INSTITUT TEKNOLOGI PADANG

(1)

INSTITUT TEKNOLOGI PADANG

Jurnal

Teknik Mesin Volume 6 Issue 1 Pages 1 – 54

Padang April 2016

ISSN 2089 – 4880

(2)

JURNAL TEKNIK MESIN

INSTITUT TEKNOLOGI PADANG

http://ejournal.itp.ac.id/index.php/tmesin/ e-ISSN : 2089-4880

Vol. 6, No. 1, April 2016 p-ISSN : 2089-4880

Editorial Team

Editor-in-Chief : Arfidian Rachman, Ph.D.

Institut Teknologi Padang, Indonesia

Editor : Asmara Yanto

Section Editors : Eswanto

Institut Teknologi Medan, Indonesia

Mastariyanto Perdana

Nurzal

Putri Pratiwi

Romiyadi

Politeknik Kampar, Indonesia

Rozi Saferi

Reviewer : Prof. Dr. Eng. Gunawarman

Universitas Andalas, Indonesia

Prof. Dr. Ilmi

Institut Teknologi Medan, Indonesia

Dr. Firman Ridwan

Universitas Andalas, Indonesia

Dr. Muhammad Yahya

Dr. Ahmad Fudholi

Universiti Kebangsaan Malaysia, Malaysia

Dr. Gusri Akhyar Ibrahim

Universitas Lampung, Indonesia

Dr. Eng. Mochamad Syamsiro

Universitas Janabadra, Indonesia

Dr. Eng. Feblil Huda

Universitas Riau, Indonesia

IT Support : Indra Warman

Publication

Jurnal Teknik Mesin (JTM) is a journal aims to be a peer-reviewed platform and an authoritative source of information. We publish original research papers, review articles and case studies focused on mechanical engineering and other related topics. All papers are peer-reviewed by at least two referees. JTM is managed to be issued twice in every volume (April and October).

Publisher : ITP Press – Institut Teknologi Padang

http://press.itp.ac.id/

Mailing Address : Mechanical Engineering Department - Institut Teknologi Padang

Jalan Gajah Mada Kandis Nanggalo Padang, West Sumatra, 25143 Indonesia

Telp: (0751) 443317 / Fax: (0751) 443317 Email: [email protected]

(3)

JURNAL TEKNIK MESIN

INSTITUT TEKNOLOGI PADANG

Contents Pages

1. Effect of Dynamic Load on Fiberglass and Coir-Based Hybrid Composite Stiffness

Mastariyanto Perdana

01 – 05

2. Experimental Study of Heat Pipe for Solar Collector Heater Dian Wahyu

06 – 14

3. Effect of Aluminium and Copper Powder Addition in Alumina Matrix on Bending Strength

Hendriwan Fahmi and Sulaeman

15 – 18

4. Automatic Sand Sieving Machine with Three Sieves Nofriady Handra, David A. and Randa J.

19 – 23

5. The characteristics of Coconut Fiber-Based Composites and Sugar Fiber-Based Composites

Asfarizal

24 – 31

6. Design of Undershot Waterwheel Curved Blades as Picohydro Power Plant Generation in Tamangil Village

Kristianus Jamlay, Luther Sule and Duma Hasan

32 – 37

7. Influence of Chemical Composition and Chrome Plating Duration on Thickness and Hardness of the Surface Coating on the Brass Plate

Syafrul Hadi

38 – 42

8. Influence of Drying Duration of Paving Block with the 5% Fly Ash Addition on Compressive Strength (Water Binder)

Nurzal and Taufik

43 – 49

9. Development of Dynamic Signal Analyzer Virtual Instrument (DSA VI):

A Research Proposal

Asmara Yanto and Anrinal

50 – 54

(4)

JURNAL TEKNIK MESIN

INSTITUT TEKNOLOGI PADANG

The Scope of JTM

1. Mechanics

2. Energy Science and Engineering

3. Design, Manufacturing and Product Development 4. Control, Instrumentation and Robotics

5. Ocean Science and Engineering

(5)

JURNAL TEKNIK MESIN

INSTITUT TEKNOLOGI PADANG

http://ejournal.itp.ac.id/index.php/tmesin/ e-ISSN : 2089-4880

Pengaruh Beban Dinamik terhadap Kekakuan Komposit Hibrid Berbasis Fiberglass dan Serat Kelapa

Effect of Dynamic Load on Fiberglass and Coir-Based Hybrid Composite Stiffness

Mastariyanto Perdana

Department of Mechanical Engineering, Institut Teknologi Padang Jl. Gajah Mada Kandis Nanggalo, Padang, Indonesia

Received 02 March 2016; Revised 10 March 2016; Accepted 12 March 2016, Published 12 April 2016 http://dx.doi.10.21063/JTM.2016.V6.1-5

Academic Editor: Asmara Yanto ([email protected])

Correspondence should be addressed to [email protected]

Abstract

The composites made from natural fibers have been widely used in the engineering field because the natural fiber-based composites have lightweight nature, relatively strong and environmentally friendly. The use the synthetic fiber-based composites reduced to obtain the environmentally friendly composites. In this study, the use synthetic fibers (fiberglass) reduced by adding coconut fiber (coir) on the composite mix. Composites in this study using the volume fraction of hybrid fiber 12% fiberglass and 18% coir. The volume fraction of fibers and epoxy hybrid is 30:70. This study aims to determine changes in stiffness of the hybrid composites due to dynamic loads. Hybrid composite loaded by 500, 1000, 1500, and 2000 cycles of the dynamic lo ad. The test results show degradation of the rigidity of the hybrid composite. The stiffness decrease like presented by the ratio of E/Eo.

The number of cycles of the dynamic load causes a decrease in stiffness hybrid composites. The stiffness of hybrid composites decrease because of dynamic load treatment reaches 30%.

Keywords: hybrid composite, coir, fiberglass, stiffness, dynamic load

1. Pendahuluan

Komposit merupakan gabungan dari dua atau lebih material yang berbeda menjadi suatu bentuk mikroskopik, yang terbuat dari bermacam-macam kombinasi atau gabungan antara serat dan matrik [1]. Dahulu komposit berbasis serat sintetis pada saat ini sudah mulai beralih pada pemenfaatan serat alami.

Perkembangan komposit serat alam pada saat ini semaki cepat baik pada dunia industri maupun penelitian fundamental.

Komposit berbahan dasar polimer biasanya menggunakan serat sintetis seperti : fiberglass, carbon fiber, dan aramid. Komposit berbahan serat sintetis ini menimbulkan efek yang buruk terhadap lingkungan. Untuk itu penggunaan serat sintetis dikurangi penggunaannya dengan

mengganti serat sintetis tersebut dengan serat alam.

Beralihnya dunia industri memanfaatkan material polimer komposit berbasis serat alam sebagai material teknik ini disebabkan banyaknya komposit serat alam memiliki keunggulan. Adapaun keunggulan dari komposit serat alam tersebuat adalah sebagai berikut: sifat mekanik yang cukup baik, tidak korosif, low density, harga yang relatif murah dan lebih bisa didaur ulang atau ramah lingkungan karena bisa didaur ulang (biodegradable) [2-4]. Sifat low density dari serat alam bisa memberikan kekakuan (stiffness) dan kekuatan (strength) yang baik pada komposit seperti pada komposit berpenguat fiberglass [3].

(6)

M. Perdana / Jurnal Teknik Mesin – ITP (ISSN: 2089–4880): 6(1) (2016) 1-5 2

Pada penelitian terdahulu menjelaskan bahwa pemberian perlakuan zat kimia berupa silane pada komposit menggunakan polimer jenis polipropilen bekas dengan serat ampas tebu memberikan kekuatan yang lebih tinggi dibandingkan tanpa perlakuan [4]. Komposit dengan matriks natural rubber dan penguat serat pisang dengan memberikan perlakuan NaOH dan Na₂SO₃ pada serat pisang menunjukkan peningkatan kekuatan tarik dan modulus elastisitas dari 4.03 MPa menjadi 147.34 MPa dan dari 3.12 MPa menjadi 84.30 MPa [5]. Ini menunjukkan bahwa kekuatan komposit serat alam patut diperhitungkan untuk dimanfaatkan pada bidang keteknikan.

