Karakteristik Mekanik Kekuatan Tarik Struktur Komposit E-Glass/Epoksi Bakelite EPR 174
Lies Banowati dan Achmad Ainun Nakhi
Jurusan Teknik Penerbangan, Fakultas Teknologi Universitas Nurtanio Bandung J1. Pajajaran No. 219 Lanud Husein S, Bandung 40174
e-mail :liesbano@gmail.com e-mail : achmadainunn@yahoo.com
Abstrak
Seiring dengan perkembangan dalam bidang industri dan kemajuan teknologi material dalam memenuhi berbagai kebutuhan maka dikembangkan material komposit yang memiliki karakteristik kuat, kaku dan. Sedangkan komposit adalah gabungan dari dua jenis material atau lebih bahan yang berbeda secara makroskopis dengan unsur serat sebagai penguat dan dan matrik sebagai pengikat. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik mekanik kekuatan tarik struktur komposit E-Glass/Epoksi bakelite EPR 174 yang mengacu pada standar ASTM D3039/D3039M. Metode manufaktur yang digunakan adalah hand lay-up dengan variasi arah serat unidirectional 0°, (0/90°), ±45 dan Vf 50.
Sedangkan metode analisis yang digunakan dari hasil pengujian adalah distribusi Weibull.
Berdasarkan hasil pengujian tarik menunjukkan bahwa kekuatan komposit E-Glass/epoksi bakelite EPR 174 arah serat unidirectional 0° adalah yang paling tinggi sebesar 219 MPa bila dibandingkan dengan arah serat lainnya.
Kata Kunci : Komposit, E-Glass/epoksi bakelite EPR174, hand lay-up, kekuatan tarik
1. Pendahuluan
Seiring dengan perkembangan zaman dalam bidang ilmu penerbangan, dunia indutri dan kemajuan teknologi material dalam memenuhi berbagai kebutuhan, dewasa ini berkembang semakin pesat. Salah satunya adalah komponen pesawat nirawak yang dibuat dari berbagai material diantaranya adalah komposit, hal tersebut mendorong peneliti untuk melakukan dan mengembangkan material tersebut.
Komposit adalah penggabungan dua atau lebih bahan yang berbeda secara makroskopis. Pada umumnya bahan komposit terdiri dari dua unsur, yaitu serat sebagai penguat dan matriks sebagai pengikat serat-serat tersebut. Komposit mempunyai beberapa keunggulan yaitu kuat, kaku dan ringan.
Disamping itu memiliki ketahanan terhadap beban fatigue, korosi dan mudah dibentuk.
Pada penelitian ini, bertujuan untuk mengetahui karakteristik mekanik kekuatan tarik komposit E- Glass/epoksi bakelite EPR174 dengan penguat (reinforcement) serat E-Glass dan matriks (pengikat) epoksi bakelite EPR 174 dengan variasi orientasi serat unidirectional 0°, bidirectional woven (0/90°) dan bidirectional woven (±45°). Fraksi volume serat ( ) merupakan salah satu faktor penting yang mempengaruhi karakteristik yang mencakup kekuatan, kekakuan dan keuletan material komposit.
Fraksi volume serat yang digunakan adalah 50% yang mengacu pada modus kegagalan yang terjadi pada komposit lamina rami/epoksi yaitu getas (brittle failure) untuk 10-30%, debonding dan delaminasi pada 40-50% [1]. Sedangkan dapat dihitung dengan mengunakan Persamaan (1) [2]:
100% (1)
2. Metode Penelitian
Metode yang digunakan pada manufaktur spesimen uji tarik adalah hand lay-up dengan perbandingan matriks dan hardener 2:1. Pengujian tarik komposit mengacu pada ASTM D 3039 [3] menggunakan
alat uji Tensilon RTF-1310 dan pengujian densitas pada ASTM D 792 [4] dengan jumlah masing- masing variasi orientasi serat spesimen uji sebanyak 5 (lima) buah. Sedangkan metode analisis data hasil uji tarik spesimen menggunakan weibull distribution, merupakan metode statistik untuk menentukan nilai dari kekuatan material terhadap keandalannya. Keandalan merupakan ukuran dari sebuah material dalam menerima suatu beban, berikut ini Persamaan (2) yaitu fungsi keandalan yang digunakan dalam menganalisa data hasil pengujian pada penelitian [5] :
; , exp (2)
Metode regresi linear mengubah persamaan distribusi weibull dua parameter ke dalam persamaan linear berbentuk y=mx+r dengan cara melakukan operasi logaritma pada persamaan (3):
; , ln (3)
3. Hasil Dan Pembahasan
Pada Gambar 1. masing-masing menunjukkan spesimen komposit E-Glass/epoksi bakelite EPR 174 dengan orientasi unidirectional 0º, bidirectional woven (0,90º) dan (±45°).
(a) (b) (c)
Gambar 1 Spesimen komposit E-Glass/epoksi bakelite EPR 174: (a) unidirectional 0º, (b) bidirectional woven (0,90º), (c) bidirectional woven (±45°).
