Komposit Polimer Untuk Industri Pesawat [PDF]

Citation preview

TUGAS KOMPOSIT LANJUT Lecturer : Prof. Dr. Ir Anne Zulfia, M.Sc



Disusun oleh : Muhammad Yunan Hasbi 1706990400



DEPARTEMEN TEKNIK METALURGI DAN MATERIAL UNIVERSITAS INDONESIA DEPOK 2018



KOMPOSIT POLIMER UNTUK INDUSTRI PESAWAT 1.



Pendahuluan Komposit merupakan salah satu material alternatif untuk menghasilkan kombinasi sifat yang tidak mampu dipenuhi oleh material konvensional. Umumnya komposit disusun atas lebih dari satu material dengan membawa masing-masing sifat dan setelah bergabung dalam sebuah ikatan menghasilkan material dengan sifat unggul dari induknya. Susunan material komposit terdiri dari matriks dan serat atau penguat yang saling menguatkan satu sama lain. Berdasarkan matriksnya, komposit dibagi menjadi beberapa macam antara lain matriks logam, matriks keramik, matriks polimer dan matriks karbon/grafit. Sedangkan berdasarkan penguatnya, komposit dibagi menjadi beberapa jenis yaitu fibre, whisker, flake dan partikel[1]. Perkembangan teknologi komposit sangat pesat terutama untuk memenuhi isu terbesar dalam berbagai aplikasi industri yaitu rasio kekuatan dan berat (strength to weight ratio). Isu tersebut menjadi sangat krusial terutama di dunia otomotif dan pesawat terbang. Dengan mengurangi berat kendaraan/pesawat, berbagai benefit dapat diperoleh mulai dari efisiensi bahan bakar, meminimalisir polusi dan berujung pada penurunan biaya produksi. Pada gambar 1 menunjukkan penggunaan komposit di seluruh dunia dalam berbagai aplikasi.



Gambar 1. Berbagai aplikasi komposit di seluruh dunia[2]



2



Berdasarkan data pada gambar 1, dapat dilihat bahwa komposit memiliki peluang besar untuk terus berkembang sebagai material alternatif yang mampu memenuhi kualifikasi suatu aplikasi dalam lingkup sangat luas. Informasi lain yang bisa diperoleh dari data tersebut yaitu 15% penggunaan komposit diaplikasikan dalam industri pesawat terbang/aerospace. Jenis komposit yang umum digunakan dalam industri pesawat beragam, salah satunya yaitu komposit bermatriks polimer. Penjelasan lebih lanjut mengenai komposit polimer akan dibahas pada bab berikutnya.



2.



Komposit Polimer Komposit polimer merupakan salah satu jenis komposit berpenguat serat yang terintegrasi dengan matriks polimer dan menghasilkan gabungan sifat mekanik antara keduanya. Polimer merupakan salah satu material dengan berbagai kelebihan diantaranya dapat diproses dengan mudah, memiliki bobot yang ringan dan memiliki sifat mekanik yang mampu bersaing dengan material lainnya untuk beberapa kondisi. Material polimer secara umum dibedakan menjadi dua jenis yaitu thermoplastics dan thermosets. Hal paling mendasar yang membedakan antara keduanya yaitu perilaku yang muncul ketika diberi panas. Pada material thermosets, jika dipanaskan mencapai titik lelehnya maka yang terjadi adalah proses pengerasan dan jika pemanasan terus dilakukan maka material thermosets akan terdegradasi. Sedangkan pada material thermplastics, ketika dipanaskan yang terjadi adalah pelunakan sehingga material thermoplastics lebih fleksibel dibandingkan material thermosets. Material polimer yang umum digunakan sebagai matriks untuk berbagai aplikasi adalah resin (epoxy, phenolic atau polyester) dengan penguat serat seperti karbon, kaca ataupun aramid. Material komposit dipilih karena memiliki berbagai kelebihan seperti kekuatan yang tinggi, kekakuan yang baik, ketahanan fatik dan ketahanan abrasi yang baik[3]. Dengan kelebihan itu, material komposit polimer memiliki cakupan aplikasi yang cukup luas seperti yang ditunjukkan pada gambar 2. Resin pada material komposit polimer memiliki sifat mekanik yang cukup baik meskipun tidak mampu menggantikan sifat mekanik logam. Namun kelebihan utama dari resin adalah memiliki mampu bentuk yang sangat baik dibandingkan material logam sehingga sangat cocok untuk aplikasi dengan bentuk rumit. Jika dipadukan dengan penguat serat baik berupa kaca, aramid ataupun karbon maka akan dihasilkan material komposit dengan kekuatan optimum sebagai dampak dari kombinasi sifat kedua material



