Mekanika Bahan Komposit>Pengembangan Polymer Layered Organo-Clay Nanocomposite Pada Roof Top Cargo Box
Pengembangan
Polymer Layered Organo-Clay
Nanocomposite Pada Roof Top Cargo Box
Disusun Oleh
Nama :
Imam Rohayat
Nim :
1311078
JURUSAN TEKNIK MESIN S-1FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRIINSTITUT TEKNOLOGI NASIONAL MALANGTAHUN 2014
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Komposit merupakan teknologi yang sangat menjanjikan pada abad
ke-21 dan pada abad masa yang akan datang Industri potensial yang siap untuk
mengembangkan produk berbasis komposit meliputi: penerbangan, otomotif,
perkapalan, kereta api, konstruksi bangunan, pengemas, komputer dan
telekomunikasi. Pada industrl material, pengembangan material komposit berbasis
serat dan polimer telah sangat berkembang dengan cepat dan merupakan kegiatan
yang membutuhkan multidisiplin. Pemakaian nanokomposit berbasis matriks polimer
untuk pembuatan komponen otomotif merupakan usaha inovasi material untuk
menjamin suatu struktur yang kuat, ringan, dan aman. Polimer nanokomposit
adalah suatu kelas dari material polimer dengan menggunakan sistem penguat dari
partikel lempung berukuran nano (nanometric-sized clay particles) dengan
hanya kuantitas kecil (< 5%) Bahan lempung ini ternyata dapat meningkatkan
kekuatan mekanis dan ketahanan panas polimer dengan cukup tinggi yaitu pada
sifat mekanis (yaitu nilai modulus dan kekuatan), ketahanan panas (thermal
stability/fire resistance), dan sifat daya hambat (barrier properties) jika
dibandingkan material polimer murni. Selain itu juga kinerja material yang
sangat baik ini tidak mempengaruhi nilai densitas dari polimer murni dan
kemampuan daur ulangnya (recylability). Dengan menggunakan komposit yang
ringan akan menurunkan berat struktur, biaya produksi, dan konsumsi energi
akibat penggunaan kendaraan pada kecepatan tinggi bila dibandingkan dengan
menggunakan material yang relatif lebih berat dari bahan paduan logam (metal
alloys) .
Bidang aplikasi material komposit lainnya yang prospektif adalah
untuk menggantikan bahan logam yang mudah terkena korosi (corrosion-prone
metals) terutama yang berhubungan dengan udara luar akibat lingkungan operasi
yang korosif. Dilihat dari tingkat keselamatan, material komposit telah memenuhi standar keselamatan karena
telah terbukti memiliki ketahanan terhadap asap, api, dan toksisitas (smoke,
fire, and toxicity). Lebih Jauh, material komposit menawarkan suatu
material yang mempunyai umur pakai (life time) yang lebih lama
dibandingkan bahan logam jika spesifikasi material yang digunakan sesuai dengan
kondisi aplikasinya.
Dengan alasan mendasar inilah, kegiatan pengembangan material
komposit maju pada pembuatan komponen otomotif dilaksanakan. Potensi Sumber
Daya Alam Indonesia dalam penyediaan bahan mentah berupa bahan serat alam
sebagai sustainable resources sangat besar dan terbuka untuk suatu
pengembangan produk inovatif ramah lingkungan, mengingat material komposit
berbasis serat alam (natural fibre composites) dapat digunakan pada
komponen interior kendaraan non-struktur dan dapat didaur ulang dan bersifat biodegradable.
Suatu usaha untuk meningkatkan nilai tambah material pada komponen komposit
yang telah diproduksi oleh industri pengembang komponen otomotif akan dilakukan
dengan menambahkan material serat alam seperti rami, abaka, dan nenas untuk
meningkatkan karakteristik mekanik material yang telah didapat. Konsep desain
dan produk tipikal komponen otomotif akan banyak mengacu pada perkembangan
teknologi fabrikasi material komposit di dunia.