Sedangkan pada Gambar 2. masing-masing menunjukkan modus kegagalan spesimen komposit hasil uji tarik. Pada Gambar 2.(a) menunjukkan bahwa modus kegagalan yang terjadi pada masing-masing spesimen uji tarik komposit E-Glass/epoksi bakelite EPR 174 dengan orientasi unidirectional 0º adalah grip/tab multi-mode top (GMT) pada spesimen nomer 1, grip/tab multi-mode bottom (GMB) pada spesimen nomor 2 dan 3, hal tersebut akibat posisi pemegang tab spesimen yang terlalu kencang pada satu sisi atas atau bawah grib sehingga terjadi kerusakan di sekitar grib tersebut. Sedangkan modus kegagalan yang terjadi pada spesimen nomor 4 dan 5 adalah angled from grip/tab bottom (AWB).
(a) (b)
(c)
Gambar 2 Modus kegagalan hasil uji tarik spesimen komposit E-Glass/epoksi bakelite EPR 174: (a) unidirectional 0º, (b) bidirectional woven (0,90º), (c) bidirectional woven (±45°).
Pada Gambar 2. (b) menunjukkan bahwa modus kegagalan yang terjadi pada orientasi bidirectional woven (0,90º) adalah lateral at grip/tab top (LAT) pada spesimen nomor 1, 2 dan 4, grip/tab gage various (GGV) pada spesimen nomor 3 dan lateral at grip/tab bottom (LAB) pada spesimen 5.
Sedangkan pada Gambar 2. (c) menunjukkan bahwa modus kegagalan yang terjadi pada orientasi bidirectional woven (±45°) adalah angled from grip/tab bottom (AWB) pada spesimen nomer 1 dan 2, angled gage middle (AGM) pada spesimen nomer 3 dan angled from grip/tab top (AWT) pada spesimen nomer 4 dan 5.
Pada Gambar 3. menunjukkan grafik hasil pengujian tarik spesimen komposit E-Glass/epoksi bakelite EPR 174. Pada grafik hasil pengujian tarik spesimen komposit E-Glass/epoksi bakelite EPR 174 orientasi bidirectional woven (±45°) memiliki elongation range yang lebih lebar dibandingkan orientasi unidirectional 0º dan bidirectional woven (0,90º),. Hal tersebut menunjukkan bahwa komposit dengan orientasi bidirectional woven (±45°) memiliki sifat ductile yang lebih baik .
AWB
AWB GMT
GMB
GMB
LAT LAT
LAT
GGV
LAB
AGM
AWB
AWB AWT
AW
(a)
(b)
(c)
Gambar 3 Grafik hasil pengujian tarik spesimen komposit E-Glass/epoksi bakelite EPR 174: (a) unidirectional 0º, (b) bidirectional woven (0,90º), (c) bidirectional woven (±45°).
Pada grafik hasil pengujian tarik spesimen komposit E-Glass/epoksi bakelite EPR 174 orientasi unidirectional 0º memiliki kekuatan tarik yang lebih tinggi karena beban uji tarik spesimen arah vertikal searah serat akan diterima langsung oleh resin dan selanjutnya didistribusikan keseluruh
0 50 100 150 200 250 300
0 0.01 0.02 0.03
Stress
Strain
Speciment 1 Speciment 2 Speciment 3 Speciment 4
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
0 0.005 0.01 0.015 0.02
Stress
Strain
Speciment 1 Speciment 2 Speciment 3 Speciment 4 Speciment 5
0 20 40 60 80 100 120 140
0 0.1 0.2 0.3 0.4
Stress
Strain
Speciment 1 Speciment 2 Speciment 3 Speciment 4 Speciment 5
permukaan serat, sedangkan orientasi bidirectional woven (±45°) memiliki elongation range yang lebih lebar bila dibandingkan orientasi unidirectional 0º dan bidirectional woven (0,90º), hal tersebut menunjukkan bahwa komposit dengan orientasi bidirectional woven (±45°) memiliki sifat ductile yang lebih baik.
Pada Gambar 4 dan 5 masing-masing menunjukkan salah satu contoh grafik regresi linear dan distribusi Weibull hasil pengujian tarik spesimen komposit E-Glass/epoksi bakelite EPR 174 orientasi unidirectional 0º.
Gambar 4 Grafik regresi linear spesimen komposit E-Glass/epoksi bakelite EPR 174 orientasi unidirectional 0º
Gambar 5 Grafik distribusi weibull komposit E-Glass/epoksi bakelite EPR 174 orientasi unidirectional 0º Pada Tabel 1. menunjukkan perbandingan analisis distribusi weibull hasil uji tarik spesimen komposit E-Glass/epoksi bakelite EPR 174 orientasi unidirectional 0º, bidirectional woven (0,90º), dan bidirectional woven (±45°).
Tabel 1 Perbandingan analisis distribusi weibull hasil uji tarik spesimen komposit E-Glass/epoksi bakelite EPR 174
Jenis Spesimen
unidirectional 0º Spesimen bidirectional woven
(0,90º)
Spesimen bidirectional woven
(±45°).