3



tersebut. Resin yang berperan sebagai matriks akan bertugas mendistribusikan beban pada setiap serat serta melindungi serat dari abrasi. Advanced Polymer Composites



Product by Application



Resin



Fiber



Epoxy



Carbon



Others



Polyester



Glass



Phennolic



Aramid



Others



Others



Wide Application : Conductors, aviation parts, autoparts, pipe and tank, boat building, wind blades



Gambar 2. Berbagai aplikasi material komposit polimer[2] Komposit polimer secara luas digunakan salah satunya untuk aplikasi pesawat terbang karena mampu mengatasi beberapa kelemahan material konvensional terutama yang berkaitan dengan bobot. Komposit polimer berpenguat karbon dianggap mampu menghasilkan



kombinasi



sifat



kekuatan



dan



kekakuan



sehingga



banyak



diimplementasikan pada industri pesawat terbang. Penjelasan mengenai potensi dan peluang material komposit polimer pada industri pesawat terbang akan dijelaskan lebih lanjut.



3.



Aplikasi Komposit Polimer Pada Industri Pesawat Industri pesawat terbang merupakan salah satu industri yang memiliki standar tinggi dalam berbagai aktifitasnya. Selain produk yang dihasilkan harus berkualitas, tingkat keamanan dari keseluruhan perangkat juga menjadi perhatian utama dalam menghasilkan pesawat terbang. Para insinyur bidang penelitian dan pengembangan



4



(RnD) sebuah perusahaan pesawat terbang dituntut menghasilkan inovasi baru yang dapat menunjang performa pesawat itu sendiri. Seiring berkembangnya teknologi dan ilmu pengetahuan, industri pesawat berlomba-lomba menghasilkan material baru pengganti logam yang dapat diaplikasikan dalam struktur pesawat terbang. Salah satu material alternatif tersebut adalah komposit. Pada tahun 1950-an, Boeing memulai penggunaan serat gelas pada pesawat penumpang buatannya. Perlahan tapi pasti, penggunaan material komposit dalam industri pesawat selalu menunjukkan peningkatan yang cukup signifikan. Material komposit dipilih sebagai salah satu material alternatif dalam dunia aviasi karena memiliki bobot yang ringan. Selain ringan, material komposit juga memiliki berbagai sifat mekanik yang tidak mampu dipenuhi oleh material lain seperti logam ataupun keramik pada beberapa bagian dari pesawat. Sebagai contoh serat karbon, material tersebut memiliki kekuatan setara logam namun memiliki bobot seringan plastik. Dengan keunggulan tersebut, serat karbon dapat digunakan pada beberapa bagian pesawat diantaranya baling-baling, sayap dan badan pesawat. Kelebihan lain yang menjadikan material komposit digunakan sebagai alternatif material pada pesawat terbang adalah [3][4] : 



Ketahanan fatik dan ketahanan korosi







Kamampuan dalam menyesuaikan kekuatan berbagai arah pembebanan







Mampu bentuk yang baik







Mudah dalam pemeliharaan







Sifat dielektrik yang baik (terkait sinyal radar) Untuk mengetahui bagian mana saja pada pesawat yang menggunakan material



komposit dapat dilihat pada gambar 3. Berdasarkan gambar 3 dapat disimpulkan bahwa material komposit memiliki porsi besar pada bagian-bagian pesawat hingga mencapai 50%.



