 mm.Pengujian ini
sesuai dengan America Society for Testing and Materials (ASTM) D695 dengan
spesifikasi gambar sebagai berikut:
Gambar 4. Spesimen Uji Tekan
TM-02 | 11
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
5. Data Hasil Pengujian dan Pembahasan
Dari tabel pengambilan data dilakukan analisa data sehingga mendapatkan data
hasil pengujian. Adapun hasil pengujiannya adalah sebagai berikut:
Fraksi Volume
Serat
44,8 : 55,2
34,7 : 65,3
24,4 : 75,6
Tabel 1. Tabel Hasil Uji Tekan
F
DL
s = (N
e=
2)
mm
L
A
294,99
0,101
241,26
0,089
182,47
0,066
E=
s N
(
)
mm 2
e
2920,69
2710,79
2764,70
Dari hasil pengujian dan pengolahan data dapat dibuat grafik dan diagram batang
tegangan-regangan seperti gambar sebagai berikut:
Gambar 5. Grafik Tegangan – Regangan
Gambar 6. Diagram Hasil Pengujian Tekan
Pembahasan
Berdasarkan grafik tegangan-regangan komposit GFRP diatas (gbr 5) dan juga sifat
mekanis komposit GFRP, dapat dianalisis bahwa untuk masing-masing jenis komposit
GFRP dengan ketebalan yang sama (25,4mm) untuk tiap penambahan lapisan serat terjadi
peningkatan kekuatan tekan (σ) yaitu masing-masing 94,83% untuk komposit dengan 44
lapis serat dan sebesar 86,65% untuk komposit dengan 57 lapis serat dan terjadi penurunan
sebesar 181,48% untuk 31 lapis serat. Dari grafik tegangan regangan modulus elastisitas
TM-02 | 12
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
yang merupakan rasio dalam batasan elastis dari nilai pembebanan dan regangan,
menunjukkan dan dapat membuktikan bahwa fraksi-fraksi serat yang lebih banyak ( 44 dan
57 lapis serat) dapat memberikan nilai yang lebih tinggi.
Pengaruh matrik dalam mendistribusikan beban sangat mempengaruhi kekuatan
komposit. Nilai kuat tekan komposit dengan fraksi volume serat 44,8% memiliki kekuatan
yang paling tinggi yang mana memiliki kekuatan tekan sebesar 47578,33N. Sedangkan
untuk fraksi volume serat 34,7% didapat nilai tekan sebesar 38913N dan untuk fraksi
volume serat 24,4% didapat nilai tekan sebesar 29430N. Hal ini berarti bahwa memang
terjadi peningkatan kekuatan tekan seiring dengan peningkatan fraksi berat serat dengan
ketebalan tetap.
Dari proses pecetakan komposit yang berpenguat serat gelas acak yang diproduksi
dengan teknik press hand lay-up diperoleh bahwa untuk membuat komposit GFRP dengan
ketebalan 25,4 mm jumlah lapisan serat maksimum yang digunakan adalah 57 lapis serat
dengan fraksi volume serat 44,8% ini menunjukkan bahwa untuk mendapatkan nilai
kekuatan tekan yang maksimal dengan cara memperbesar fraksi volume serat.
6. Kesimpulan
Dari hasil pengujiandan analisa data yang telah dilakukan dapat disimpulkan
bahwa:
- Semakin tinggi fraksi volume serat dalam komposit menyebabkan naiknya kekuatan
tekan. Hal ini ditunjukkan dalam grafik tegangan regangan dimana fraksi volume 44,8 :
55,2 menghasilkan nilai tekan tertinggi sedangkan nilai tekan terendah adalah fraksi
volume 24,4 : 75,6.
- Kenaikan jumlah lapisan serat pada komposit GFRP dengan ketebalan tetap bererti
peningkatan pada fraksi volume serat sehingga mengakibatkan peningkatan pada
kekuatan tekan komposit GFRP.
