KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT atas segala berkat,
rahmat dan karunia-Nya yang senantiasa diberikan kepada penulis, sehingga
penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.
Skripsi ini adalah salah satu syarat untuk dapat lulus menjadi Sarjana
Teknik di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera
Utara. Adapun judul dari skripsi ini adalah “Analisis Gaya Dan Pembuatan
Badan Pesawat Tanpa Awak Dari Bahan Material Komposit Yang Diperkuat Polyester Dan Serat Rock Wool Dengan Metode Hand Lay Up”.
Selama penulisan skripsi ini penulis banyak mendapat bimbingan dan
bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis
menyampaikan banyak terima kasih kepada:
1. Kedua orang tua tercinta, (Alm) Musa dan Naisah yang telah banyak
memberikan segala dukungan tak terhingga moril dan materil. Kepada
bapak dan mamak, skripsi ini kudedikasikan.
2. Bapak Dr.Ing.Ir. Ikhwansyah Isranuri sebagai ketua Departemen Teknik
Mesin FT-USU dan selaku dosen pembimbing yang telah banyak
meluangkan waktunya membimbing penulis hingga skripsi ini dapat
diselesaikan dengan baik.
3. Bapak Dr. Ir. M. Sabri, MT dan Bapak Ir. Tugiman, MT selaku dosen
pembanding I dan II yang telah memberi masukan dan saran dalam
penyelesaian skripsi ini.
4. Bapak Ir. A. Halim Nasution, M.Sc dan Bapak Ir. Syahrul Abda, M.Sc
selaku dosen penguji I dan II yang telah memberi masukan dan saran
dalam penyelesaian skripsi ini.
5. Bapak Ir. Syahril Gultom, MT selaku sekretaris Departemen Teknik
Mesin, Fakultas Teknik USU.
6. Bapak/Ibu Staff Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Mesin,
7. Teman Satu Tim (T.Muhammad Rinaldi Aulia, Fauzi Kharisma Putra,
Rahmad Hidayat, Andi Yongko) yang telah memberikan kesempatan
kepada penulis untuk bergabung dalam penyelesaian tugas sarjana ini.
8. Teman-teman seperjuangan Teknik Mesin khususnya (Zulvia Chara Nosa
Ginting, Tri Septian Marsah, Zuhdi Mahendra, Ary Santony, Andri
Setiawan) yang banyak memberi motivasi serta teman-teman angkatan
2009 yang sangat penulis sayangi.
9. Abangda Fadly A. Kurniawan, ST dan Ade Irwan, ST yang telah
membantu penulis dalam penyelesaian tugas sarjana ini.
10.Vivi Lisnawati, SE yang selalu memberi semangat dan motivasi untuk
menyelesaikan tugas sarjana ini.
11.Abang (Serma Junaidi, Juniar, Gusnadi, Maitato S.Pd) dan keluarga besar
penulis yang banyak memberi dukungan kepada penulis untuk
menyelesaikan kuliah dan hingga tugas sarjana ini selesai.
Semoga skripsi ini bermanfaat bagi kita semua dan dapat digunakan
sebagai pengembangan ilmu yang didapat selama dibangku kuliah. Apabila
terdapat kesalahan dalam penyusunan serta bahasa yang tidak tepat dalam skripsi
ini sebagai manusia yang tak luput dari kesalahan penulis mengharapkan masukan
dan kritikan yang bersifat membangun dalam penyempurnaan skripsi ini. Akhir
kata penulis mengucapkan terima kasih, semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi
seluruh kalangan yang membacanya.