5



Gambar 3. Penggunaan material komposit pada pesawat[5]



Dengan berbagai kelebihan yang dimiliki oleh material komposit, bukan berarti tidak ada kekurangan yang dimiliki oleh material komposit. Tantangan yang harus dihadapi dalam menggunakan komposit adalah karena sifatnya yang anisotropi, inhomogenous serta memiliki cara fabrikasi dan kontrol kualitas yang berbeda-beda. Karena tidak semua perilaku komposit dapat diprediksi, hal tersebut menyebabkan riset komposit membutuhkan waktu yang lama dan biaya yang tidak sedikit. Namun seiring perkembangan perangkat lunak, metode analisis dan desain maka optimasi performa dari suatu produk dapat diprediksi secara cukup detail. Pada gambar 2 sebelumnya telah ditunjukkan berbagai aplikasi komposit polimer pada berbagai bidang industri. Secara spesifik, penggunaan beberapa jenis matriks dan penguat pada industri pesawat terbang dapat dilihat pada tabel 1 dan tabel 2.



Tabel 1. Jenis matriks yang umum digunakan pada industri pesawat terbang[6] Thermosets Forms cross-linked networks in polymerization curing by heating Epoxies Phenolics Polyester Polyimides Most popular Cheaper Cheap High temp 80% of total Lower viscosity Easy to use application composite usage Easy to use Popular for Difficult to Moderately high High temp usage general process temp Difficult to get application Brittle



6



Thermoplastics No chemical change PPS, PEEK Good damage tolerance Difficult to process as high tem (300-400 ᵒC is



Comparatively expensive Low shrinkage (23%) No release of volatile during curing Can be polymerized in several ways giving varieties os structures, morphology and wide range of properties



good quality composites More shrinkage Release of volatile during curing



room temp



Inherent stability for thermal oxidation Good fire and flame retardance Brittle than epoxies



Good mechanical resistance Wide range of properties but lower than epoxies Brittle Low Tg



Good storage stability to make prepregs



Less storage stability – difficult to prepregs Absolute moisture Absorbs causing swelling moisture but no and degradation of significant effect high temp of moisture in properties working service Also ultra violet range degradation in long term



required)



High shrinkage (7-8%)



Difficult to prepreg



Infinite storage life. But difficult to prepreg



Less sensitive to moisture than epoxies



No moisture absorption



Tabel 2. Jenis serat yang umum digunakan pada industri pesawat terbang[6] Fibre Glass E-Glass



S-Glass



7



Density (g/cc)



Modulus (GPa)



Strength (GPa)



2.55



65 – 75



2.2-2.6



Small passenger a/c pars, a/c interiors, secondary parts, radomes, rocket motor casings



2.47



85 - 95



4.4 - 48



Highly loaded parts in small passenger a/c



80 – 85 120 – 128 160 - 170



2.7 – 2.8 2.7 – 2.8 2.3 – 2.4



Fairings, non load bearing parts radomes, rocket motor casing highly loaded parts



Aramid Low modulus 1.44 Intermediate 1.44 High 1.48 Carbon Std modulus 1.77 – 1.80



220 – 240



3.0 – 3.5



Intermediate



1.77 – 1.81



270 – 300



5.4 – 5.7



High



1.77 – 1.80



390 – 450



2.8 – 3.0



Application Areas



Widely used for almost all types of parts, satellites, antenna dishes, missiles, etc Primary structural parts in high performance fihters Space structures, control surface



1.80 – 1.82



Ultra high



290 - 310



4.0 – 4.5 7.0 – 7.5



Primary structural parts in high performance fihters



Dari berbagai jenis matriks dan penguat dengan beragam sifat yang dimiliki, terdapat beberapa sistem komposit polimer yang telah diterapkan pada industri pesawat terbang termasuk cara fabrikasinya. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada tabel 3 berikut.



