Aplikasi Komposit Dalam Industri (Makalah) [PDF]

Citation preview

A. Pengertian Material Komposit Komposit adalah suatu jenis bahan baru hasil rekayasa yang terdiri dari dua atau lebih bahan dimana sifat masing-masing bahan berbeda satu sama lainnya baik itu sifat kimia maupun fisikanya dan tetap terpisah dalam hasil akhir bahan tersebut (bahan komposit). Dengan adanya perbedaan dari material penyusunnya maka komposit antar material harus berikatan dengan kuat, sehingga perlu adanya penambahan wetting agent.



Beberapa definisi komposit sebagai berikut • Tingkat dasar : pada molekul tunggal dan kisi kristal, bila material yang disusun dari dua atom atau lebih disebut komposit (contoh senyawa, paduan, polymer dan keramik) • Mikrostruktur : pada kristal, phase dan senyawa, bila material disusun dari dua phase atau senyawa atau lebih disebut komposit (contoh paduan Fe dan C) • Makrostruktur : material yang disusun dari campuran dua atau lebih penyusun makro yang berbeda dalam bentuk dan/atau komposisi dan tidak larut satu dengan yang lain disebut material komposit (definisi secara makro ini yang biasa dipakai)



B. Tujuan Pembuatan Material Komposit Berikut ini adalah tujuan dari dibentuknya komposit, yaitu sebagai berikut : • Memperbaiki sifat mekanik dan/atau sifat spesifik tertentu • Mempermudah design yang sulit pada manufaktur • Keleluasaan dalam bentuk/design yang dapat menghemat biaya • Menjadikan bahan lebih ringan



C. Penyusun Komposit Komposit pada umumnya terdiri dari 2 fasa: 1. Matriks Matriks adalah fasa dalam komposit yang mempunyai bagian atau fraksi volume terbesar (dominan). Matriks mempunyai fungsi sebagai berikut : a) Mentransfer tegangan ke serat b) Membentuk ikatan koheren, permukaan matrik/serat c) Melindungi serat. d) Memisahkan serat.



e) Melepas ikatan. f) Tetap stabil setelah proses manufaktur. 2. Reinforcement atau Filler atau Fiber Salah satu bagian utama dari komposit adalah reinforcement (penguat) yang berfungsi sebagai penanggung beban utama pada komposit. Secara struktur mikro material komposit tidak merubah material pembentuknya (dalam orde kristalin) tetapi secara keseluruhan material komposit berbeda dengan material pembentuknya karena terjadi ikatan antar permukaan antara matriks dan filler. Syarat terbentuknya komposit: adanya ikatan permukaan antara matriks dan filler. Ikatan antar permukaan ini terjadi karena adanya gaya adhesi dan kohesi. Dalam material komposit gaya adhesi-kohesi terjadi melalui 3 cara utama: 



Interlocking antar permukaan : ikatan yang terjadi karena kekasaran bentuk permukaan partikel.







Gaya elektrostatis : ikatan yang terjadi karena adanya gaya tarik-menarik antara atom yang bermuatan (ion).







Gaya Van der Waals : ikatan yang terjadi karena adanya pengutupan antar partikel.



Kualitas ikatan antara matriks dan filler dipengaruhi oleh beberapa variabel, antara lain: 



Ukuran partikel







Rapat jenis bahan yang digunakan







Fraksi volume material







Komposisi material







Bentuk partikel







Kecepatan dan waktu pencampuran







Penekanan (kompaksi)







Pemanasan (sintering)



D. Sifat Komposit Sifat maupun Karakteristik dari komposit ditentukan oleh:







Material yang menjadi penyusun komposit : Karakteristik komposit ditentukan berdasarkan karakteristik material penyusun menurut rule of mixture 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.



E. Perbedaan Komposit dan Alloy Perbedaan antara komposit dan alloy adalah dalam hal sistem proses pemaduannya: 



Komposit bila ditinjau secara mikroskopi masih menampakkan adanya komponen matrik dan komponen filler, sedangkan alloy telah terjadi perpaduan yang homogen antara matrik dan filler.







Pada material komposit, dapat leluasa merencanakan kekuatan material yang diinginkan dengan mengatur komposisi dari matrik dan filler, sifat material yang menyatu dapat dievaluasi dan diuji secara terpisah.