Daftar Pustaka
1. Astika, I Made. (2007)” Pengaruh Fraksi volume serat terhadap umur Lelah Woven
roving/Polyester komposit” Vol 2 no 1, Jurnal Teknik Mesin Mesin Universitas
Udayana.
2. Suardana, Surata, I Wayan (2007). “Pengaruh Jumlah lapisan serat Terhadap sikap
Mekanisnya”, Vol 2 no 1, Jurnal Teknik Mesin Universitas Udayana.
3. Kusmawanto Ade M. (2004)”Pengaruh Jumlah Lapisan serat terhadap ketangguhan
Kompisit Polymer Serat gelas Acak yang diproduksi Dengan Teknik Press Hand Lay
Up” Tugas Akhir..
4. Ivana Such, Hand Book of Die Design, Mc Graw-Hill, 2002.
TM-02 | 13
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
DAFTAR ISI
Kata Pengantar
Sambutan Dekan Fakultas Teknik
Ucapan Terima Kasih
Daftar Isi
Susunan Panitia
Susunan Acara
1.
2.
Technopreneur and Social-Entrepreneurship: “…based on product…”, Raldi
Artono Koestoer
Supply Chain Management: Tantangan dan Strategi, Nyoman Pujawan
ii
iii
iv
v
x
xi
1
7
Bidang Teknik Mesin
1. Metode Pemilihan Pompa Sebagai Turbin Pembangkit Listrik Tenaga Mikro
Hidro, Anak Agung Adhi Suryawan, Made Suarda, I Nengah Suweden
1
2. Pengaruh Fraksi Volume Serat terhadap Kekuatan Tekan Komposit Fiberglass,
AAIA Sri Komaladewi, I Made Astika, I G K Dwijana
7
3. Pengaruh Variasi Diameter dan Sudut Kemiringan Pipa Inlet Terhadap Unjuk
Kerja Pompa Hidram, Sehat Abdi Saragih
14
4. Analisa Kerusakan pada Rotating Element Pompa Injeksi Air David Brown
DB34-D DI PT CPI Minas, Abrar Ridwan, Ridwan Chandra
21
5. Pengaruh Temperatur Pembakaran pada Komposit Lempung/Silika RHA terhadap
Sifat Mekanik (Aplikasi pada Bata Merah), Ade Indra, Nurzal, Hendri Nofrianto 34
6. Rancang Bangun Mesin Pemisah Dan Pencacah Sampah Organik (Daun-daunan)
dan Anorganik (Plastik, Kresek) untuk Menghasilkan Serpihan Sampah Organik
Lebih Kecil sebagai Bahan Kompos, I Gede Putu Agus Suryawan, Cok. Istri P.
Kusuma Kencanawati, I Gst. A. K. Diafari D. Hartawan
42
7. Peningkatan Nilai Kalor Biobriket Campuran Sekam Padi dan Dominansi Kulit
Kacang Mete dengan Metode Pirolisa, Arijanto
49
8. Perilaku Stress Tanki Toroidal Penampang Oval dengan Beban Internal Pressure,
Asnawi Lubis, Shirley Savetlana, and Ahmad Su’udi
60
9. Kekerasan Baja AISI 4118 setelah Proses Pack Karburising dengan Media
Karburasi Arang Tulang Bebek dan Arang Pelepah Kelapa, Dewa Ngakan Ketut
Putra Negara, I Dewa Made Krisnha Muku, AAIA Sri Komala Dewi
67
10. Quantum States At Juergen Model for Nuclear Reactor Control Rod Blade Based
On Thx Duo2 Nano-Material, Moh. Hardiyanto
73
11. Pengerasan Induksi pada Material AISI 4340 sebagai Material Bahan Baku
Industri HANKAM Nasional, Muhammad Dzulfikar, Rifky Ismail, Dian Indra
Prasetyo, dan Jamari
83
12. Studi Pengaruh Kemiringan Kolektor Surya Tipe Satu Laluan Udara Panas
Terhadap Proses Pengeringan Kerupuk Ubi, Eddy Elfiano, Muhd. Noor Izani
90
13. Pemanfaatan Limbah Tempurung Kelapa Sawit (Elacis Guinesis) sebagai Energi
Biomassa yang Terbarukan, Eko Yohanes, Sibut
96
14. Pengaruh Variasi Volume Serat Resam terhadap Kekuatan Tarik dan Impact