Medan, 24 April 2014
Penulis,
ABSTRAK
Badan pesawat adalah komponen utama dari sebuah pesawat terbang. Badan pesawat ini sendiri merupakan tempat melekatnya bagian-bagian pesawat seperti wing, elevator maupun roda pendaratan. Panjang badan pesawat tanpa awak ini adalah 2027 mm. Penelitian ini dilakukan untuk membuat dan menganalisis badan pesawat tanpa awak dengan menggunakan bahan komposit campuran resin polyester dengan serat rock wool. Penelitian ini bertujuan untuk mencari nilai titik berat secara teoritis pada badan pesawat tanpa awak serta mendapatkan nilai tegangan regangan yang terjadi pada badan pesawat tanpa awak melalui simulasi dengan menggunakan software Ansys 14.0. Material komposit didefinisikan sebagai penggabungan serat dan resin. Serat yang dipakai pada penelitian ini adalah serat rock wool yang bermanfaat memiliki daya konduksi termal yang rendah, tidak berjamur, tidak mudah terbakar dan kedap suara. Sedangkan manfaat utama dari penggunaan material komposit adalah mendapatkan kombinasi sifat kekuatan serta kekakuan tinggi dan berat jenis yang ringan. Pada metodologi penelitian terdapat langkah-langkah proses pembuatan badan pesawat tanpa awak. Melalui penelitian ini pada proses pembuatan badan pesawat tanpa awak dikatakan berhasil dan diperoleh letak titik berat pada badan pesawat yang dihitung secara teoritis didapat pada koordinat x= 897,37, y= 77,77. Regangan maksimum yang terjadi sebesar 0.00014584 mm/mm dan regangan minimum yang terjadi sebesar 3.2414 x 10-8 mm/mm. Tegangan maksimum sebesar 4.5635 MPa dan tegangan minimum yang terjadi sebesar 0.00045862 Mpa melalui hasil simulasi dengan software Ansys 14.0 Workbench.
ABSTRACT
The fuselage is the main component of an aircraft. The fuselage itself is a place for the attachment of aircraft parts such as wings, elevators, and landing gear. Drone body length is 2027 mm. This study was conducted to create and analyze drone body using a mixture of polyester resin composite materials with rock wool fibers. This study aimed to explore the value of gravity by using theoretically the drone body and get the value of stress strain that occurs in the body drone through simulation using Ansys 14.0 software. Composite materials is defined as the incorporation of fiber and resin. The fiber used in this study is a useful rock wool fiber has a low thermal conductivity, no moldy, non-flammable and soundproofing. While the main benefit of the use of composite materials is the combination of high stiffness and strength properties and light density. In the research methodology are the steps of making the drone body. Through the research on the process of making the drone agency is successful and obtained the location of the center of gravity on the fuselage theoretically obtained at coordinates x= 897,37, y= 77,77. The maximum strain occurs at 0.00014584 mm/mm and minimum strain occurs at 3.2414 x 10-8 mm/mm. The maximum stress of 4.5635 MPa and the minimum voltage occurs at 0.00045862 MPa through the simulation results with the software Ansys 14.0 Workbench .
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR ... i
ABSTRAK ... iii
ABSTRACT... iv
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR TABEL ... xi
DAFTAR NOTASI... xii
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Perumusan Masalah ... 2
1.3 Tujuan Penelitian ... 3
1.3.1 Tujuan Umum ... 3
1.3.2 Tujuan Khusus ... 3
1.4 Batasan Masalah ... 3
1.5 Sistematika Penulisan ... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.4 Metode Hand Lay Up ... 17
2.5 Desain Struktur Pada Pesawat Tanpa Awak (UAV) ... 19
2.5.1 Badan Pesawat (fuselage) ... 19