F. Klasifikasi komposit Berdasarkan matrik, komposit dapat diklasifikasikan kedalam tiga kelompok besar yaitu: a. Komposit matrik polimer (KMP), polimer sebagai matrik b. Komposit matrik logam (KML), logam sebagi matrik c. Komposit matrik keramik (KMK), keramik sebagai matrik



G. Kelebihan Bahan Komposit Bahan komposit mempunyai beberapa kelebihan berbanding dengan bahan konvensional seperti logam. Kelebihan tersebut pada umumnya dapat dilihat dari beberapa sudut yang penting seperti sifat-sifat mekanikal dan fisikal, keupayaan (reliability), kebolehprosesan dan biaya, seperti yang diuraikan dibawah ini :



a. Sifat-sifat mekanikal dan fisikal



Pada umumnya pemilihan bahan matriks dan serat memainkan peranan penting dalam menentukan sifat-sifat mekanik dan sifat komposit. Gabungan matriks dan serat dapat menghasilkan komposit yang mempunyai kekuatan dan kekakuan yang lebih tinggi dari bahan konvensional. 



Bahan komposit mempunyai densitas 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. Hal ini berhubungan dengan penghematan bahan bakar.







Dalam



industri



komponen



angkasa



lepas terdapat kecendrungan untuk menggantikan



yang diperbuat dari logam dengan komposit karena telah terbukti



komposit mempunyai rintangan terhadap fatigue yang baik terutama komposit yang menggunakan serat karbon. 



Bahan komposit juga mempunyai kelebihan dari segi versatilitas (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. 



Massa jenis rendah (ringan)







Lebih kuat dan lebih ringan







Perbandingan kekuatan dan berat yang menguntungkan







Lebih kuat (stiff), ulet (tough) dan tidak getas







Koefisien pemuaian yang rendah







Tahan terhadap cuaca







Tahan terhadap korosi







Mudah diproses (dibentuk)







Lebih mudah dibanding metal



b. Biaya



Faktor biaya juga memainkan peranan



yang sangat penting dalam membantu



perkembangan industri komposit. Biaya yang berkaitan erat dengan penghasilan suatu produk yang seharusnya memperhitungkan beberapa aspek seperti biaya bahan mentah, pemrosesan, tenaga manusia, dan sebagainya.



H. Kekurangan Bahan Komposit a. Tidak tahan terhadap beban shock (kejut) dan crash (tabrak) dibandingkan dengan metal. b. Kurang elastis c. Lebih sulit dibentuk secara plastis



I. Proses Pembuatan Komposit Secara Garis besar metoda pembuatan material komposit terdiri dari atas dua cara,yaitu : 1. Proses Cetakan Terbuka (Open-Mold Process) 2. Proses Cetakan Tertutup (Closed mold Processes) 1. Proses Cetakan Terbuka (Open-Mold Process) 



Contact Molding/ Hand Lay Up



Hand lay-up adalah metoda 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 tekanan sekaligus meratakannya menggunakan rol atau kuas. Proses tersebut dilakukan berulang-ulang hingga ketebalan yang diinginkan tercapai. Pada proses ini resin langsung kontak dengan udara dan biasanya proses pencetakan dilakukan pada temperatur kamar. Kelebihan penggunaan metoda ini adalah mudah dilakukan, cocok digunakan untuk komponen yang besar, dan volumenya rendah Aplikasi dari pembuatan produk komposit menggunakan hand lay up ini biasanya di gunakan pada material atau komponen yang sangat besar, seperti pembuatan kapal, bodi kendaraan, bilah turbin angin, bak mandi,perahu. 



Vacuum Bag



Proses vacuum bag merupakan penyempurnaan dari hand lay-up, penggunaan dari proses vakum ini adalah untuk menghilangkan udara terperangkap dan kelebihan resin..



Pada proses ini digunakan pompa vacuum untuk menghisap udara yang ada dalam wadah tempat diletakkannya komposit yang akan dilakukan proses pencetakan. Dengan divakumkan udara dalam wadah maka udara yang ada diluar penutup plastic akan menekan kearah dalam. Hal ini akan menyebabkan udara yang terperangkap dalam specimen komposit akan dapat diminimalkan. Dibandingkan dengan hand lay-up, metode vakum memberikan penguatan konsentrasi yang lebih tinggi, adhesi yang lebih baik antara lapisan, dan kontrol yang lebih resin / rasio kaca. 