Komposit pada Matriks Polyester sebagai Bahan Pembuatan Dashboard Mobil,
Herwandi, Sugianto, Somawardi, Muhammad Subhan
102
15. Pemanfaatan Arang Kayu Bakar sebagai Media Karburasi pada Proses Pack
Karburising, I Dewa Made Krisnha Muku, AAIA Sri Komala Dewi
109
|v
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
PENGARUH FRAKSI VOLUME SERAT TERHADAP KEKUATAN
TEKAN KOMPOSIT FIBERGLASS
AAIA Sri Komaladewi, I Made Astika, I G K Dwijana
Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Udayana
Kampus Bukit Jimbaran Badung Bali 80362
e-mail: [email protected]
Abstrak
Penelitian ini bertujuan untuk menyelidiki pengaruh fraksi volume serat terhadap kekuatan
tekan komposit polyester yang diperkuat dengan serat gelas atau Glass Fiber Reinforced
Polymer (GFRP). Dalam aplikasinya seperti untuk body kendaraan, kompo sit ini banyak
mengalami pembebanan tekan, maka perlu diperhatikan kekuatan dari material tersebut
agar nantinya dalam pengoperasiannya tidak terjadi kegagalan material yang menyebabkan
kecelakaan yang fatal. Proses pembuatan spesimen menggunakan metode press hand lay –
up, dengan resin unsaturated polyester (UPRs) jenis Yukalac 157 BQTN. Serat yang
digunakan adalah serat gelas jenis E–class WR 600 dan pengerasnya menggunakan
hardener jenis metal etil keton peroxide (MEKPO). Variasi fraksi volume serat adalah 44,8,
34,7 dan 24,4%. Spesimen pengujian tekan sesuai dengan ASTM D 695. Hasil penelitian
menunjukkan bahwa bertambahnya fraksi volume serat dalam komposit menyebabkan
naiknya kekuatan tekan komposit GFRP. Nilai tertinggi sebesar 47578,33 N pada komposit
dengan 57 lapis serat.
Kata kunci: komposit, woven roving/ polyester, fraksi volume, kekuatan tekan.
1. Pendahuluan
Perkembangan ilmu dan teknologi yang semakin pesat dewasa ini banyak
memberikan terobosan baru dalam kehidupan manusia. Perkembangan ini juga merambah
pada teknologi bahan teknik dan material rekayasa, karena tuntutan perkembangan jaman
para ahli dipaksa untuk mendapatkan bahan yang kuat, ringan namun relatif murah. Guna
menanggapi permasalahan tersebut maka teknologi polimer dan komposit mulai
dikembangkan untuk mendapatkan berbagai bahan dengan sifat mekanis yang diinginkan
untuk berbagai keperluan. Salah satu material komposit yang saat ini banyak digunakan
adalah polymer yang diperkuat serat gelas atau Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP).
GFRP yang lebih umum disebut fiberglass, banyak digunakan sebagai body kendaraan
khususnya untuk bagian yang membutuhkan material ringan dengan kekuatan dan
ketahanan korosi yang tinggi.
Berdasarkan penelitian sebelumnya bahwa pengujian lelah semakin tinggi fraksi
serat pada bahan komposit, umur lelahnya semakin tinggi pula (I Made Astika 2007).
Penambahan Lapisan serat pada komposit GFRP akan mengakibatkan peningkatan
pada fraksi berat serat dan fraksi volume serat, yang berakibat pada peningkatan kekuatan
dan juga modulus lentur komposit GFRP (NPG Suardana, I W Surata 2007).