2.5.2 Assembling Pesawat Tanpa Awak ... 23
2.6 Analisis Kekuatan Bahan Komposit ... 24
2.6.1 Teori Tegangan Untuk Komposit ... 24
2.6.2 Teori Regangan Normal Maksimum ... 26
2.6.3 Teori Tegangan Geser Maksimum ... 27
2.6.4 Teori Pusat Gravitasi dan Pusat Massa ... 27
2.6.5 Titik Berat, Pusat Massa dan Centeroid ... 29
2.6.6 Simulasi Numerik dengan Ansys 14.0 ... 32
2.6.7 Metode Meshing ... 33
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 36
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian ... 36
3.2 Diagram Alir Penelitian ... 37
3.3 Bahan dan Alat Penelitian ... 38
3.3.1 Bahan Penelitian ... 38
3.3.2 Alat Penelitian ... 40
3.4 Prosedur Pembuatan Badan Pesawat (fuselage) ... 42
3.4.1 Proses Pembuatan Mal ... 42
3.4.2 Persiapan Bahan dan Alat ... 43
3.4.3 Proses Pembuatan Badan Pesawat ... 44
3.4.4 Proses Pinishing ... 48
3.5 Simulasi Numerik ... 51
3.5.1 Tampilan Pembuka Ansys 14.0 ... 51
3.5.2 Mendefinisikan Sistem Analisa ... 52
3.5.3 Mendefinisikan Material Properties ... 53
3.5.4 Tampilan Gambar Fuselage ... 53
3.5.5 Proses Meshing ... 54
3.5.6 Proses Static Structural ... 55
3.6 Diagram Alir Simulasi ... 57
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 58
4.1 Menentukan Titik Berat Badan Pesawat Secara Teoritis ... 58
4.3 Simulasi Numerik ... 66
4.3.1 Simulasi Hasil Total Deformation ... 66
4.3.2 Simulasi Hasil Total Equivalent Elastic Strain ... 67
4.3.3 Simulasi Hasil Equivalent Stress ... 68
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN………...69
5.1 Kesimpulan………...69
5.2 Saran………...69
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Material komposit ... 6
Gambar 2.2 Jenis komposit serat ... 10
Gambar 2.3 Komposit lapis ... 10
Gambar 2.4 Komposit partikel ... 10
Gambar 2.5 Proses hand lay up ... 18
Gambar 2.6 Tipe dan koefisien badan pesawat ... 20
Gambar 2.7 Badan pesawat tanpa awak ... 21
Gambar 2.8 Pandangan depan badan pesawat tanpa awak ... 21
Gambar 2.9 Pandangan samping badan pesawat tanpa awak ... 22
Gambar 2.10 Pandangan belakang badan pesawat tanpa awak ... 22
Gambar 2.11 Gambar teknik badan pesawat tanpa awak ... 23
Gambar 2.12 Assembling pesawat tanpa awak ... 24
Gambar 2.13 Elemen tegangan tiga dimensi ... 24
Gambar 2.14 Lingkaran Mohr untuk beban triaksial ... 25
Gambar 2.15 Komponen-komponen regangan xy dalam bidang xy ... 26
Gambar 2.16 Menentukan titik partikel tetap dalam suatu ruang... 28
Gambar 2.17 Menentukan pusat massa tubuh ... 30
Gambar 2.18 Lokasi pusat massa ... 31
Gambar 2.19 Daerah pusat massa ... 32
Gambar 2.20 Garis pusat massa ... 32
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian ... 37
Gambar 3.2 Serat rock wool jenis Roxul ... 38
Gambar 3.3 Resin polyester tipe 157 ... 38
Gambar 3.4 Katalis jenis MEKPO ... 39
Gambar 3.5 Wax ... 39
Gambar 3.6 Dempul plastik... 40
Gambar 3.7 Dempul plastik hardener ... 40
Gambar 3.8 Mesin gerinda tangan ... 41
Gambar 3.10 Sekrap dempul ... 42
Gambar 3.11 Kuas cat ... 42
Gambar 3.12 Proses pembuatan mal ... 43
Gambar 3.13 Tampilan gambar mal badan pesawat ... 44
Gambar 3.14 Tampilan gambar pemolesan wax ... 44
Gambar 3.15 Tampilan penuangan resin polyester ... 45
Gambar 3.16 Tampilan penuangan katalis kedalam resin ... 45
Gambar 3.17 Tampilan proses metode hand lay up ... 46
Gambar 3.18 Tampilan pelapisan serat rock wool... 46
Gambar 3.19 Tampilan badan pesawat setelah diresin ... 47
Gambar 3.20 Tampilan proses pendempulan ... 47
Gambar 3.21 Tampilan hasil permukaan dempul ... 48
Gambar 3.22 Tampilan hasil permukaan setelah dihaluskan ... 48
Gambar 3.23 Tampilan hasil permukaan setelah dihaluskan merata... 49
Gambar 3.24 Tampilan hasil permukaan setelah dipolishing ... 49