Pressure Bag



Pressure bag memiliki kesamaan dengan metode vacuum bag, namun cara ini tidak memakai pompa vakum tetapi menggunakan udara atau uap bertekanan yang dimasukkan malalui suatu wadah elastis Wadah elastis ini yang akan berkontak pada komposit yang akan dilakukan proses. Biasanya tekanan basar tekanan yang di berikan pada proses ini adalah sebesar 30 sampai 50 psi. 



Spray-Up



Spray-up merupakan metode cetakan terbuka yang dapat menghasilkan bagian-bagian yang lebih kompleks ekonomis dari hand lay-up. Proses spray-up dilakukan dengan cara penyemprotan serat (fibre) yang telah melewati tempat pemotongan (chopper). Sementara resin yang telah dicampur dengan katalis juga disemprotkan secara bersamaan Wadah tempat pencetakan spray- up telah disiapkan sebelumnya. Setelah itu proses selanjutnya adalah dengan membiarkannya mengeras pada kondisi atsmosfer standar. 



Filament Winding



Fiber tipe roving atau single strand dilewatkan melalui wadah yang berisi resin, kemudian fiber tersebut akan diputar sekeliling mandrel yang sedang bergerak dua arah, arah radial dan arah tangensial. Proses ini dilakukan berulang, sehingga cara ini didapatkan lapisan serat dan fiber sesuai dengan yang diinginkan. Resin termoseting yang biasa di gunakan pada proses ini adalah poliester, vinil ester, epoxies, dan fenolat. Proses ini terutama digunakan untuk komponen belah berlubang, umumnya bulat atau oval, seperti pipa dan tangki. Serat TOWS dilewatkan melalui mandi resin sebelum ke Mandrel dalam berbagai orientasi, dikendalikan oleh mekanisme serat, dan tingkat rotasi mandrel tersebut. Adapun aplikasi dari proses filament winding ini digunakan untuk menghasilkan bejana tekan, motor roket, tank, tongkat golf dan pipa.



2. Proses Cetakan Tertutup (Closed mold Processes) 



Proses Cetakan Tekan (Compression Molding)



Proses cetakan ini menggunakan hydraulic sebagai penekannya. Fiber yang telah dicampur dengan resin dimasukkan ke dalam rongga cetakan, kemudian dilakukan penekanan dan pemanasan. Resin termoset khas yang digunakan dalam proses cetak tekan ini adalah poliester, vinil ester, epoxies, dan fenolat. 



Injection Molding



Metoda injection molding juga dikenal sebagai reaksi pencetakan cairan atau pelapisan tekanan tinggi. Fiber dan resin dimasukkan kedalam rongga cetakan bagian atas, kondisi temperature dijaga supaya tetap dapat mencairkan resin. Resin cair beserta fiber akan mengalir ke bagian bawah, kemudian injeksi dilakukan oleh mandrel ke arah nozel menuju cetakan. 



Continuous Pultrusion



Fiber jenis roving dilewatkan melalui wadah berisi resin, kemudian secara kontinu dilewatkan ke cetakan pra cetak dan diawetkan (cure), kemdian dilakukan pengerolan sesuai dengan dimensi yang diinginkan. Atau juga bisa di sebut sebagai penarikan serat dari suatu jaring atau creel melalui bak resin, kemudian dilewatkan pada cetakan yang telah dipanaskan. Fungsi dari cetakan tersebut ialah mengontrol kandungan resin, melengkapi pengisian serat, dan mengeraskan bahan menjadi bentuk akhir setelah melewati cetakan. Aplikasi penggunaan proses ini digunakan untuk pembuatan batang digunakan pada struktur atap, jembatan. Adapun contohnya adalah Round Rods, Rectangles, Squares, ‘I’ sections, ‘T’ sections, Angles, Channels, Dog Bone Profiles, Dove Tail Sticks and Spacers, Corner Profiles, dan Hallow Sections. J. Mekanisme Reaksi dalam Pembuatan Komposit Reaksi yang terjadi dalam pembuatan komposit belum dapat dibuktikan, namun dapat diandaikan seperti reaksi NO2 + CO → NO + CO2