Serat gelas yang umum digunakan sebagai komposit adalah yang berbentuk
lembaran serat pendek dengan orientasi acak yang disebut chopped random mat dan
anyaman seperti kain yang disebut woven. Untuk mendapatkan bentuk dan karakteristik
komposit yang diinginkan, lembaran serat dapat disusun berlapis – lapis dalam polymer
sebagai matrik pengisi, dengan fraksi volume serat yang bervariasi.
Penggunaan GFRP baik sebagai peralatan medis, pesawat udara, kapal laut,
otomotif. dalam pengoperasiannya banyak mengalami tekanan, dan pembebanan, terutama
pada tingkat desain yang rumit dengan tingkat orientasi pembebanan yang cukup tinggi,
yang sering mengakibatkan material mengalami kegagalan. Maka untuk itu karakteristik
dan sifat mekanis yang perlu diperhatikan salah satunya adalah kekuatan tekan dari
TM-02 | 7
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
material yang digunakan, agar dalam pengaplikasiannya tidak terjadi kegagalan material
yang dapat mengakibatkan kecelakaan yang fatal.
2. Komposit Berpenguat Serat Gelas
Komposit berpenguat serat gelas atau yang dalam teknologi komposit disebut
GFRP, digolongkan sebagai komposit yang menggunakan polymer sebagai matrik dan
serat sebagai penguat (PMC – FRC).Umumnya GFRP terdiri dari resin unsaturated
polyester (UPRs) sebagai matrik,pengeras atau hardener, dan serat gelas sebagai penguat.
2.1. Serat Gelas
Serat gelas dalam teknologi komposit didefinisikan sebagai suatu material yang
memiliki perbandingan panjang lebih dari 100 kali dari diameternya dengan panjang
minimum 25 mm dan diameter 5 – 20 μm.serat dapat berupa serat panjang (filamen) atau
serabut pendek (staple) juga dapat berupa serat organik yang diperoleh dari alam dan serat
sintetik yang sengaja dibuat dari senyawa kimia (Jacobs, 1994). Serat gelas yang
digunakan dalam komposit GFRP merupakan serat sintetik yang dibuat dari bahan dasar
silikon (Si). Berdasarkan karakteristik dan fungsinya serat gelas dapat dibagi menjadi tiga
jenis yaitu:
1. E – class, merupakan serat gelas yang didesain untuk peralatan - peralatan elektronik
dan peralatan umum lainnya yang membutuhkan sifat isolator dan konduktifitas
thermal yang rendah, dengan komposisi 55,2% SiO2, 8% AL2 O3,18,7% CaO , 4,6%
MgO , O,3% Na2 O, 0,2% K 2 O, 7,3% B2 O3 . Serat E – class memiliki kekuatan tarik
1750 MPa dan modulus elastis 70 GPa (Chawla, 1987). Serat jenis ini paling banyak
digunakan karena harganya relatif lebih murah.
2. S – class, merupakan serat gelas yang didesain kusus untuk peralatan yang
membutuhkan kekuatan dan ketahanan terhadap panas yang tinggi, dengan komposisi
65% SiO2, , 25% AL2 O3 , 10% MgO.
3. C – class, merupakan serat gelas yang didesain khusus untuk peralatan yang
membutuhkan ketahanan terhadap korosi yang tinggi,dengan komposisi 65% SiO2, 4%
AL2 O 3, 14% CaO, 3% MgO, 8,5% Na2 O, 5% B2 O3.
Serat gelas umumnya dibentuk berupa serat panjang kontinu (yarn), kumpulan serat
panjang kontinu (roving), kumpulan serat pendek dengan orientasi acak (chopped strand
mat), dan serat panjang kontinu yang disusun seperti anyaman/kain (woven).