Gambar 3.25 Tampilan hasil proses pengecatan tahap pertama... 50
Gambar 3.26 Tampilan hasil proses pengecatan tahap kedua ... 50
Gambar 3.27 Tampilan hasil permukaan pemodelan ... 50
Gambar 3.28 Tampilan hasil finishing ... 51
Gambar 3.29 Tampilan awal Ansys 14.0 ... 51
Gambar 3.30 Tampilan sistem analisa ... 52
Gambar 3.31 Tampilan Engineering Data ... 52
Gambar 3.32 Tampilan material properties ... 53
Gambar 3.33 Tampilan pembuatan dari Solidworks ... 54
Gambar 3.34 Tampilan gambar fuselage hasil meshing ... 55
Gambar 3.35 Tampilan gambar fuselage hasil fixed support ... 55
Gambar 3.36 Tampilan gambar fuselage hasil yang dikenai beban ... 56
Gambar 3.37 Tampilan proses solution ... 56
Gambar 3.38 Diagram Alir Simulasi ... 57
Gambar 4.1 Gambar teknik fuselage ... 58
Gambar 4.3 Koordinat titik pusat pada masing-masing bagian ... 59
Gambar 4.4 Bidang 1 segitiga siku-siku ... 59
Gambar 4.5 Bidang 2 segitiga sama sisi ... 59
Gambar 4.6 Bidang 3 persegi panjang ... 60
Gambar 4.7 Bidang 4 persegi panjang ... 60
Gambar 4.8 Bidang 5 segitiga siku-siku ... 61
Gambar 4.9 Bidang 6 segitiga siku-siku ... 61
Gambar 4.10 Bidang 7 segitiga siku-siku ... 62
Gambar 4.11 Bidang 8 persegi panjang ... 62
Gambar 4.12 Bidang 9 segitiga siku-siku ... 62
Gambar 4.13 Bidang 10 setengah lingkaran ... 63
Gambar 4.14 Bidang 11 segitiga siku-siku ... 63
Gambar 4.15 Bidang 12 persegi panjang ... 64
Gambar 4.16 Distribusi Total Deformation ... 66
Gambar 4.17 Distribusi Equivalent Elastic Strain ... 67
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Tabel ukuran dan jenis rock wool ... 14
Tabel 2.2 Spesifikasi resin polyester ... 16
Tabel 2.3 Spesifikasi data khusus hasil design ... 19
DAFTAR NOTASI
Simbol Keterangan Satuan
σ Tegangan MPa
A Luas penampang mm2
F Gaya Newton
ε Regangan
ΔL Perpanjangan mm
A1 Luas benda pertama mm
l1 Panjang benda cm
L0 Panjang mula-mula mm
ρ Densitas g/cm3
σy Tegangan mulur MPa
σu Tegangan tarik MPa
σf Tegangan patah MPa
E Modulus Elastisitas Gpa
ABSTRAK
Badan pesawat adalah komponen utama dari sebuah pesawat terbang. Badan pesawat ini sendiri merupakan tempat melekatnya bagian-bagian pesawat seperti wing, elevator maupun roda pendaratan. Panjang badan pesawat tanpa awak ini adalah 2027 mm. Penelitian ini dilakukan untuk membuat dan menganalisis badan pesawat tanpa awak dengan menggunakan bahan komposit campuran resin polyester dengan serat rock wool. Penelitian ini bertujuan untuk mencari nilai titik berat secara teoritis pada badan pesawat tanpa awak serta mendapatkan nilai tegangan regangan yang terjadi pada badan pesawat tanpa awak melalui simulasi dengan menggunakan software Ansys 14.0. Material komposit didefinisikan sebagai penggabungan serat dan resin. Serat yang dipakai pada penelitian ini adalah serat rock wool yang bermanfaat memiliki daya konduksi termal yang rendah, tidak berjamur, tidak mudah terbakar dan kedap suara. Sedangkan manfaat utama dari penggunaan material komposit adalah mendapatkan kombinasi sifat kekuatan serta kekakuan tinggi dan berat jenis yang ringan. Pada metodologi penelitian terdapat langkah-langkah proses pembuatan badan pesawat tanpa awak. Melalui penelitian ini pada proses pembuatan badan pesawat tanpa awak dikatakan berhasil dan diperoleh letak titik berat pada badan pesawat yang dihitung secara teoritis didapat pada koordinat x= 897,37, y= 77,77. Regangan maksimum yang terjadi sebesar 0.00014584 mm/mm dan regangan minimum yang terjadi sebesar 3.2414 x 10-8 mm/mm. Tegangan maksimum sebesar 4.5635 MPa dan tegangan minimum yang terjadi sebesar 0.00045862 Mpa melalui hasil simulasi dengan software Ansys 14.0 Workbench.