Tabel 3. Beberapa jenis komposit polimer pada pesawat terbang[6] Material system 175 ᵒC curing high strength-carbon-epoxy - zero bleed (neat resin content) UD prepreg - 5 HS or 8 HS bi-directional fabric prepreg - toughness, good out-life and shelf-life 175 ᵒC curing intermediate modulus carbon with epoxy + BMI/cynate ester - zero bleed (neat resin content) UD prepreg - 5 HS or 8 HS bi-directional fabric prepreg - high toughness, good out-life and shelf-life - low environmental degradation 120 ᵒC curing HS-carbon-epoxy - zero bleed (neat resin content) UD prepreg - 5 HS or 8 HS bi-directional fabric prepreg - toughness, good out-life and shelf-life Aramid fibre in low loss polyester/cynate esters Cu – mesh epoxy prepreg



Application area Structural components of fighter aircraft and helicopters, e.g skins, spars, fin, rudder, elevons, doors, etc Frames, stiffeners, rotor blades



Structural components of helicopters or transport a/c, e.g spars, fin, rudder, elevons, doors, etc Frames, stiffeners Radome For lightning strike protection wing-skin, others



Salah satu metode fabrikasi pembuatan material komposit polimer adalah preimprgnated atau dikenal sebagai prepreg process[4]. Material yang umum difabrikasi menggunakan metode prepreg adalah serat karbon dan aramid dengan epoksi resin kualitas tinggi. Metode prepreg bertujuan untuk mengenkapsulasi sifat dari masingmasing material menjadi kombinasi yang optimal. Secara umum proses prepreg terdiri dari beberapa langkah, yaitu : a) Menentukan matriks Penentuan matriks akan berpengaruh terhadap hasil komposit, karena hal tersebut terkait dengan kombinasi antara serat dan matriks yang akan dicapai. Terdapat dua jenis resin matriks yang dapat digunakan yaitu thermoplastik resin dan thermoset resin. b) Menghilangkan ekses resin dari penguat prepreg



8



Salah satu kelebihan proses prepreg adalah dapat diminimalisirnya material yang terbuang. Proses di kontrol sedemikian rupa sehingga resin yang digunakan dibuat sepresisi mungkin. Kelebihan resin dapat dibersihkan secara berkala. c) Pemanasan prepreg Proses ini dikenal sebagai B-stage. Proses pemasanasan pada prepreg tidak membutuhkan waktu lama. Mekanisme curing merupakan kombinasi antara pemanasan dan penekanan yang dilakukan menggunakan alat yang bernama autoclave.



Gambar 4. Mekanisme proses prepreg pada pembuatan komposit polimer



4.



Potensi Natural Fiber/Biomass Pada Aplikasi Aerospace[7] Perkembangan teknologi tidak bisa dilepaskan dengan berbagai dampaknya salah satunya adalah polusi, terutama teknologi yang bergantung pada bahan bakar fosil. Oleh karena itu diperlukan alternatif bahan-bahan ramah lingkungan agar ekosistem dapat terjaga dengan baik. Penggunaan komposit dalam berbagai bidang kehidupan merupakan salah satu sektor pemberi sumbangsih cukup besar dalam isu lingkungan khususnya komposit polimer. Atas dasar tersebut, saat ini tengah dikembangkan komposit polimer menggunakan serat alam berbasis biomassa. Produk sampingan biomassa yang cukup melimpah umumnya berakhir sebagai limbah atau dimanfaatkan sebagai pupuk, namun saat ini limbah tersebut dapat dimanfaatkan sebagai penguat dalam komposit bermatriks polimer.



9



Biomassa memiliki beberapa kelebihan dibandingkan serat gelas diantaranya adalah konsumsi energi yang rendah, murah, zero emission, ringan, tidak beracun, mampu luruh dan berlimpah. Berbagai jenis biomassa yang dapat digunakan sebagai penguat adalah selulosa, hemiselulosa dan lignin. Beberapa contoh sumber serat natural dapat dilihat pada tabel 4.