Kegiatan riset yang dilakukan:
pengkajian material nanokomposit meliputi desain komposisi dan konfigurasi
laminasi sistem material nanokomposit dengan sifat mekanis yang relatif baik,
penerapan teknologi fabrikasi berbasis open moulding yaitu Vacuum
Assisted Resin Transfusion Moulding (VARTM), pengujian kekuatan mekanis
material nanokomposit, analisa kualitas produk dari material nanokomposit dan
analisa tekno-ekonomis produk nanokomposit pilihan. Hasil kajian ini aka'n
kemudian menghasilkan suatu spesifikasi teknis material nanokomposit,
rekomendasi manual teknologi desain dan manufaktur material komposit, pembuatan
prototipe komponen otomotif, memberikan konsultansi material nanokomposit
kepada mitra industri pengguna, dan inovasi rekayasa produk prototipe komponen
otomotif dengan menggunakan fasilitas produksi yang terdapat di industri
pengguna yaitu PT. Gilang Lemindo Sejahtera. Material nanokomposit diharapkan dapat
menjadi salah satu alternatif material dasar kendaraan otomotif sebagai salah
satu mode transportasi masal dalam jangka waktu dekat di masa depan yang
memiliki nilai ekonomis yang tinggi sebagai salah satu solusi terhadap
permasalahan di bidang sarana transportasi.
1.2 Tujuan
1. Penerapan teknologi
desain dan proses manufaktur material komposit berpenguat serat (Fibre Reinforced Composite/FRC) menggunakan teknologi Vacuum Assisted Resin
Transfusion Moulding (VARTM), dalam rangka menghasilkan produk nanokomposit
yang berkualitas dan bernilai komersial tinggi khususnya pada pembuatan Roof
Top Cargo Box
2. Memberikan
nilai tambah bagi sumber daya alam (SDA) lokal dan substitusi impor bahan baku
komponen material transportasi khususnya pada komponen otomotif yang dapat
dibuat dari nanokomposit berbasis serat alam (natural fibre reinforced clay
nanocomposites).
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Bahan Baku
Penyusun Material Nanokomposit
Bahan
baku penyusun material nanokomposit yang digunakan sebagai prototipe Roof Top Cargo Box
yaitu :
2.1.1
Serat rami
Rami termasuk dalam keluarga Urticaceae
(Boehmeria) yang memiliki kira-kira 100 jenis Serat rami yang diambil dari
batang tanaman rami (Gambar 2.1 ) adalah salah satu jenis serat alam yang
memiliki potensi untuk dikembangkan menjadi biokomposit. Saat ini pohon rami
sudah berhasil dibudidayakan oleh Koperasi Pondok Pesantren Darussalam
(Kopontren Darussalam), Garut, Jawa barat
seluas hampir 300 hektar. Pemanfaatan utama serat rami pada saat ini masih
sangat terbatas di bidang tekstil seperti kain, tas dan tikar, sedangkan
pemanfaatan untuk material stuktural belum dikembangkan. Rami termasuk tanaman
penghasil serat tertua di daerah asia timur, dan saat ini banyak dibudidayakan
di negara Indonesia, China, Jepang dan India. Rami dapat tumbuh mencapai 1,2 –
2,5 m dan dapat dipanen 6 kali per
tahun. Secara teknis serat rami tergolong panjang (1,5 m atau lebih) dengan
diameter 10 – 25 μm. Bentuk serat memiliki dinding sel yang tebal, datar dan
tidak beraturan. (Mukhammad,Alaya.2013)
Serat rami dalam material nanokomposit
berfungsi sebagai penguat yang memiliki karakteristik fisik sebagai berikut :
Tabel 2.1 Karakteristik Fisik
Serat Rami
No
|
Karakteristik
Fisik Serat Rami
|
Besar
|
1
|
Massa jenis serat (g/cm3)
|
0,7 – 0,9
|
2
|
Berat serat /50 cm
|
0,0012 – 0,002415
|
3
|
Kekuatan Tarik (Kg/g.m)
|
150,8 – 178
|
4
|
Elongation (%)
|
1,2 – 1,6
|
Gambar 2.1 Tanaman Rami
Gambar 2.2 serat
rami
2.1.2 Nanoclay
Nanoclay sebagai filler yang
berfungsi sebagai penguat tambahan pada material nanokomposit. Lempung (clay)
alam berasal dari daerah pacitan yang sudah diproses menjadi organoclay,
dengan ukuran jarak antar lapisan (d-spacing) organoclay sebesar
39,18 A (3.918 nm).
Ini menunjukan bahwa bahan penyusun material nanokomposit berupa partikel
berskala nano.