ABSTRACT
The fuselage is the main component of an aircraft. The fuselage itself is a place for the attachment of aircraft parts such as wings, elevators, and landing gear. Drone body length is 2027 mm. This study was conducted to create and analyze drone body using a mixture of polyester resin composite materials with rock wool fibers. This study aimed to explore the value of gravity by using theoretically the drone body and get the value of stress strain that occurs in the body drone through simulation using Ansys 14.0 software. Composite materials is defined as the incorporation of fiber and resin. The fiber used in this study is a useful rock wool fiber has a low thermal conductivity, no moldy, non-flammable and soundproofing. While the main benefit of the use of composite materials is the combination of high stiffness and strength properties and light density. In the research methodology are the steps of making the drone body. Through the research on the process of making the drone agency is successful and obtained the location of the center of gravity on the fuselage theoretically obtained at coordinates x= 897,37, y= 77,77. The maximum strain occurs at 0.00014584 mm/mm and minimum strain occurs at 3.2414 x 10-8 mm/mm. The maximum stress of 4.5635 MPa and the minimum voltage occurs at 0.00045862 MPa through the simulation results with the software Ansys 14.0 Workbench .
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pesawat tanpa awak UAV (Unmanned Aerial Vehicle) merupakan jenis
pesawat terbang yang dikendalikan alat sistem kendali jarak jauh lewat
gelombang radio. UAV merupakan sistem tanpa awak (Unmanned System) yaitu
sistem berbasis elektro mekanik yang dapat melakukan misi-misi terprogram
dengan karakteristik sebuah mesin terbang yang berfungsi dengan kendali jarak
jauh oleh
aerodinamika untuk mengangkat dirinya sendiri, bisa digunakan kembali dan
mampu membawa muatan baik senjata maupun muatan lainnya.
Penggunaan terbesar dari pesawat tanpa awak ini adalah dibidang
militer.
dengan pesawat tanpa awak UAV (Unmanned Aerial Vehicle) karena rudal tidak
bisa digunakan kembali dan rudal adalah senjata itu sendiri. Pesawat tanpa awak
UAV (Unmanned Aerial Vehicle) memiliki bentuk, ukuran, konfigurasi dan karakter yang bervariasi. Sejarah pesawat tanpa awak adalah
tanpa awak yang digunakan sebagai sasaran tembak. Perkembangan kontrol
otomatis membuat pesawat sasaran tembak yang sederhana mampu berubah
menjadi pesawat tanpa awak yang kompleks dan rumit.
Kontrol pesawat tanpa awak ada dua variasi utama, variasi pertama yaitu
dikontrol melalui pengendali jarak jauh dan variasi kedua adalah pesawat yang
terbang secara mandiri berdasarkan program yang dimasukan kedalam pesawat
sebelum terbang.