3. Proses Produksi Komposit Berpenguat Serat
Beberapa teknik yang umum digunakan dalam proses pembentukan komposit
khususnya komposit berpenguat serat (FRC) adalah:
1. Pultrusion, merupakan proses pembentukan komposit berpenguat serat dimana dalam
prosesnya serat dicelupkan kedalam wadah berisi resin kemudian melalui beberapa die.
Teknik ini khusus digunakan untuk memproduksi benda berbentuk datar (flat) dan
batang dengan penampang “L” “T” ( L dan T - beam)
2. Filament winding, merupakan proses pembentukan komposit berpenguat serat yang
dalam prosesnya serat yang telah dilapisi resin dialirkan ke mandreal Teknik ini khusus
digunakan untuk memproduksi benda berdiameter sperti pipa.
3. Lay-up merupakan proses pembentukan komposit berpenguat serat yang dalam
prosesnya serat ditumpuk kemudian dilapisi dengan resin yang dapat dikerjakan
dengan menggunakan mesin atau tangan (hand lay- up). Proses ini memiliki
kemudahan dan keunggulan yang lebih dibanding dengan teknik yang lain. Dengan
proses lay-up dapat dihasilkan produk komposit yang beraneka bentuk dengan desain
yang rumit sekalipun.
TM-02 | 8
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
4. Teknik semprot, merupakan proses pembentukan komposit dimana pada teknik ini
serat dipotong pendek-pendek dicampur resin kemudian disemprotkan dibentuk lapisan
demi lapisan.
5. Transfer molding, merupakan proses pembentukan komposit, dengan mengalirkan
campuran resin dan serat pendek ke beberapa cetakan sekaligus. Teknik ini digunakan
untuk memproduksi komposit dalam jumlah besar.
4. Kuat Tekan
Tegangan tekan berlawan dengan tegangan tarik. Jika pada tegangan tarik, arah
kedua gaya menjauhi ujung benda (kedua gaya saling berlawanan), sedangkan pada
tegangan tekan arah kedua gaya saling mendekati. Kekuatan tekan material adalah adalah
nilai tegangan tekan uniaksial yang mempunyai modus kegagalan ketika saat pengujian.
Kekuatan tekan biasanya diperoleh dari percobaan dengan alat pengujian tekan. Ketika
dalam pengujian nantinya, spesimen (berbentuk balok) akan mengalami perubahan panjang
dan terjadi perubahan dimensi kearah lateral. (Ismoyo, 1999). Perubahan benda karena
tegangan tekan dapat dilihat pada gambar 1.
P
Gambar 1. Perubahan benda Akibat penekanan
Keterangan:
A = Luas Penampang
P = Gaya yang Bekerja sebagai penekanan
L0 = Panjang awal
L = Perubahan Panjang, Dimana L = L0 - L1
4.1. Pengujian Tekan
Akibat beban tekan yang diberikan yang merupakan fungsi dari luas penampang
yang mana material akan cenderung mengalami perubahan kearah lateral. Pada uji tekan
gaya yang diberikan ditunjukkan seperti gambar 2.
P
P
P
Gambar 2. Skematik Uji tekan
TM-02 | 9
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
Sebuah batang komposit yang dikenai beban tekan akan mengalami perubahan
panjang. Adapun kurva tegangan regangan akibat beban tekan ditunjukkan pada gambar 3
Gambar 3. Kurva Tegangan Regangan
Pada material yang mengalami deformasi plastis jika terus diberikan tegangan
maka material ini tidak akan berubah kebentuk semula. Perubahan panjang disebut
regangan teknik ( t ) yang didefinisikan sebagai perubahan panjang yang terjadi ( L)
terhadap panjang mula – mula (L0 ). Tegangan yang dihasilkan yang pada proses ini
dinamakan tegangan teknik t dimana didefinisikan sebagai nilai pembebanan yang terjadi
(P) pada suatu luas penampang (A0 ). Adapun rumusan akibat beban tekan dapat ditentukan
dengan persamaan sebagai berikut:
P
s=
(1)
A
Dimana:
s = Tegangan
P = Gaya Penekanan (N)
A = Luas Penampang (m2 )
Regangan akibat beban tekan statis dapat ditentukan dengan persamaan sebagai
berikut:
DL
e=
(2)
L
Dimana:
e = Regangan
DL = Panjang akhir – Panjang awal (m)
L = Panjang awal (m)
Pada prakteknya nilai hasil pengukuran tegangan pada suatu pengujian tekan
maupun tarik merupakan nilai teknik. Regangan akibat beban tekan yang terjadi, panjang
akan menjadi berkurang dan diameter pada spesimen akan menjadi lebih besar.