Gambar
2.2 Nanoclay
2.1.3 Resin Epoksi
Resin Epoksi sebagai matriks
bahan pengikat material nanokomposit. Resin epoksi yang digunakan sebagai bahan
penyusun material nanokomposit adalah tipe structural adhesive araldite yaitu
resin Renlam dan HY956.
Gambar 2.3 Resin Epoksi
2.2 Desain Laminasi dan Komposisi Material
Nanokomposit
Kegiatan riset ini secara spesifik dilaksanakan untuk
mengembangkan produk inovasi melalui rekayasa antara desain geometri, komposisi
material, teknik manufaktur, dan pengujian komponen material nanokomposit,
serta evaluasi nilai ekonomis hasil produk komponen berbasis material
nanokomposit yang dilakukan di mitra pengguna.
Kegiatan rekayasa desain laminasi dan sintesa karakteristik mekanik: kekuatan dan kekakuan material nanokomposit yang ditujukan untuk mengetahui karakteristik material yang disyaratkan oleh suatu spesifikasi produk yang telah ditetapkan. Desain laminasi akan dilakukan dengan menggunakan perhitungan teori lamina klasik (classical laminate theory) dengan asumsi material yang dibuat adalah pelat laminasi tipis. Sebagai basis perhitungan, material nanokomposit laminar akan dianalisa dengan menggunakan pendekatan mikro mekanik dan makromekanik dengan memperhatikan material penyusun, orientasi serat (fibre architecture), dan fraksi berat serat (fibre weight fraction).
Kegiatan rekayasa desain laminasi dan sintesa karakteristik mekanik: kekuatan dan kekakuan material nanokomposit yang ditujukan untuk mengetahui karakteristik material yang disyaratkan oleh suatu spesifikasi produk yang telah ditetapkan. Desain laminasi akan dilakukan dengan menggunakan perhitungan teori lamina klasik (classical laminate theory) dengan asumsi material yang dibuat adalah pelat laminasi tipis. Sebagai basis perhitungan, material nanokomposit laminar akan dianalisa dengan menggunakan pendekatan mikro mekanik dan makromekanik dengan memperhatikan material penyusun, orientasi serat (fibre architecture), dan fraksi berat serat (fibre weight fraction).
Untuk
memperoleh material nanokomposit dengan kualitas kekuatan struktur yang baik,
selain dlpengaruhi oleh teknik manufaktur pembuatan material nanokomposit, juga
desain komposisi campuran bahan baku penyusun memiliki peranan penting dalam
menentukan kualltas kekuatan material nanokomposit untuk aplikasi pada komponen
otomotif. Berikut ini adalah desain komposisi campuran bahan baku penyusun
material nanokomposit untuk apllkasi pada komponen otomotif dapat dilihat pada
Tabel 2.2
Tabel 2.2 Desain Komposisi Bahan
Baku Penyusun Material Nanokomposit yang digunakan sebagai prototipe Roof Top
Cargo Box
Jenis Komposisi
|
% Fraksi Berat
|
||
Nanoclay
|
Serat Rami
|
Resin Epoksi
|
|
I
|
1
|
30
|
69
|
2.3 Teknik Manufaktur Material Nanokomposit dengan Metode
VARTM
Teknik manufaktur material nanokomposit dapat dilakukan dengan berbagai metode. diantaranya adalah hand lay-up, auto clave, dan Vacuum Assisted Resin Transfusion Moulding (VARTM). Setiap metode ini memiliki kekurangan dan kelebihan dari segi biaya produksi dan kualitas produk. Hand lay-up memiliki biaya produksi yang kecil tetapi kualitas produk yang rendah. Metode auto clave menghasilkan kualitas produk yang bagus tetapi biaya produksi yang mahal. Sedangkan metode VARTM mampu memberikan kualitas produk mendekati auto clave dengan biaya produksi mendekati hand lay-up. Dalam kegiatan ini diterapkan teknik hand lay up dan VARTM yang digunakan dalam memproduksi material nanokomposit untuk prototipe Roof Top Cargo Box
Teknik manufaktur material nanokomposit dapat dilakukan dengan berbagai metode. diantaranya adalah hand lay-up, auto clave, dan Vacuum Assisted Resin Transfusion Moulding (VARTM). Setiap metode ini memiliki kekurangan dan kelebihan dari segi biaya produksi dan kualitas produk. Hand lay-up memiliki biaya produksi yang kecil tetapi kualitas produk yang rendah. Metode auto clave menghasilkan kualitas produk yang bagus tetapi biaya produksi yang mahal. Sedangkan metode VARTM mampu memberikan kualitas produk mendekati auto clave dengan biaya produksi mendekati hand lay-up. Dalam kegiatan ini diterapkan teknik hand lay up dan VARTM yang digunakan dalam memproduksi material nanokomposit untuk prototipe Roof Top Cargo Box
Berdasarkan
hukum Darcy, metode VARTM dipengaruhi oleh tiga hal yaitu viskositas resin,
permeabilitas serat dan gradien tekanan. Kemudian dengan menetapkan viskositas
resin dan gradien tekanan konstan selama proses produksi material nanokomposit,
maka dapat dianalisa pengaruh permeabilitas serat terhadap penyebaran resin
pada metode VARTM ini. Tahapan proses pembuatan material nanokomposit dengan
teknik VARTM seperti pada Gambar 2.4 berikut ini.