Material komposit juga bisa diaplikasikan pada bagian yang mendapatkan beban berulang atau beban dinamik. Beban dinamik bisa terjadi pada sebuah kontruksi mesin. Beban dinamik yang terjadi pada kontruksi tidak selalu mempunyai amplitudo beban yang konstan, tetapi selalu berubah-ubah dan kadang terjadi amplitudo yang sangat tinggi sampai diatas amplitudo beban perancangan dengan frekuensi sangat rendah. Beban inilah yang biasa disebut dengan overload. Beban lebih dapat membahayakan suatu struktur tapi pada kondisi tertentu mempunyai dampak positif karena dapat memperlambat laju perambatan retak, sehingga umur struktur meningkat [6].

Pemberian beban dinamik atau fatigue loading pada material komposit menyebabkan pertumbuhan delaminasi pada komposit.

Dimana cepat atau lambatnya pertumbuhan delaminasi dipengaruhi oleh temperatur [7].

Untuk mengetahui besar pembebanan untuk uji fatik ini sebelumnya dilakukan dahulu pengujian tarik, langkah ini dimaksudkan untuk mengetahui tegangan tarik maksimal suatu material, karena dalam pengujian fatik ini harga tegangan harus dibawah tegangan ultimate.

Setelah mendapatkan nilai tegangan maksimal dari proses pengujian tarik maka tegangan ini digunakan untuk menentukan beban yang akan diberikan pada proses pengujian fatik.

Pada pengujian fatik juga dapat dilihat perubahan sifat mekanik material akibat pembebanan fatik (Gambar 1). Konsep dari kegagalan digunakan sebagai pendekatan yang lebih sesuai untuk memprediksi umur fatik dari stuktur material komposit.

Gambar 1. Skematik penurunan kekakuan akibat beban fatik [8]

Bagimanapun kegagalan fatik tidak bisa diukur secara langsung. Maka dari itu, untuk evaluasi kuantitatif dari kegagalan fatik, modulus young atau stiffness (kekakuan) dari komposit sering digunakan untuk mengevaluasi kegagalan fatik akibat beban berulang, menggunakan indek kegagalan fatik [9]:

𝐷 = 1 − ^𝐸

𝐸_𝑜 (1)

Dimana D adalah indek kegagalan fatik yang mempunyai range antara 0 – 1. 𝐸_𝑜 adalah modulus young dari material awal dan E adalah modulus young dari material yang telah gagal.

Tingkat kerusakan dapat ditentukan dengan menghitung modulus young dari material yang mengalami siklus fatik.

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh dari siklus beban dinamik yang diberikan terhadap kekakuan dari material komposit hibrid yang berbasis serat kelapa (coir) dan fiberglass.

2. Metode Penelitian

Pada penelitian ini, serat yang digunakan adalah serat hibrid dengan fraksi volume yang terdiri dari 12% fiberglass dan 18% serat kelapa (coir).

Matrik yang digunakan adalah resin epoksi dari PT. Justus Semarang. Perbandingan epoksi dengan hardener adalah 1:1. Fraksi volume antara serat dengan matrik adalah 30% : 70%.

Sebelum pembuatan sampel komposit, serat coir diberikan perlakuan perlakuan alkali (NaOH) 20% selama 30 menit. Kemudian serat coir dibilas dengan air dan setelah itu dikeringkan pada udara terbuka.

Prosedur pembuatan sampel yang terbuat dari komposit berbasis serat hibrid ini adalah sebagai berikut :

1. Siapkan cetakan yang berbentuk dengan dimensi 170 mm x 170 mm x 5 mm yang telah diberi wax diseluruh permukaannya.

(7)

2. Campurkan resin epoxy dengan hardener sampai merata, kemudian tuang ke dalam cetakan komposit.

3. Siapkan serat coir dan fiberglass (serat hibrid), kemudian masukkan fiberglass kedalam cetakan yang telah diisi epoxy dengan cara ditekan selanjutnya diikuti dengan memasukkan serat coir pada lapisan berikutnya.

4. Prosedur diatas dilakuan beberapa kali untuk mendapatkan beberapa lapisan dimana penempatan fiberglass dengan serat coir dilakukan selang-seling sehingga memenuhi cetakan dan tercapai fraksi volume serat dan matrik 30% : 70%.

5. Setelah cetakan penuh, maka dilakukan proses penekanan (compression molding) pada komposit hibrid ini. Kemudian tunggu komposit sampai kering merata.

Setelah komposit hibrid ini dibuat, kemudian dibuat spesimen uji fatik/beban dinamik (ASTM ASTM 3479 yang mengacu pada ASTM 3039). Spesimen uji untuk beban dinamik dapat dilihat pada Gambar 2. Spesimen komposit ini diuji dengan memberikan pembebanan dinamik. Variasi beban dinamik yang diberikan adalah 500, 1000, 1500, dan 2000 siklus.

Gambar 2. Spesimen uji beban dinamik

Metode pengujian fatik (Gambar 3) yang digunakan pada penelitian ini adalah direct stress (aksial) jenis tarik-tarik dengan rasio tegangan 0,9 dan kecepatan 3 siklus per detik menggunakan servo pulser testing machine.

Siklus dari pengujian fatik tarik-tarik yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 4. Siklus pengujian fatik jenis tarik-tarik adalah pengujian fatik dengan pemberian beban tarik awal tertentu kemudian melepaskan beban tarik tersebut pada kondisi beban tidak sampai pada titik beban nol, kemudian dilakukan lagi pemberian beban dengan nilai yang sama seperti pada beban awal penarikan.

3. Hasil dan Pembahasan

Pengujian beban dinamik dilakukan untuk melihat perubahan kekakuan komposit hibrid.

Data hasil pengujian pada Gambar 5 menunjukkan pengaruh variasi siklus beban dinamik terhadap modulus elastisitas dari komposit hibrid.

Pengujian beban dinamik dengan parameter jumlah siklus beban dinamik menunjukkan bahwa jumlah siklus beban dinamik yang diberikan pada komposit seperti yang ditunjukkan pada sumbu horizontal, akan menyebabkan penurunan nilai modulus elastisitas dari komposit hibrid yang ditunjukkan pada sumbu vertikal.

Nilai modulus elastisitas komposit bisa digunakan sebagai indikator untuk melihat kekakuan (stiffness) dari komposit itu sendiri [9]. Perubahan nilai modulus elastisitas komposit mengindikasikan terjadinya perubahan kekakuan dari komposit. Beban dinamik memberikan pengaruh terhadap modulus elastisitas komposit hibrid.

(8)

Gambar 5. Nilai modulus elastisitas komposit hibrid akibat pengaruh jumlah siklus beban dinamik

Semakin banyak beban dinamik yang diberikan, maka nilai modulus elastisitas komposit hibrid semakin menurun. Penurunan nilai modulus elastisitas komposit hibrid mengindikasikan terjadinya penurunan kekakuan dari komposit hibrid. Penurunan kekakuan yang terjadi pada komposit hibrid berbasis serat gelas dan coir ini sesuai dengan hasil penelitian pada komposit berbasis serat karbon [9].

Penelitian terdahulu, menerangkan bahwa terjadinya penurunan nilai storage modulus dari komposit akibat dari pengaruh dari effect temperatur dan jumlah lapisan komposit hibrid berbasis fiberglass dan serat pisang. Semakin tinggi temperatur yang diberikan maka akan semakin rendah modulus komposit [10].

Penurunan kekakuan (E/Eₒ) komposit hibrid berbasis serat gelas dan coir ditunjukkan pada Gambar 6. E merupakan nilai modulus elastisitas komposit sebelum diberikan beban dinamik dan Eₒ merupakan nilai modulus elastisitas komposit hibrid setelah diberikan siklus beban dinamik.