Tidak seperti pesawat pada umumnya yang memiliki pilot dan kru pesawat
untuk mengontrol dan mengawasi secara langsung kondisi pesawat, pada pesawat
tanpa awak kondisi pesawat tidak dapat dikontrol secara langsung karena memang
sistem autopilot dengan mengacu pada parameter-parameter yang telah ditentukan
oleh pengguna sebelum terbang.
Saat ini, pesawat tanpa awak mampu melakukan misi pengintaian dan
penyerangan. Walaupun banyak laporan mengatakan bahwa banyak serangan
pesawat tanpa awak yang berhasil, tetapi pesawat tanpa awak mempunyai reputasi
untuk menyerang secara berlebihan atau menyerang target yang salah.
UAV (Unmanned Aerial Vehicle) sendiri mampu membawa kamera, sensor, alat komunikasi dan beberapa peralatan lain. Pesawat-pesawat semacam
ini berkembang luas di kalangan militer. Pesawat tanpa awak juga semakin
banyak digunakan untuk keperluan
keamanan non militer atau pemeriksaan
sering melakukan tugas yang dianggap terlalu kotor dan terlalu berbahaya untuk
pesawat berawak.
Penelitian ini dilakukan untuk membuat dan menganalisis badan pesawat
(fuselage) tanpa awak (UAV) dengan menggunakan bahan material komposit.
Bahan komposit yang akan diteliti adalah campuran resin polyester dengan serat
rock wool. Melalui penelitian ini diharapkan didapatkan suatu bahan komposit yang ringan dan memiliki sifat mekanik (mechanical properties) yang baik.
Dengan adanya pengembangan UAV (Unmanned Aerial Vehicle), maka
pengembangan dari sisi material ringan dan kuat untuk badan dan sayap pesawat
itu sendiri merupakan sebuah kajian teoritis yang selayaknya mendapatkan
perhatian dari para peneliti, sehingga diharapkan Pesawat UAV
(Unmanned Aerial Vehicle) generasi selanjutnya memiliki unjuk kerja yang lebih
baik karena menggunakan material yang ringan dan kuat.
1.2 Perumusan Masalah
Permasalahan yang akan menjadi pokok bahasan dalam penelitian ini
adalah Melakukan pembuatan badan pesawat tanpa awak dan analisa sifat
mekanik sehingga dapat memperoleh bobot yang ringan dan baik pada material
metode hand lay up yang akan digunakan sebagai badan pesawat (fuselage) tanpa
awak (UAV).
1.3 Tujuan Penelitian 1.3.1 Tujuan Umum
Tujuan umum pada penelitian ini adalah untuk membuat dan menganalisa
badan pesawat (fuselage) tanpa awak (UAV) dari material komposit dengan
metode hand lay up.
1.3.2 Tujuan Khusus
Secara terperinci, penelitian ini memiliki tujuan khusus yang terdiri atas
beberapa poin yaitu:
1. Melakukan proses pembuatan badan pesawat (fuselage) tanpa awak (UAV)
dari material komposit polyester dan serat rock wool dengan metode hand
lay up
2. Mendapatkan nilai titik berat pada badan pesawat (fuselage) tanpa awak
(UAV) dari material komposit polyester dan serat rock wool dengan
metode hand lay up
3. Mendapatkan nilai tegangan regangan yang terjadi pada badan pesawat
(fuselage) tanpa awak (UAV) melalui simulasi dengan software Ansys 14.0
1.4 Batasan Masalah
Dengan melihat begitu banyaknya faktor yang terdapat dalam pembuatan
badan pesawat (fuselage) tanpa awak (UAV) ini, penulis membuat batasan
masalah agar tujuan dan target penelitian dapat dicapai sesuai perencanaan.
Batasan masalah penelitian ini adalah
1. Penelitian hanya difokuskan pada badan pesawat (fuselage) tanpa
awak (UAV)
3. Penelitian difokuskan tentang analisis tegangan maksimum yang
terjadi pada badan pesawat dengan menggunakan simulasi dinamik
4. Material komposit serat rock wool dengan perbandingan antara resin
polyester dan katalis.