Gambar 2.4 Tahapan Proses Manufaktur Material
Nanokomposit dengan teknik VARTM
2.3.1
Tahapan proses teknik VARTM dalam pembuatan prototipe Roof
Top Cargo Box:
1. Serat dan bahan penyusun material nanokomposit yang
telah disiapkan disusun diatas permukaan cetakan prototipe Roof
Top Cargo Box
2. Bentuk yang
telah disesuaikan ditutup dengan vacuum bag kemudian udara
dikeluarkan dengan menggunakan pompa vacuum.
3. Resin cair dan
pengeras dari penampung luar dimasukkkan kedalam komponen dari vacuum dengan
cara dipompakan kedalam cetakan sehingga terisi penuh.
4. Tunggu sampai
seluruh cetakan penuh dan mengeras.
5. Proses produksi
material nanokomposit selesai.
Skema
teknik manufaktur untuk pembuatan prototipe produk nanokomposit menggunakan
teknik VARTM seperti terlihat pada Gambar 2.5 berikut ini.
Gambar 2.5 Skema
Teknik Manufaktur Prototipe Roof Top Cargo Box Produk Nanokomposit
Teknologi
manufaktur material nanokomposit dengan proses VARTM diharapkan dapat
meningkatkan kualitas struktur internal dari produk nanokomposit dan terbebas
dari udara yang terjebak (void) atau resin yang berlebih (excess
resin). Sehingga material nanokomposit yang dihasilkan akan memiliki
karakteristik strength-to-weight ratio yang tinggi.
Teknik VARTM merupakan jenis teknik manufaktur material nanokomposit berbasis open
moulding yang didesain untuk dapat membuat struktur produk berukuran besar.
Gambar 2.6 Sebelum
proses infusi resin dengan teknik VARTM
Gambar 2.7 Proses
infusi resin dengan teknik VARTM
Gambar 2.8 Setelah
proses infusi resin dengan teknik VARTM
2.4 Karakterisasi
Mekanik Material Nanokomposit pada Prototipe Roof Top
Cargo Box
Karakterisasi
mekanik material nanokomposit yang telah difabrikasi dengan menggunakan teknik VARTM dengan
komposisi bahan baku penyusun seperti
pada Tabel 2.2 di atas meliputi :
1.
Uji Lentur (Flexural) berdasarkan
ASTM 0-790.
2.
Uji Tarik (Tensile) berdasarkan
ASTM 0-638.
Hasil uji lentur dan
uji tarik masing-masing seperti terlihat pada tabel berikut ini.
Tabel 2.3. Hasil Karakterisasi Mekanik
Material Nanokomposit pada Prototipe Roof Top Cargo Box
Jenis
Pengujian
|
Nilai (GPa)
|
Uji Lentur (Flexural)
|
5.146
|
Uji Tarik (Tensile)
|
1.260
|
BAB III
PEMBAHASAN
3.1 Tahapan Pembuatan
Prototipe Komponen Roof Top Cargo Box
Tahapan
pembuatan prototipe komponen otomotif berupa Roof Top Cargo Box adalah sebagai berikut :
1.
Melakukan
pembuatan desain Prototipe Roof Top Cargo Box
2.
Melakukan
pembuatan Master Model pada Prototipe Roof Top Cargo Box
3.
Melakukan
pembuatan Cetakan pada Prototipe Roof
Top Cargo Box
4.