Gambar 6. Degradasi kekakuan akibat jumlah siklus beban dinamik

Penurunan kekakuan yang paling tinggi mencapai 30,00% terjadi pada komposit hibrid yang mengalami perlakuan jumlah siklus beban 2000 kali. Sebagai mana yang dijelaskan sebelumnya, pemberian beban dinamik pada material komposit berbasis resin epoxy dan penguat serat kelapa dan fiberglass menyebabkan penurunan kekakuan ini mengindikasikan material komposit menjadi lebih ulet dan elastis.. Material yang ulet dan elastis mengindikasikan memiliki kekakuan.

4. Simpulan

Material komposit polimer berbasis serat kelapa dan fiberglass jika diberikan pembebanan dinamik atau berulang, maka tejadinya penurunan sifat kekakuan dari komposit tersebut. Penurunan kekakuan dari komposit hibrid ini mencapai 30% dari kekakuan awal sebelum diberikan beban dinamik. Semakin banyak siklus beban dinamik yang diberikan maka akan semakin turun kekakuan dari komposit hibrid tersebut. Pada penelitian selanjutnya diperlukan penambahan siklus dari beban dinamik sehingga mendapatkan jumlah siklus maksimum untuk penurunan kekakuan dari komposit sampai komposit tersebut gagal/failure.

Ucapan Terima Kasih

Terima kasih diucapkan kepada seluruh Staf Teknik Mesin Institut Teknologi Padang yang telah memberikan kontribusi sehingga artikel ini dapat diselesaikan.

Referensi

[1] R. M. Jones, Mechanics of Composite Materials. 2^nd Ed., USA: Taylor &

Francis, 1999.

[2] U. Bongarde and V. Shinde, “Review on natural fiber reinforcement polymer composites,” International Journal of Material Science and Innovatif Technologi, Vol. 3(2), pp. 431-436, 2014.

[3] M. Perdana dan Jamasri “Fracture Surface Komposit Hibrid Berbasis Fiberglass Dan Coir Akibat Pengaruh Thermal Cyclic,” Seminar Nasional Peran Iptek Menuju Insdustri Masa Depan-3 (PIMIMD-3). Institut Teknologi Padang, Padang, 2015.

[4] T. Motaung, “The Effect of Silane Treated Sugar Cane Bagasse on Mechanical Thermal dan Crystallization Studies of Recycled Polypropylene,”

(9)

Journal Material Sciences and Applications, Vol. 6, pp. 724 – 733, 2015.

[5] I. E. Christian, M. Ravindranatha, S. O.

Camelus and D. O. Augustin, “Effect of Surface Treatment and Fiber Orientation on The Tensile and Morphological Properties of Banana Stem Fiber Reinforced Natural Rubber Composite,”

Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering, Vol.

2, pp. 216-222, 2014.

[6] Jamasri, 2000. Pengaruh Beban Lebih Majemuk Terhadap Laju Perambatan Retak Fatik Baja Tahan Karat AISI 304.

Media Teknik No.2 Tahun XXII.

[7] G. Charalambous, A. Giulino and R. H.

Stephen, “Temperature Effect On Mixed Mode I/II Delamination Under Quasi- Static and Fatigue Loading of a Carbon/Epoxy Composite,” Journal Composite : Part A, Elsevier, Vol 77, pp.

75-86, 2015.

[8] A. D. Kelkar and S. T. Jitendra, Effect Of Fatigue Loading On The Stiffness Degradation Of VARTM Manufactured Biaxial Braided Composites. USA:

Department of Mechanical Engineering North Carolina A&T State University, 2004.

[9] A. A. Shirazi and V. Farahani, “A Stiffness Degradation Based Fatigue Damage Model for FRP Composites of (0/θ) Laminate Systems,’ Spinger Science, pp. 137-150, 2009.

[10] L. Photan, “The Static and Dynamic Mechanical Properties of Banana and Glass Fiber Woven Fabric-Reinforced Polyester Composite,’ Journal of Composite Materials, Vol. 39(11), pp.

1007-1025, 2009.

(10)

JURNAL TEKNIK MESIN

INSTITUT TEKNOLOGI PADANG

Studi Eksperimental Pipa Kalor untuk Pemanas Kolektor Surya

Experimental Study of Heat Pipe for Solar Collector Heater

Dian Wahyu

Department of Mechanical Engineering, Politeknik Negeri Padang

Kampus Limau Manis, Limau Manis, Pauh, Padang, Sumatera Barat 25163, Indonesia

Correspondence should be addressed to [email protected]

Abstract

Heat pipes with a size of 0.0127 m diameter x 1.3 m lenght x 0.0008 m thick and absorber with a size of 1m length x 0.1 m width has been created and tested to be used as a solar collector heating element. Heat pipes are made using water as the heat transport medium and using a stainless steel mesh wick 120 as a t ool that helps accelerate the flow of condensate inside the heat pipe. Testing of heat pipes will be do in two condition at an inclination of 30o , before the heat pipes selected as the heating element in the solar collector. Testing of heat pipe on the fi rst condition is done by using 1,000 ml of hot water temperature of 100oC with the power supply of 20 watts as a heat source in the evaporator side and further testing of pipe heat was tested by direct solar radiation, this test is intended to see directly if heat pipe was made able to work in conditions that are expected. Tests are done to see the heat transfer capacity and response speed (τ) of the heat pipe. Based on testing obtained the fastest response in the heat pipes transfer of the heat contained in the filling ratio of 20% with the heat transfer efficiency of 75%.

Keywords: heat pipe, heating element, solar collector

1. Pendahuluan

Perpres Nomor 5 Tahun 2006 Tentang Kebijakan Energi Nasional (KEN) menunjukkan adanya supaya agar pemakaian energi baru dan terbarukan meningkat. Energi terbarukan adalah sumber energi yang dihasilkan dari sumberdaya energi yang secara alamiah tidak akan habis dan dapat berkelanjutan jika dikelola dengan baik, antara lain energi surya, panas bumi, bahan bakar nabati (biofuel), arus sungai, energi angin, biomassa, dan energi laut.

Indonesia memiliki potensi menjadikan energi surya sebagai salah satu sumber energi alternatif masa depan, karena indonesia terletak pada posisi khatulistiwa. Berdasarkan letaknya, Indonesia berada di daerah beriklim tropik dimana daerah ini kaya akan curahan energi surya. Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral memberikan data potensi energi surya harian rata-rata di Indonesia sebesar 4,5-6,8 kWh/m²/hari. Bandung terletak pada koordinat

107^o36’ Bujur Timur dan 6^o55’ Lintang Selatan.

Berdasarkan program Meteonorm radiasi rata- rata harian berkisar antara 4,5-5,4 kWh/m²/hari.

Berdasarkan hal tersebut, pertimbangan untuk memanfaatkan energi surya sangat mungkin dilakukan [1].

Usaha pemanfaatan energi surya untuk memberikan sumbangan bagi pemenuhan kebutuhan energi sejak lama telah dilakukan tetapi belum optimal.

Pada saat ini pemanfaatan energi surya telah dilakukan dengan dua cara, yaitu dengan menggunakan teknologi surya fotovoltaik dan teknologi surya termal. Teknologi surya fotovoltaik biasanya digunakan untuk pemenuhan kebutuhan listrik skala kecil seperti penerangan rumah, penyuplai pompa air, penyuplai televisi LCD dan LED, dan lain-lain.

Sementara teknologi surya termal dapat digunakan langsung seperti untuk pengering dan pemanas air [2].

(11)

D. Wahyu / Jurnal Teknik Mesin – ITP (ISSN: 2089–4880): 6(1) (2016) 6-14 7

Namun potensi ini belum termanfaatkan secara optimal khususnya untuk kebutuhan skala rumah tangga melalui penggunaan kolektor surya. Salah satu penyebabnya adalah adanya anggapan masyarakat bahwa kolektor surya sebagai alat untuk mengkonversi energi surya merupakan barang ekslusif berteknologi tinggi yang harganya cukup mahal. Tentu asumsi tersebut tidak sepenuhnya benar karena masih banyak faktor lain yang perlu dipertimbangkan khususnya untuk jangka panjang. Hal ini menarik untuk dikaji lebih mendalam, bagaimana mendapatkan kolektor surya sebagai pre-heater skala rumah tangga dengan biaya yang terjangkau untuk mereduksi penggunaan bahan bakar minyak yang semakin terbatas.