Robert Hook (1689) telah mengamati sebuah fenomena hubungan antara tegangan
dan regangan pada daerah elastis suatu bahan tertentu dan menyimpulkan bahwa dalam
batas batas tertentu tegangan pada suatu material ialah proporsional terhadap regangan
yang dihasilkan. Teori ini kemudian disebut dengan istilah hukum hook. Namun teori ini
hanya berlaku pada batas elastis material, dimana besarnya tegangan akan berbanding lurus
terhadap pertambahan regangan yang terjadi. Dan bila beban dihilangkan, maka sifat ini
akan menyebabkan material kembali kedalam bentuk semula. Berdasarkan yang dialami
oleh material maka karakteristik material tersebut dapat diketahui, seperti modulus
elastisitas. Berdasarkan hokum hook modulus elastisitas dapat ditentukan berdasarkan
persamaan sebagai berikut:
TM-02 | 10
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
E=
s
e
(3)
Dimana:
E = Modulus Elastisitas
Atau
PxL o
E=
AxDL
Parameter lain yang digunakan untuk dapat mengetahui karakteristik dari material
komposit adalah fraksi serat dalam komposit, adalah perbandingan matrik dan penguat/
serat yang dapat ditunjukkan dalam bentuk fraksi volume serat (Vf) atau fraksi berat serat
(Wf). Fraksi berat serat lebih mudah untuk diukur ketika membuat komposit (Jamasri,
2005). Fraksi berat serat dan fraksi volume serat dapat dihitung dengan persamaan:
wf
Wf =
× 100 %
(4)
wc
vf
Vf =
(5)
´ 100 %
vc
wf
(6)
vf =
rf
Keterangan:
Wf = Fraksi berat serat (%)
wf = Berat serat (g)
wc = Berat komposit (g)
Vf = Fraksi volume serat (%)
vf = Volume serat (cm3 )
vc = Volume komposit (cm3 )
r f = Massa jenis serat (gram/cm3)
4.2. Spesimen Uji Tekan
Spesimen uji tekan yang dibuat dari komposit yang berbentuk balok yang memiliki
dimensi panjang, lebar maupun tinggi yaitu 12,7 mm x 12,7 mm x 25,4 mm.Pengujian ini
sesuai dengan America Society for Testing and Materials (ASTM) D695 dengan
spesifikasi gambar sebagai berikut:
Gambar 4. Spesimen Uji Tekan
TM-02 | 11
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
5. Data Hasil Pengujian dan Pembahasan
Dari tabel pengambilan data dilakukan analisa data sehingga mendapatkan data
hasil pengujian. Adapun hasil pengujiannya adalah sebagai berikut:
Fraksi Volume
Serat
44,8 : 55,2
34,7 : 65,3
24,4 : 75,6
Tabel 1. Tabel Hasil Uji Tekan
F
DL
s = (N
e=
2)
mm
L
A
294,99
0,101
241,26
0,089
182,47
0,066
E=
s N
(
)
mm 2
e
2920,69
2710,79
2764,70
Dari hasil pengujian dan pengolahan data dapat dibuat grafik dan diagram batang
tegangan-regangan seperti gambar sebagai berikut:
Gambar 5. Grafik Tegangan – Regangan
Gambar 6. Diagram Hasil Pengujian Tekan
Pembahasan
Berdasarkan grafik tegangan-regangan komposit GFRP diatas (gbr 5) dan juga sifat
mekanis komposit GFRP, dapat dianalisis bahwa untuk masing-masing jenis komposit