σ
tarik (MPa) 219 134 111ρ (g/cm3) 1,29 1,2 1,5
y = 4.5428x ‐22.605 R² = 0.8978
‐2.5
‐2
‐1.5
‐1
‐0.5 0 0.5 1 1.5
4.5 5 5.5
Y=In(1/(1‐Median Rank)))
X=In(Strength Ordered)
PLOT TITIK 0
Linear (PLOT TITIK 0)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
0 100 200 300
Reliability
σ(MPa)
Grafik distribusi weibull seperti yang terlihat pada salah satu contoh yaitu Gambar 5. menunjukkan bahwa nilai keandalan spesimen komposit E-Glass/epoksi bakelite EPR 174 orientasi unidirectional 0º, bidirectional woven (0,90º) dan bidirectional woven (±45°) pada keandalan 50% masing-masing sebesar 219 MPa, 134 MPa dan 111 MPa. Seperti yang telah disebutkan sebelumnya bahwa kekuatan tarik komposit orientasi unidirectional 0º lebih besar bila dibandingkan berturut-turut dengan masing- masing orientasi bidirectional woven (0,90º) dan bidirectional woven (±45°). Berdasarkan hasil analisis distribusi weibull tersebut maka dapat menentukan nilai keandalan kekuatan material untuk kebutuhan mendisain struktur, dalam arti bila struktur dihitung dengan menggunakan keandalan 50%
saja sudah aman apalagi bila menggunakan keandalan 90% struktur akan lebih aman. Sedangkan densitas komposit dengan orientasi bidirectional woven (0,90º) memiliki nilai yang lebih kecil dengan nilai sebesar 1,2 g/cm3 bila dibandingkan dengan orientasi komposit lainnya.
Pada Tabel 2. menunjukkan perbandingan kekuatan tarik dan densitas komposit E-Glass/epoksi bakelite EPR 174 dengan jenis komposit dan material lainnya.
Tabel 2 Perbandingan kekuatan tarik komposit E-Glass/epoksi bakelite EPR 174 dengan S-Glass/Epoksi epoksi bakelite EPR 174 dan Aluminium
Material σ tarik (MPa) ρ (g/cm3)
Komposit S-Glass/epoksi bakellite EPR 174 unidirectional 0º [6]
250 1,4
Komposit S-Glass/epoksi bakellite EPR 174 bidirectional woven (0,90º) [6]
87,5 1,67
Komposit S-Glass/epoksi bakellite EPR 174 bidirectional woven(±45°) [6]
62,5 1,49
Al 6063- T4 [7] 90 2,68
Al 4145- H16 [7] 185-225 2,68
Pada Tabel 2. menunjukkan bahwa komposit E-Glass/epoksi bakelite EPR 174 memiliki kekuatan tarik yang cukup baik dan densitas yang lebih rendah bila dibandingkan dengan komposit material S- Glass/epoksi bakellite EPR 174 , Al 6063- T4 dan Al 4145- H16, sehingga komposit tersebut dapat dijadikan material alternatif pengganti jenis komposit glass/epoksi dan aluminium.
4. Kesimpulan dan Saran
Berdasarkan hasil penelitian menyimpulkan bahwa komposit E-Glass/epoksi bakelite EPR 174 memiliki sifat mekanik yang cukup baik bila dibandingkan dengan jenis komposit glass/epoksi dan aluminium lainnya. Meskipun dengan menggunakan metoda manufaktur hand lay-up komposit yang sederhana namun menghasilkan kekuatan tarik yang cukup baik, sehingga komposit E-Glass/epoksi bakelite EPR 174 memiliki potensi yang baik untuk dikembangkan lebih lanjut untuk diterapkan pada industri otomotif dan pesawat udara tanpa awak/UAV (Unmanned Aerial Vechicle).
Notasi
fraksi volume fiber [%]
fraksi volume matrik [%]
fraksi volume composite [%]
mf massa fiber [g]
mm massa matrik [g]
ρf massa jenis fiber [g/cm3] ρm massa jenis matrik [g/cm3]
ρ massa jenis [g/cm3]
σ tegangan [MPa]
DaftarPustaka
[1] Soemardi, T.P. 2009. Serat Rami Bisa Jadi Bahan Baku Tabung Gas. Tambang Mines & Energy News Updating, Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Depok.
[2] Berthelot, Jean Marie. 1999. Composite Material : Mechanical Behavior and Structural Analysis.
Newyork : Springer.
[3] ASTM D 3039/3039 M. 2002. Standart Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials. Annual Book of ASTM Standards. United State: ASTM International.
[4] ASTM D 792 – 08. 2008. Density and Specific Gravity (Relative Density) of Plastic by Displacement. Annual Book of ASTM Standards. United States: ASTM International
[5] Ghosh , A.1999. A FORTRAN Program for Fitting Weibull Distribution an Generating samples.
Computer and Geoscience, 25, 729-735.
[6] Banowati, L. 2018. Analisis Kekuatan Tarik Komposit S-Glass/epoksi bakellite EPR 174, Penelitian, Belum diterbitkan.
[7] Alluminium Alloy Specification, aalco metal. www.aalco.co.uk