Penelitian terdahulu diantaranya mengkaji kinerja berbagai jenis kolektor surya seperti menganalisis perfomansi sistem kolektor surya jenis palung silindris dengan absorber multi-pipa [3], mengkaji kolektor surya pemanas air dengan menggunakan pelat absorber gelombang [4], dan melakukan studi eksperimental kolektor tubular dengan memanfaatkan lampu neon bekas sebagai kaca penutup kolektor [5].

Usaha pemanfaataan energi matahari menggunakan kolektor surya konvensional dirasa masih belum efisien karena memiliki efisiensi rendah sekitar 15% - 30% [6]. Pipa kalor adalah alat superkonduktor yang mampu memindahkan panas secara cepat, dengan memanfaatkan panas laten fluida kerja yang berada dalam pipa kalor.

Beberapa penelitian pipa kalor telah dilakukan sebelumnya [7-10]. Pipa yang dibuat menggunakan fluida kerja air dengan pipa tembaga berukuran diameter luar 8 mm, tebal 1 mm, panjang 400 mm. Bahan struktur sumbu (wick) yang digunakan kasa Stainless Steel SS 304, mesh 50. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pipa kalor yang dibuat mempunyai temperatur operasi pada kisaran 110 – 150^oC dan kinerja terbaik tercapai pada filling ratio 0.19 dimana kecepatan perpindahan panas adalah 11 kali kecepatan perpindahan panas pada tembaga pejal [7]. Pipa kalor menggunakan bahan tembaga dengan ukuran diameter luar 4.7 mm, tebal 0.5 mm dan panjang 360 mm. Fluida kerja adalah air dan struktur sumbu (wick) menggunakan kasa Stainless Steel SS 304, mesh 50. Penelitian dilakukan dengan memvariasikan kemiringan sudut pipa kalor dari posisi vertikal sampai horizontal dengan beda variasi sebesar masing-masing 15^o dan beban pemanasan. Hasil yang diperoleh menunjukkan kapasitas perpindahan panas pipa kalor dipengaruhi oleh kemiringan pipa kalor dan besarnya beban panas.

Perbandingan konduktivitas termal pipa kalor terhadap tembaga pejal 950 kali pada posisi horizontal untuk input daya 45 Watt, sedangkan pada posisi vertical adalah 550 untuk input daya 92 Watt [8]. Posisi terbaik pipa kalor pada posisi vertikal dengan kapasitas panas yang paling besar [9]. Wayan [10] meneliti pengaruh kemiringan pipa kalor dan pengaruh filling ratio dalam memindahkan panas. Pipa kalor yang dibuat menggunakan bahan tembaga diameter luar 9.525 mm, tebal 0.8 mm, panjang 300 mm dengan fluida kerja air dan wick stainless steel mesh 100. Hasil penelitian menunjukkan kapasitas perpindahan panas pipa kalor dipengaruhi oleh kemiringan pipa kalor. Pipa kalor dengan posisi vert ikal mempunyai perpindahan panas yang paling tinggi dan posisi horizontal mempunyai perpindahan panas paling rendah. Dari perhitungan perpindahan panas diperoleh bahwa konduktivitas termal pipa kalor 195.32 kali dari tembaga pejal.

Penggunaan pipa kalor sebagai elemen pemanas kolektor surya, sangat menjadi prospek yang menjajikan karena memiliki kemampuan yang baik dalam menyerap panas energi matahari. Penggunaan pipa kalor didalam kolektor surya dapat meningkatkan penggunaan energi matahari yang mampu mencapai efisiensi kerja 47% [1].

2. Metode

A. Prinsip Kerja Pipa Kalor

Pipa kalor merupakan pipa berongga yang kedua ujungnya ditutup setelah sejumlah fluida kerja ditempatkan di dalamnya [2]. Secara umum pipa kalor bekerja memanfaatkan kalor laten dari fluida kerja. Proses perpindahan panas pada pipa kalor terjadi pada tiga daerah hantaran yaitu, evaporator, adiabatic dan condenser dimana bagian itu dapat diilustrasikan seperti Gambar 1. Struktur wick digunakan untuk membantu mempercepat aliran kondensat di dalam pipa.

Pada Gambar 2, dapat dilihat kondisi fasa fluida kerja sebelum dan sesudah kalor masuk ke area evaporator pipa kalor . Ketika kalor masuk di sepanjang sisi evaporator, dimana temperatur kalor masuk melebihi temperatur saturasi fluida kerja, hal tersebut menyebabkan sejumlah cairan fluida kerja menguap. Uap akan mengalir ke area kondensor karena terjadi peningkatan tekanan uap.

(12)

Panas Keluar (Qout)

Panas Masuk (Qin) Daerah

Kondensor

Daerah Adiabatik

Daerah Evaporator

Uap Kondensat

Fluida Kerja

Gambar 1. Skematik pipa kalor

Pada bagian kondensor, kalor laten uap dipindahkan ke lingkungan sekitar, hal ini menyebabkan temperatur dan tekanan uap turun sehingga kondensat terbentuk. Kondensat akan kembali ke area evaporator melalui wick, sementara penurunan tekanan uap akan menguapkan lagi sejumlah fluida kerja yang berada pada daerah evaporator. Proses ini akan berlangsung secara terus menerus sepanjang adanya panas yang diterima dibagian evaporator.

Gambar 2. Proses perpindahan panas pipa kalor

Secara sederhana siklus yang terjadi pada pipa kalor dapat diringkas berdasarkan Gambar 2, seperti di bawah ini:

Proses Keterangan

0-1 Peristiwa evaporasi pertama kali kalor masuk

1-2 Peristiwa kondensasi karena kalor dipindahkan keluar pipa kalor

2-1 Peristiwa evaporasi B. Fluida Kerja Pipa kalor

Fluida kerja berfungsi untuk memindahkan panas dari evaporator ke kondensor. Untuk itu harus dipilih fluida kerja yang yang memiliki temperatur titik cair di bawah temperatur operasi dan memiliki temperatur kritis di atas temperatur operasi dan memiliki kalor laten yang tinggi.

C. Pemanas Air Surya

Pemanfaatan energi matahari untuk pemanasan air bukan merupakan ide baru. Lebih dari seratus tahun yang lalu, tangki air yang dicat hitam telah digunakan sebagai pemanas air surya sederhana di berbagai Negara. Teknologi pemanas air surya telah berkembang dalam beberapa dekade terakhir. Sekarang lebih dari 30 juta m² kolektor pemanas air surya telah dipasang di seluruh permukaan bumi.

Keuntungan penggunaan pemanas air surya adalah penghematan biaya dalam pemanasan air, karena beberapa pemanas air surya tidak membutuhkan pasokan listrik untuk beroperasi.

Selama irradiance matahari cukup, air panas tetap diproduksi seperti pemanasan air kolam renang secara langsung.

(a)

(b)

(c)

(d)

Gambar 3. Tabung kolektor surya. (a) Konstruksi tabung kaca pada kolektor surya tabung hampa. (b) Tabung hampa kolektor surya menggunakan heat pipe. (c)

Tabung hampa kolektor surya menggunakan pipa berbentuk U. (d) Compound Parabolic Concentrator (CPC) yang digunakan pada kolektor surya tabung hampa

(13)

Tiga operasi dasar pada sistem pemanas air surya [3]:

1. Pengumpulan

Radiasi matahari dapat diserap dengan menggunakan kolektor surya.

2. Pemindahan

Sirkulasi air pada kolektor surya menyebabkan perpindahan energi dari kolektor surya ke tangki penyimpanan.

Sirkulasi fluida bisa terjadi secara alami (thermosiphon systems) atau sirkulasi paksa (low-head pump).

3. Penyimpanan

Air panas dapat disimpan pada tangki penyimpanan yang diberi isolasi termal.