GFRP dengan ketebalan yang sama (25,4mm) untuk tiap penambahan lapisan serat terjadi
peningkatan kekuatan tekan (σ) yaitu masing-masing 94,83% untuk komposit dengan 44
lapis serat dan sebesar 86,65% untuk komposit dengan 57 lapis serat dan terjadi penurunan
sebesar 181,48% untuk 31 lapis serat. Dari grafik tegangan regangan modulus elastisitas
TM-02 | 12
Seminar Nasional Mesin Dan Industri (SNMI8) 2013
Riset Multidisiplin Untuk Menunjang Pengembangan Industri Nasional
Jakarta, 14 November 2013
yang merupakan rasio dalam batasan elastis dari nilai pembebanan dan regangan,
menunjukkan dan dapat membuktikan bahwa fraksi-fraksi serat yang lebih banyak ( 44 dan
57 lapis serat) dapat memberikan nilai yang lebih tinggi.
Pengaruh matrik dalam mendistribusikan beban sangat mempengaruhi kekuatan
komposit. Nilai kuat tekan komposit dengan fraksi volume serat 44,8% memiliki kekuatan
yang paling tinggi yang mana memiliki kekuatan tekan sebesar 47578,33N. Sedangkan
untuk fraksi volume serat 34,7% didapat nilai tekan sebesar 38913N dan untuk fraksi
volume serat 24,4% didapat nilai tekan sebesar 29430N. Hal ini berarti bahwa memang
terjadi peningkatan kekuatan tekan seiring dengan peningkatan fraksi berat serat dengan
ketebalan tetap.
Dari proses pecetakan komposit yang berpenguat serat gelas acak yang diproduksi
dengan teknik press hand lay-up diperoleh bahwa untuk membuat komposit GFRP dengan
ketebalan 25,4 mm jumlah lapisan serat maksimum yang digunakan adalah 57 lapis serat
dengan fraksi volume serat 44,8% ini menunjukkan bahwa untuk mendapatkan nilai
kekuatan tekan yang maksimal dengan cara memperbesar fraksi volume serat.
6. Kesimpulan
Dari hasil pengujiandan analisa data yang telah dilakukan dapat disimpulkan
bahwa:
- Semakin tinggi fraksi volume serat dalam komposit menyebabkan naiknya kekuatan
tekan. Hal ini ditunjukkan dalam grafik tegangan regangan dimana fraksi volume 44,8 :
55,2 menghasilkan nilai tekan tertinggi sedangkan nilai tekan terendah adalah fraksi
volume 24,4 : 75,6.
- Kenaikan jumlah lapisan serat pada komposit GFRP dengan ketebalan tetap bererti
peningkatan pada fraksi volume serat sehingga mengakibatkan peningkatan pada
kekuatan tekan komposit GFRP.
Daftar Pustaka
1. Astika, I Made. (2007)” Pengaruh Fraksi volume serat terhadap umur Lelah Woven
roving/Polyester komposit” Vol 2 no 1, Jurnal Teknik Mesin Mesin Universitas
Udayana.
2. Suardana, Surata, I Wayan (2007). “Pengaruh Jumlah lapisan serat Terhadap sikap
Mekanisnya”, Vol 2 no 1, Jurnal Teknik Mesin Universitas Udayana.
3. Kusmawanto Ade M. (2004)”Pengaruh Jumlah Lapisan serat terhadap ketangguhan
Kompisit Polymer Serat gelas Acak yang diproduksi Dengan Teknik Press Hand Lay
Up” Tugas Akhir..
4. Ivana Such, Hand Book of Die Design, Mc Graw-Hill, 2002.
TM-02 | 13