1.5 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan tugas akhir ini disajikan dalam tulisan yang terdiri dari
5 bab. Dimana pada bab pertama memberikan gambaran menyeluruh mengenai
tugas akhir yang meliputi pembahasan tentang latar belakang, perumusan dan
batasan masalah, tujuan dan sistematika penulisan.
Pada bab dua berisikan landasan teori dan studi literatur yang berkaitan
dengan pokok permasalahan serta metode pendekatan yang digunakan untuk
menganalisa persoalan.
Pada bab tiga memuat prosedur pembuatan badan pesawat (fuselage) tanpa
awak (UAV) dari material komposit dengan metode hand lay up. Berisi juga
spesifikasi dari alat dan bahan yang digunakan dan jumlah campuran yang
digunakan dalam proses pembuatan serta berisi langkah-langkah proses
pembuatan yang digunakan dalam pengamatan
Pada bab keempat berisikan tentang hasil dan pembahasan, berisi tentang
hasil pengolahan data yang diperoleh dari hasil penelitian kemudian dilakukan
pembahasan terhadap hasil perhitungan teoritis untuk mencari nilai titik berat
serta mencari titik berat secara teoritis dan simulasi softwere Ansys 14.0 untuk
mencari tegangan regangan.
Pada bab kelima berisikan tentang kesimpulan dan saran, berisikan jawaban
dari tujuan dari penelitian dan selanjutnya daftar pustaka serta lampiran.
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
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
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. Penggu naan 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
alang-alang 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
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
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)
(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
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
paling sering dijumpai adalah serat pada
ilmu
Manusia menggunakan serat dalam banyak hal untuk membuat tali, kain, atau
sintetis (serat buatan manusia). Serat sintetis dapat
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
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
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
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
Thermal Conductivity: W/m.K (kcal/m.h.°C)
100 °C 0.043
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
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
jenis-jenis melamin. Plastik jenis-jenis Thermoset tidak begitu menarik dalam proses daur
ulang karena sulit penanganannya juga volumenya jauh lebih sedikir (sekitar
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
molekul-molekul 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
Tabel 2.2 spesifikasi resin polyester
Item Satuan Nilai Tipikal Catatan
Berat jenis
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
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
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
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,
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.
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.
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
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
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.
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:
Regangan yang terjadi memenuhi persamaan:
(2.3)
Dimana :
L = Panjang awal sebelum 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 harga
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.
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.
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
(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
sewenang-wenang 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)
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
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
(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
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:
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
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
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Tempat dan Waktu Penelitian
Pelaksanaan pembuatan badan pesawat tanpa awak (UAV) ini dilakukan di
Rumah Industri bengkel di Jln. Irian Barat. Selanjutnya untuk mencari nilai titik
berat dilakukan cara perhitungan secara teoritis serta mencari nilai tegangan
regangan yang terjadi pada badan pesawat tanpa awak di lakukan simulasi dengan
menggunakan software Ansys 14.0 yang dikerjakan di Lab. Studio Gambar Mesin,
Magister Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Penelitian
ini berlangsung selama ± 5 bulan. Pada lokasi dan aktifitas penelitian dapat dilihat
pada tabel 3.1.
Tabel 3.1 lokasi dan aktifitas penelitian
No Kegiatan Lokasi
1.
2.
3.
Pembuatan badan pesawat tanpa
awak (Unmanned Aerial Vehicle)
Mencari nilai titik berat pada
Prototype fuselage Pesawat Tanpa Awak (Unmanned Aerial Vehicle)
dengan perhitungan teoritis
Membuat simulasi badan pesawat
tanpa awak dengan software Ansys
14.0
Rumah Industri bengkel di Jln.
Irian Barat pasar 7 percut
seituan
Lab. Noise/Vibration Control
in Engineering, Magister Teknik Mesin, FT. USU
Lab. Studio Gambar Mesin,
Magister Teknik Mesin, FT.