Salah satu jenis kolektor surya yang menggunakan pipa kalor adalah kolektor tabung hampa. Kolektor surya ini terdiri dari tabung- tabung kaca. Tabung tersebut memiliki 2 lapisan kaca, dimana udara di dalam ruang tersebut telah divakum, ini bertujuan untuk menimalisir rugi- rugi panas konveksi pada kolektor. Absorber dengan permukaan selektif ditempatkan di dalamnya seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.(a). Kolektor ini bagus dalam penyerapan energi matahari dan rugi termal ke lingkungan sangat rendah. Kolektor tersebut sudah menjadi komoditi pasar internasional. Kolektor ini memakai teknologi heat pipe dan pipa berbentuk U yang diletakkan dalam setiap tabung kaca hampa. Fungsi heat pipe dan pipa berbentuk U adalah untuk memindahkan panas yang diserap oleh absorber ke tempat manifold. Kolektor ini biasanya digunakan pada kondisi daerah temperatur sedang dan temperatur tinggi untuk tujuan pembuatan air panas (kondisi temperatur air yang dihasilkan sampai pada temperatur 90^oC), dan pemanasan ruangan dll. Beberapa kolektor ini dilengkapi dengan konsentrator yang membantu meningkatkan efisiensi kolektor [7].

Pada Gambar 3.(b) proses perpindahan panas antara heat pipe dengan manifold terjadi melewati perubahan fasa fluida kerja heat pipe.

Fluida kerja di dalam heat pipe akan menguap ketika energi surya jatuh pada bidang absorber, dimana bidang absorber merupakan tempat penempelan evaporator heat pipe. Uap akan mengalir ke arah sisi kondensor heat pipe yang bersentuhan dengan manifold kolektor.

Kondensat akan terbentuk ketika panas laten uap dipindahkan ke fluida yang mengalir pada manifold.

Gambar 3.(c) ini adalah kolektor yang digunakan pada penelitian pengembangan teknologi pompa kalor temperatur tinggi oleh

Djuanda. Secara konstruksi kolektor ini, mempunyai kemiripan dengan kolektor surya heat pipe tabung hampa. Perbedaannya terletak pada proses pemanasan air pada kolektor. Air yang akan dipanaskan, akan mengalir di dalam pipa U sebelum menuju ke manifold.

Gambar 3(d) dapat digunakan pada kedua kolektor ini, dimana fungsinya membantu memantulkan kembali sinar radiasi yang jatuh di celah kolektor menuju absorber. Konsentrator tersebut berguna meningkatkan efisiensi dari kolektor.

Adapun komponen yang digunakan pada kolektor surya tabung hampa ditunjukkan pada Gambar 4 [5].

1. Heat pipe

Perpindahan energi berlangsung sangat cepat dan efisien.

2. Glass tube top holder

Berfungsi Sebagai penahan tabung kaca pada bagian manifold.

3. Cover

Berfungsi meminimalisir rugi-rugi panas dari dalam tabung kaca.

4. Absorber plate

Berfungsi sebagai penyimpan energi termal.

5. Vacuum layer between the glass skins 6. Solar glass tube

Membantu meningkatkan penyerapan energi surya dan menimalisir

rugi-rugi panas.

7. Base/tube seal

Ujung pipa kaca membantu meminimalisir rugi panas kolektor

Gambar 4. Bagian komponen pada tabung kaca pada kolektor surya hampa

D. Perpindahan Panas dalam Pipa kalor Apabila ada kalor masuk pada sisi evaporator, maka kalor tersebut akan dipindahkan melalui kalor laten fluida kerja dalam pipa kalor ke bagian kondensor. Pada dasarnya, proses perpindahan panas yang terjadi di dalam pipa kalor merupakan bagian siklus termodinamika.

Gambar 5. memperlihatkan jumlah panas yang

(14)

masuk pada sisi evaporator sama besarnya dengan panas yang dilepaskan pada sisi kondensor pipa kalor.

Gambar 5. Skema perpindahan panas pada pipa kalor

Jumlah panas yang dipindahkan pipa kalor, pada kondisi temperatur kerja dapat dihitung sesuai dengan persamaan berikut:

Q_HP=(2σ_lcosθ-ρ₁gl_effsinΦ)ρ₁LA_wK

r_cμ_ll_eff (1)

Dengan

la = panjang bagian adiabatik (m) lc = panjang bagian kondensor (m) l_e= panjang bagian evaporator (m) ρ1 = massa jenis uap (kg/m³) µ₁= viskosita dinamik uap (Ns/m²) l_eff = panjang efektif (m) = I_a + 0,5(I_c + I_e) L = kalor laten spesifik penguapan (J/kg) A_w

=

luas wick= tπD

K= permeabilitas wick (m²)

θ = sudut kontak antara fluida dengan dinding pipa kalor

Φ= sudut pipa kalor terhadap horizontal r_c= radius pori-pori

E. Perhitungan Laju Perpindahan Panas dan Koefisien Perpindahan Panas Pipa Kalor

Perhitungan mengenai laju perpindahan panas (Q_out) dan konduktivitas termal dari pipa kalor. Persamaan untuk menghitung perpindahan panas yang terjadi dalam pipa kalor adalah [5] :

Q_out = ṁ_wc_pw(T̅_out− T̅_in) (2) dengan

ṁ_w : laju aliran massa air pendingain (kg/s) c_pw : kalor jenis air (kJ/kgK)

T_in : temperatur air pendingin masuk (^oC) T_out : temperature air pendingin keluat (^oC)

F. Skematik pengujian dan Perangkat pengujian serta Alat yang digunakan Pengujian pipa kalor dilakukan sebelum pemasangan absorber pipa kalor pada kolektor pemanas surya. Pengujian dilakukan pada berbagai rasio pengisian fluida dan pada kemiringan pipa kalor sebesar 30^o. Rasio pengisian (filling ratio) adalah perbandingan volume fluida di dalam pipa kalor dengan volume rongga dalam pipa kalor. Dalam hal ini rasio pengisian yang diuji adalah 5%, 10%, 20%, 30%. Pengujian ini bertujuan untuk melihat kecepatan respon pipa kalor dalam memindahkan panas dan kapasitas panas yang mampu dipindahkan oleh pipa kalor. Indikator yang dilihat adalah waktu yang dibutuhkan untuk mencapai keadaan tunak atau dikenal dengan istilah thermal time constant (τ). Hal Ini bisa diketahui dengan mengukur temperatur sumber panas pada evaporator pipa kalor dan temperatur energi yang dipindahkan pada sisi kondensor pipa kalor. Pengujian ini dilakukan dengan dua sumber panas, pertama dengan pemanasan pipa kalor dengan air 1.000 mL pada temperatur 100 ^oC dengan daya masuk 20 watt, berikutnya pemanasan dengan radiasi matahari langsung. Dengan melakukan pengujian ini diharapkan bisa mendapatkan pipa kalor yang tepat dan mampu bekerja pada kolektor pemanas air surya.

Gambar 6. Skema pengujian pipa kalor

Gambar 7. Perangkat pengujian pipa kalor

(15)

Prosedur untuk melakukan pengujian adalah:

1. Pipa kalor dengan berbagai rasio pengisian sudah dibuat dan dipersiapkan.

2. Panaskan air dengan volume 1.000 mL dengan pemanas air degan daya 20 watt 3. Letakkan absorber pipa kalor ke tempat

pengujian seperti yang terlihat pada Gambar . 4. Pasang termokopel pada sisi evaporator dan

kondensor pipa kalor.

5. Hubungkan kabel termokopel ke data aquisisi.

6. Masukkan air panas yang telah mendidih pada sisi evaporator pipa kalor.

7. Rekam data temperatur evaporator dan kondensor dengan laptop.

G. Pengujian Pipa Kalor dengan Radiasi Langsung

Pengujian ini dilakukan untuk memprediksi apakah pipa kalor mampu bekerja untuk memanaskan air pada kolektor surya. Pengujian ini dilakukan pada radiasi rata-rata 800 W/m².