Melakukan
pembuatan pada Prototipe Roof Top Cargo Box
3.2 Skema Pembuatan Prototipe Komponen Roof Top Cargo Box
Adapun
skema pembuatan prototipe Roof Top Cargo Box Menggunakan Teknik VARTM seperti
ditunjukkan pada diagram dibawah ini.
Gambar 3.1 Skema Pembuatan
Prototipe Roof Top Cargo Box
3.3 Desain Komponen Roof Top Cargo Box
Desain Geometri prototipe
Roof Top Cargo Box
menggunakan software CATIA seperti pada gambar di bawah.
Gambar 3.2 Desain
Geometri Prototipe Roof Top Cargo Box
3.4 Cetakan Prototipe Roof Top Cargo Box
Cetakan Prototipe Roof Top
Cargo Box seperti ditunjukkan pada Gambar 3.3 di bawah ini.
Gambar 3.3
Cetakan Prototipe Roof Top Cargo Box
3.5 Model Prototipe Cargo Box Rooftop
Prototipe Rooftop Cargo Box dapat
dilihat seperti pada Gambar 3.4 .
Gambar 3.4 Prototipe Roof Top Cargo Box
3.6
Spesifikasi teknis Prototipe Cargo Box
Rooftop
Spesifikasi teknis Prototipe Cargo Box Rooftop sebagai berikut :
·
Tipe struktur : Struktur Cangkang
·
Jenis Serat Alam : Serat Rami 30%
·
Bentuk Serat
Alam : Kain (Continuous Strand Mat)
Serat Rami
·
Jenis
Resin/Matrix : Epoksi 69%
·
Penguat
tambahan : Nanoclay 1%
·
Jumlah Laminasi : 2 Layer Serat Rami
·
Jumlah Lay-up : 6 Lay-up
·
Teknik Manufaktur : VARTM (Vacuum Assisted
Resin Transfusion Moulding)
3.7
Keuntungan pembuatan Prototipe Cargo Box Rooftop menggunakan bahan
komposit serat rami
1.
Berat berkurang
2.
Rasio antara
kekuatan atau rasio kekakuan dengan berat tinggi
3.
Sifat-sifat yang
mampu beradaptasi: Kekuatan atau kekakuan dapat beradaptasi terhadap pengaturan
beban
4.
Lebih tahan
terhadap korosi
5.
Kehilangan
sebagian sifat dasar material
6.
Ongkos
manufaktur rendah
BAB IV
PENUTUP
4.1 Kesimpulan
Pengembangan
Teknologi Desain dan Produksi Polymer Layered Organo-Clay Nanocomposite pada
Industri Komponen Otomotif, telah
diperoleh hasil sebagai berikut :
1. Diperoleh desain laminasi, komposisi, dan sintesa
kekuatan material nanokomposit
2.
Diperoleh paket
teknologi teknik manufaktur material nanokomposit: VARTM
3.
Diperoleh karakterisasi mekanik
material nanokomposit
pada Prototipe Roof Top Cargo Box
4. Diperoleh desain dan prototipe komponen otomotif : roof
top cargo box
5.
Diperoleh
analisa tekno-ekonomi pembuatan komponen otomotif : roof top cargo box
Dalam
pembuatan prototipe komponen otomotif berupa roof top cargo box menggunakan
teknik manufaktur VARTM dengan komposisi bahan baku penyusun dalam % fraksi
berat yaitu : serat rami 30%, resin epoksi 69% dan nanoclay 1%.
Hasil karakterisasi mekanik material nanokomposit
untuk aplikasi pada pembuatan komponen otomotif roof top cargo box diperoleh
Modulus Lentur (Flexural) sebesar 5,146 GPa dan Modulus Tarik (Tensile)
sebesar 1,260 GPa.
DAFTAR PUSTAKA
Masmui.2010.Pengembangan Teknologi Desain dan Produksi Polymer Layered Organo- Clay
Nanocomposite pada Industri Komponen Otomotif. Laporan penelitian
tidak diterbitkan. Pusat
teknologi material (PTM).
Mukhammad,Alaya.2013.Potensi Serat Batang (Bast Fibers) Sebagai
penguat Biokomposit Untuk
Aplikasi Otomotif. Laporan Penelitian Tidak Diterbitkan.Semarang: Fakultas Teknik,
Universitas Diponegoro Semarang.
Komentar
Posting Komentar