Tabel 4. Sumber serat natural dan jumlah produksinya Fiber Source Abaca Bamboo Banana Broom Coir Cotton Lint Elephant grass Flax Hemp Jute Kenaf Linseed



World Production (103 Tons) 70 103 200 Abundant 100 18.500 Abundant 810 215 2.500 770 Abundant



Origin



Fiber Source



Stem Stem Fruit Stem Stem Stem Stem Stem Stem Stem Stem Fruit



Caroa Nettles Oil palm fruit Ramie Roselle Rice husk Rice straw Sisal Sun hemp Wheat straw Pineapple



World Production (103 Tons) Abundant Abundant 100 250 Abundant Abundant 380 70 Abundant Abundant



Origin Leaf Steam Fruit Stem Stem Fruit/grain Stem Stem Stem Stem Leaf



Serat alam memiliki sifat yang tidak mampu dipenuhi oleh plastik untuk aplikasi penahan beban (load-bearing) seperti kekuatan dan kekakuan. Lebih lanjut, penggunaan serat alam yang dipadukan dengan serat lain sebagai penguat pada sistem komposit akan menghasilkan peningkatan sifat mekanik. Perpaduan dua penguat atau lebih dalam komposit dikenal sebagai komposit hibrid. Salah satu penerapan serat alam dalam industri pesawat terbang yaitu pada bagian interior pesawat. Hal tersebut akan memberikan penurunan bobot pesawat cukup signifikan. Tidak menutup kemungkinan bila serat alam dapat diaplikasikan pada struktur pesawat, mengingat banyak penelitian yang telah menggali potensi serat alam untuk memenuhi sifat mekanik yang dibutuhkan pada komponen tertentu.



5.



Kesimpulan Material komposit polimer secara luas digunakan dalam berbagai aplikasi salah satunya adalah industri pesawat terbang. Dengan berbagai kelebihan yang ditawarkan, material komposit polimer secara signifikan mampu menggeser material konvensional



10



berbasis logam dan keramik. Hal tersebut dibuktikan dengan data yang menunjukkan bahwa hampir 50% komponen pada pesawat menggunakan material komposit. Komposit polimer yang umum digunakan pada industri pesawat terbang adalah resin berpenguat serat. Beberapa sistem komposit yang digunakan adalah resin+serat karbon, resin+serat kaca ataupun resin+aramid. Peluang terbaru adalah penggunaan serat alam dan komposit hibrid sebagai alternatif bahan baru dalam aplikasi struktur pesawat terbang. Penggunaan material komposit pada aplikasi pesawat terbang saat ini fokus pada beberapa poin diantaranya penurunan bobot, mengurangi biaya reduksi dan peningkatan performa. Namun kedepan, isu penggunaan komposit akan bergeser pada isu lingkungan yang fokus terhadap pengurangan penggunaan bahan bakar, mengurangi polusi dan mengurangi kebisingan.



6.



Daftar Pustaka [1]



W. D. Callister, Materials Science and Engineering, vol. 182. 1973.



[2]



“Advanced Polymer Composites Market Size – Share Report 2018-2025.” [Online].



Available:



https://www.gminsights.com/industry-analysis/advanced-



polymer-composites-market. [3]



P. . Irving and C. Soutis, Polymer Composites in the Aerospace Industry. Elsevier Ltd, 2015.



[4]



S. W. Ghori, R. Siakeng, M. Rasheed, N. Saba, and M. Jawaid, The Role of Advanced Polymer Materials in Aerospace. Elsevier Ltd, 2018.



[5]



A. Quilter, “Composites in Aerospace Applications,” 2004.



[6]



N. V Nayak, “Composite Materials in Aerospace Applications,” vol. 4, no. 9, pp. 1–10, 2014.



[7]



M. Asim, N. Saba, M. Jawaid, and M. Nasir, Potential of Natural Fiber/Biomass Filler-Reinforced Polymer Composites in Aerospace Applications. Elsevier Ltd, 2018.



11