Gambar 8. Perangkat pengujian dengan radiasi

Prosedur untuk melakukan pengujian adalah:

1. Pipa kalor yang diuji adalah pipa kalor yang telah dipilih pada pengujian pipa kalor dengan sumber panas 1.000 mL air pada temperatur 100 ^oC.

2. Pengujian dilakukan pada tempat yang sama, hari dan jam yang sama

3. Letakkan absorber pipa kalor ke tempat pengujian seperti yang terlihat pada Gambar 4. Pasang termokopel pada sisi evaporator dan

kondensor pipa kalor.

5. Hubungkan kabel termokopel ke data aquisisi.

6. Sebelum merekam data temperatur, tutup bidang absorber pipa kalor agar radiasi tidak masuk.

7. Jika persiapan pengujian sudah matang, buka penutup dan rekam data temperatur evaporator dan kondensor dengan laptop.

H. Alat-alat yang Dibutuhkan

Adapun alat-alat yang dibutuhkan dalam pengujian ini adalah:

1. Pipa kalor dengan rasio pengisian yang berbeda, adalah pipa kalor yang akan diuji perfomansinya.

2. Air, digunakan sebagai indikator adanya penyerapan energi dari absorber pipa kalor ke air, yang diindikasikan dengan kenaikan temperatur air.

3. Tangki head konstan, berfungsi untuk mengatur laju aliran air ke kondensor pipa kalor.

4. Reservoar air, menampung air yang berlebih yang dipasok pompa ke tangki head konstan.

5. Pompa, berfungsi untuk mengalirkan air dari bak penampungan air ke tangki head konstan.

6. Sensor temperatur, digunakan untuk mengukur temperatur air masuk dan keluar kondensor pipa kalor serta temperatur lingkungan.

7. Alat ukur intensitas radiasi matahari, digunakan untuk mengukur intensitas radiasi matahari.

8. Data akuisisi, pengubah sinyal analog yang dihasilkan sensor temperatur ke sinyal digital.

9. Laptop, berfungsi sebagai perekam dan pengolah data.

3. Hasil dan Pembahasan

Setelah melakukan pengujian pipa kalor, didapatkan beberapa data tentang kemampuan pipa kalor dalam memindahkan panas yang dapat dilihat pada Gambar 9-14.

Gambar 9. Pengujian pipa kalor dengan rasio pengisian 5%

(16)

Gambar 13. Distribusi temperatur pada masing-masing pipa kalor

Gambar 14. Laju perpindahan panas pipa kalor

Gambar 9 sampai Gambar 14 diatas menunjukkan kemampuan pipa kalor dalam memindahkan panas. Data diatas merupakan data hasil pengujian dengan sumber panas input sebesar 20 W. Dari hasil pengujian dapat dilihat bahwa pipa kalor yang memiliki rasio pengisian sebesar 20% memiliki kemampuan yang lebih baik dibandingkan pipa kalor lainnya. Selain itu, jika dilihat dari perbedaan temperatur antara evaporator dan kondensor, pipa kalor yang

memiliki rasio pengisian sebesar 20% memiliki perbedaan temperatur yang sangat kecil dibandingkan dengan pipa kalor lainnya. Hal ini mengindikasikan bahwa kemampuan pipa kalor Fr 20% memiliki kemampuan memindahkan panas sangat efektif dari yang lainnya. Dari hasil pengujian didapatkan efisiensi kerja tertinggi pipa kalor sebesar 75% pada pipa kalor yang memiliki rasio pengisian sebesar 20%.

Gambar 15. Pengujian pipa kalor dengan rasio pengisian 5% pada pengujian pemilihan pipa kalor dengan

radiasi

Gambar 16. Pengujian pipa kalor dengan rasio pengisian 10% pada pengujian pemilihan pipa kalor

dengan radiasi

(17)

Gambar 19. Distribusi temeperatur pipa kalor pada pengujian pemilihan pipa kalor dengan radiasi

Gambar 20. Pengujian pipa kalor pipa kalor dalam memindahkan panas

Meskipun data dari pengujian pipa kalor dengan sumber panas sebesar 20 watt sudah dapat menggambarkan pipa kalor yang memiliki kemampuan yang baik dalam memindahkan panas dan respon yang cepat dalam memindahkan panas, namun belum dapat menentukan pilihan pipa kalor yang dapat berfungsi sebagai elemen pemanas kolektor surya. Gambar 15 sampai Gambar 20 merupakan hasil pengujian pipa kalor dengan sumber panas dari radiasi langsung. Gambar 15 sampai Gambar 20 diatas memperlihatkan kemampuan pipa kalor meneruskan panas. Ini diperlihatkan pada nilai temperatur pada sisi kondensor dan evaporator hampir sama. Pada Gambar 16 dan Gambar 17 memperlihatkan perbedaan nilai temperatur antara evaporator dengan kondensor relatif sama, namun nilai temperatur kondensor dan evaporator kedua pipa kalor berbeda. Pipa kalor dengan Fr 20% lebih memiliki nilai temperatur evaporator dan kondensor lebih tinggi dibandingkan dengan pipa kalor dengan Fr10%. Dengan demikian pipa kalor dengan Fr 20% lebih baik dibandingkan dengan pipa kalor dengan Fr 10% dan pipa kalor lainnya.

Untuk mengambil kesimpulan pipa kalor yang akan dipilih, maka ditampilkan Gambar 20 yang memperlihatkan kecepatan respon pipa kalor (τ).

Nilai kecepatan respon dari pipa kalor ini, dapat ditentukan besarannya pada rentang waktu tertentu untuk kedua jenis pengujian. Kecepatan

respon pipa kalor ini, mengindikasikan waktu yang dibutuhkan untuk mencapai keadaan tunak.

Terlihat jelas pada Gambar 20 diatas, keseluruhan pipa kalor yang dibuat dapat bekerja dalam memindahkan panas pada setiap filling ratio yang dibuat kecuali pada nilai filling ratio 100%. Berdasarkan hasil kedua jenis pengujian tersebut, didapatkan jenis pipa kalor yang mempunyai respon yang paling bagus, yaitu pipa kalor dengan pipa kalor filling ratio 20%. Selain itu, pipa kalor dengan Fr 20%

memiliki kinerja yang paling bagus dalam memindahkan panas.

Pertimbangan lain meliputi masalah kekeringan fluida (dryout) pada sisi evaporator.

Dimana kondisi dryout ini perlu dihindari karena berpengaruh pada operasi kerja pipa kalor. Jika kondisi ini terjadi, maka proses transformasi panas pun terhenti, karena tidak ada lagi fluida yang akan diuapkan.

Mengingat sumber panas pada sisi evaporator pipa kalor bersumber dari radiasi matahari maka kebutuhan pipa kalor untuk kolektor surya dengan filling ratio 20 % dipilih.

Pemilihan ini dilakukan berdasarkan karakteristik pipa kalor yang memberikan respon yang paling baik terhadap energi masuk dan kapasitas pemindahan panas yang lebih besar dibandingkan dengan semua filling ratio lainnya.

4. Simpulan

Setelah melakukan studi literatur, merancang, membuat, menguji, dan menganalisa penelitian ini, dapat disimpulkan sebagai berikut bahwa : 1) Pipa kalor dengan filling ratio 20% dipilih

untuk elemen pemanas kolektor surya, dan selain itu pipa kalor ini mampu memindahkan panas dengan kapasitas 15 W dengan efisiensi kinerja 75%.

2) Pipa kalor yang dipilih memiliki nilai constant thermal yang tinggi dibandingkan dengan pipa kalor lainnya.

Ucapan Terima Kasih

Terima kasih diucapkan kepada Staf Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Padang yang telah memberikan kontribusi sehingga artikel ini dapat diselesaikan.

Referensi

[1] American Society of Heating, Refrigeratoring and Air Conditioning Engineers Inc. ASHRAE Pocket Guide for Air Conditioning, Heating, Ventilation, Refrigeration 7th Edition.

(18)

Tullie Circle, NE Atlanta: W. Stephen Comstock.

[2] B&K Engineering. (1979). Pipa kalor Design Handbook. Maryland: Nasa.

[3] P. I. Cooper and R.V. Dunkle, “A non- linear flat plate collector model,” Solar Energy, Vol. 26(2), pp. 133-140, 1981.

[4] G. Y. Nugroho, “Kaji Ekperimental Penggunaan Pipa Kalor Dalam Kolektor Surya Sebagai Penyerap Energi Termal Surya Untuk Penyuplai Pompa Kalor Temperatur Tinggi, Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin (SNTTM) ke-9, Palembang, 13-15 Oktober 2010.

[5] D. Reay and P. Kew, Pipa kalors Theory, Design, and Aplication. Great Britain:

Butterworth-Heinemann Publication, (2006).

[6] D. W. Shepherd, Energy Studies, 2^nd Ed., London, UK: Imperial College, 2003.

[7] A. A. M. Sayigh, Solar Flat Plate Collectors, in Technology for Solar Energy Utilization, Development and Transfer of Technology Series No.5, United Nations Industrial Development Organization, 1987.

[8] W. F. Stoecker, (1989), Design of Thermal Systems, 355^rd Ed., NewYork:

McGraw-Hill Book Co.

[9] T. J. Jansen, Solar Engineering Technology, New York: Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs., 1995.

[10] D. Wahyu, “Kaji eksperimental kolektor surya untuk heat pump temperatur tinggi,” Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XII, Universitas, Lampung, Bandar Lampung, 23-24 Oktober 2013.

(19)

JURNAL TEKNIK MESIN

INSTITUT TEKNOLOGI PADANG

Pengaruh Penambahan Serbuk Aluminium dan Tembaga pada Matrik Alumina terhadap Kekuatan Bending

Effect of Aluminium and Copper Powder Addition in Alumina Matrix on Bending Strength

Hendriwan Fahmi ^1,*, Sulaeman ¹

1 Department of Mechanical Engineering, Institut Teknologi Padang Jl. Gajah Mada Kandis Nanggalo, Padang, Indonesia

*Correspondence should be addressed to [email protected]

Abstract

The aim of this research is to find out the influence of the addition of aluminum (Al) and copper (Cu) on matrik alumina (Al2O3) against the forces of bending. Of aluminum made by a process of water and atomization of copper made by the process of atomization centrifugal. Consisting of copper aluminum and continued with a sifting using a measure of 50 - 100 mesh up to get the size of the amounting to 150 - 125 µm. of the measures followed by the process of mixing with the variation of a composition of 100 % of the volume of Al2O3, 90 % of the volume of Al2O3 + 10 % heavy Al and Cu, 80 % of the volume of Al2O3 + 20 % heavy Al and Cu, 70 % of the volume of Al2O3 + 30 % heavy Al and Cu, al2o3 + 60 % of the volume of 40 % heavy Al and Cu. Then will be the process of compacting with pressure 140 MPa. The process of sintering committed using furnace with the temperature 1050 ^OC by heating rate 5 ^OC / minute. In this research voltage power bending highest obtained in composition 80 % of the volume of Al2O3 + 20 % heavy Al and Cu to voltage bending average of 6,66 MPa.

Keywords: bending test, powder, process testing, composition and temperature

1. Pendahuluan

Proses pembuatan serbuk melibatkan perpindahan energi pada material untuk membentuk luas permukaan yang baru.

Karakteristik penting yang harus dipertimbangkan dalam proses pabrikasi serbuk antara lain efisiensi proses, energi yang diperlukan, jenis dan bentuk bahan serta nilai ekonomisnya.

Untuk mendapatkan material dalam bentuk serbuk masih sangat susah dan membutuhkan biaya yang relatif mahal. Karena proses pembuatan serbuk itu sendiri membutuhkan peralatan yang relatif modern. Pada saat itu serbuk diproduksi melalui berbagai metode, secara umum dibagi menjadi empat jenis metode yaitu metode mekanik, elektrolitik, kimia dan atomisasi. Metode – metode

pabrikasi serbuk sangat menentukan karakteristik serbuk yang diproduksi. Untuk metode pabrikasi yang berbeda, serbuk yang dihasilkan akan memiliki karakteristik yang berbeda pula.

Selain untuk kebutuhan proses metalurgi serbuk, serbuk juga sudah mulai digunakan untuk bahan paduan dalam proses pengelasan dan sebagai bahan pelapis pada proses pelapisan, agar didapatkan hasil yang memiliki kualitas yang lebih baik.

Adapun tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh variasi komposisi serbuk Aluminuim dan Tembaga pada Matrik Alumina dan mengetahui komposisi terbaik untuk mendapatkan kekuatan Bending yang optimal.

(20)

H. Fahmi / Jurnal Teknik Mesin – ITP (ISSN: 2089–4880): 6(1) (2016) 15-18 16

Pengembangan material komposit saat ini maju dengan pesat. Material komposit merupakan kombinasi makroskopik dari dua material atau lebih yang membentuk suatu material baru dan memiliki sifat lebih baik dibanding material penyusunnya. Material komposit terdiri dari dua penyusun utama yaitu matriks dan penguat yang disatukan oleh ikatan permukaan. Suatu material dikatakan sebagai komposit jika penyusunnya memiliki sifat berbeda dan komposit yang dihasilkan memiliki sifat yang berbeda dari penyusunnya. Biasanya penguat yang terkandung di dalam material komposit di atas 5%. Tujuan pembuatan material komposit yaitu untuk mendapatkan sifat (mekanis, optis, termal, maupun kelistrikan) terbaik dari kombinasi sifat dasar material-material penyusunnya untuk kebutuhan suatu aplikasi tertentu.

Keramik merupakan campuran padat yang dibentuk dari aplikasi panas dan tekanan, berisikan sedikitnya sebuah logam dan non logam atau kombinasi sekurang-kurangnya dua unsur non logam [1]. Pengembangan material keramik pada saat ini mulai banyak diarahkan pada pembuatan keramik, salah satunya adalah alumina sebagai matrix dipadukan dengan unsur lain untuk mendapatkan sifat yang lebih baik.

Serbuk merupakan partikel yang berukuran lebih kecil dari 1 mm. Sedangkan partikel adalah suatu unit yang memiliki ciri-ciri tersendiri, dapat terjadi satu fasa atau lebih.

Menurut Beumer [2] partikel dibagi menjadi tiga jenis yaitu granular, serbuk, dan koloid.

Pengujian Bending (uji bengkok) dilakukan untuk mengetahui kekuatan material dengan penambahan serbuk Alumina dan Tembaga, dengan metode Four Point Bending dengan standar pengujian JIS R 1601 [3].

Gambar 1. Skema Pengujian Four Point Bending

Hasil pengujian four point bending dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut [3]:

σMOR= ^{3 (𝑆}¹^{− 𝑆}²⁾

2𝐵𝑊² F_fail (1) ₍

Dengan

Ffail = Beban bending maksimum (N) S1 = Jarak antara kedua tumpuan (mm) S₂ = Jarak antara kedua gaya (mm) B = Lebar spesimen (mm)

W = Tebal spesimen (mm)

2. Metode Penelitian

A. Variasi Komposisi

Komposisi utama yang digunakan adalah :

 100% Volume (Al2O₃)

 90% Volume (Al2O₃)+ 5% Volume (Al) + 5% Volume (Cu)

 80% Volume (Al2O3) + 10% Volume (Al) + 10% Volume (Cu)

Bahan tambahan diluar bahan dasar adalah alkohol 95%.

B. Peleburan dan Pengatomisasian Aluminium

Seperti yang telah dikemukakan pada tinjauan pustaka, mesin Atomisasi air ini digunakan untuk pembuatan serbuk logam, dalam hal ini serbuk Aluminium. Mesin ini terdiri dari pompa air, pemanas, wadah, tabung atomisasi dan nozel air (Water Jets) [4]. Pada metode atomisasi air ini serbuk yang dihasilkan akan berbeda tergantung pada kecepatan air yang menabrak aliran logam cair, tekanan air yang digunakan, sudut antara aliran air yang disemprotkan dengan aliran logam cair, jumlah nozel yang digunakan dan karakteristik dari logam yang akan dibuat serbuk.

Gambar 2. Proses atomisasi air [4]

C. Peleburan dan Pengatomisasian Tembaga Proses atomisasi sentrifugal merupakan teknik atomisasi yang mengkombinasikan proses fusion dan gaya sentrifugal yang

(21)

digunakan untuk pembuatan serbuk logam, dalam hal ini serbuk Tembaga [5]. Pada saat logam mencair akibat busur listrik, gaya sentrifugal akibat getaran motor akan melempar logam cair yang kemudian membeku membentuk serbuk.

D. Pengayakan Serbuk Aluminium dan Tembaga

Proses pengayakan serbuk Aluminium dan Tembaga dilakukan untuk mendapatkan ukuran serbuk dengan ukuran 150-125 μm. Sebelum pengayakan dilakukan proses bowl mill yaitu penghalusan hal ini dilakukan untuk memudahkan proses pengayakan [6].

1) Mixing

Proses pencampuran bahan dengan komposisi, 90% Volume Alumina + 10%

Volume Aluminium dan Tembaga, 80%

Volume Alumina + 20 % Volume Aluminium dan Tembaga, 70% Volume Alumina + 30%

Volume Aluminium dan Tembaga, 60%

Volume Alumina + 40 % Volume Aluminium dan Tembaga. Proses ini menggunakan alat pencampur berupa mixer dengan metode roating drum, ditambah cairan alkohol 95%

dengan waktu pencampuran 4 jam supaya tidak terjadi penggumparan dari campuran tersebut.

2) Compacting

Setelah dilakukan proses pencampuran kemudian dimasukkan kedalam cetakan yang telah dibuat sebelumnya. Kompaksi ini dilakukan dengan menggunakan dongkrak manual di labor material Institut Teknologi Padang dengan tekanan yang diinginkan sebesar 140 Mpa, hasil compacting ini disebut dengan green body

3) Sintering

Sintering adalah salah satu tahapan metodologi yang sangat penting dalam ilmu bahan, selama sintering terdapat dua fenomena utama yaitu : pertama adalah penyusutan (shrinkage) yaitu proses eliminasi porositas dan yang kedua adalah pertumbuhan butiran.

Penomena pertama dominan selama pemadatan belum mencapai kejenuhan, sedangkan yang kedua akan dominan setelah pemadatan mencapai kejenuhan.

Green body yang telah dicetak belum mempunyai kekuatan dan kekerasan yang tinggi, oleh karena itu pada penelitian ini dilakukan proses sintering untuk meningkatkan ikatan partikel-partikelnya. Suhu sinter yang dipakai adalah 1050^OC dengan heating rate 5⁰/menit, ditahan selama 120 menit dan didinginkan secara lambat di dalam furnace [7].

3. Hasil dan Pembahasan

Pengujian bending dilakukan dengan menggunakan alat Universal Testing Machine (UTM) dengan metode Four Point Bending dengan standar pengujian JIS R 1601. Spesimen uji berbentuk balok persegi empat dengan dimensi panjang = 50 mm, lebar = 9 mm, tebal

= 10 mm.

Gambar 3. Hubungan Tegangan dengan Komposisi Komposit Al2O3 + Al + Cu

Hasil pengujian bending seperti yang ditunjukkan pada gambar 3, bahwa pada spesimen komposisi 100% Al₂O₃nilai tegangan bending tertinggi yaitu sebesar 5,31 MPa dengan rata-rata tegangan sebesar 5,10 MPa.

Pada komposisi ini belum terjadi peningkatan tegangan bending, hal ini dipengaruhi oleh sifat mekanik alumina yaitu keras dan cenderung getas sehingga ketika diberikan gaya dan tekanan spesimen patah. Sedangkan pada komposisi 90% Al₂O₃ + 5% Al + 5% Cu tegangan meningkat dengan nilai tertinggi sebesar 6,56 MPa dengan rata-rata tegangan sebesar 5,52 MPa. Pada komposisi ini spesimen memperlihatkan terjadinya peningkatan tegangan bending, hal ini dipengaruhi oleh penambahan unsur penguat Al dan Cu yang bersifat lebih ulet mempengaruhi sifat mekanik alumina sehingga spesimen mampu memberikan tegangan ketika diberikan gaya dan tekanan. Disamping itu pada komposisi 80% Al2O3 + 10% Al + 10% Cu tegangan meningkat kembali dengan nilai tegangan tertinggi sebesar 8,43 MPa dan rata-rata tegangan sebesar 6,66 MPa. Hal tersebut dapat terjadi dikarenakan adanya distribusi penguat yang merata terhadap matrik. Komposit berhubungan erat dengan kualitas ikatan antara matrik dan penguat yang disebut dengan kompakbilitas.

Penambahan komposisi penguat yang bersifat lebih ulet dari komposisi matrik menyebabkan tegangan lebih besar ketika diberikan gaya dan tekanan yang besar. Akan tetapi, pada komposisi 70% Al2O3 + 15 Al + 15% Cu mengalami penurunan nilai tegangan

0 2 4 6 8

100 80+10+10 60+20+20

Tegangan (Mpa)

Komposisi Al₂O₃ + Al +Cu (%)

(22)

bending dengan nilai tegangan tertinggi sebesar 5,00 MPa dan rata-rata sebesar 4,68 MPa. Pada komposisi 60% Al2O3 + 20% Al + 20% Cu nilai tegangan menurun kembali dengan nilai tegangan tertinggi sebesar 5,31 MPa dan rata- rata sebesar 4,58 MPa. Hal ini disebabkan oleh pengurangan komposisi matrik alumina yang bersifat lebih keras dari penguat Al dan Cu sehingga menghasilkan gaya dan tekanan yang lebih kecil.

Selain itu kepadatan komposit setelah dikompaksi yang tidak homogen pada setiap bagian dapat menurunkan tegangan bending komposit dan menimbulkan retakan (cracking) ketika spesimen disintering. Dari pengamatan tersebut, hasil pengujian kekuatan bending yang optimal dan komposisi terbaik adalah pada komposisi 80% Al2O3 + 10% Al + 10% Cu dengan nilai kekuatan bending tertinggi sebesar 8,43 MPa dan rata-rata kekuatan bending sebesar 6,66 MPa.

4. Simpulan

Kekuatan bending yang optimal dan tertinggi didapat pada variasi komposisi 80% Al2O3 + 10% Al + 10% Cu dengan tegangan rata-rata sebesar 6,66 MPa. Penambahan penguat Aluminium dan Tembaga dapat mempengaruhi sifat mekanik dari matrik alumina sehingga menghasilkan sifat mekanik yang baru.

Pengurangan komposisi matrik alumina juga dapat mempengaruhi tegangan bending, hal ini disebabkan oleh menurunnya hasil tegangan bending.

Ucapan Terima Kasih

Terima kasih diucapkan kepada seluruh Staf Teknik Mesin Institut Teknologi Padang yang telah memberikan kontribusi sehingga artikel ini dapat diselesaikan.

Referensi

[1] F. L. Matthews and R. D. Rawlings, Composite Materials Engineering and Science.

[2] B. J. M. Beumer, Ilmu Bahan Logam, Jilid 1, Jakarta: Bhatara, 1994.

[3] R. E. Smallman and R. J. Bishop.

Metalurgi Fisik Modrn dan Rekayasa Material. Edisi Keenam. Erlangga.

[4] N. Handra, Pengaruh Penambahan Serbuk Aluminium Terhadap Relative Density Komposit (Baja-Aluminium), Tugas Akhir. Institut Teknologi Padang, 2010.

[5] Ambar, “Pengetahuan Keramik”, Yogyakarta: Gadjah Mada University Press, 1997.

[6] D. Aprianto, Pengaruh Penambahan Silica RHA Terhadap Kekuatan Bending, Tugas Akhir, Institut Teknologi Padang, 2010.

[7] R. Toto, “Pengaruh Kadar TiO2 Terhadap Kekuatan Bending Komposit Serbuk Al/TiO2,” Jurnal Teknik Mesin.

Yogyakarta: Universitas Gadjah Mada, 2005.