ABSTRAK KARAKTERISTIK CACAT KOMPOSIT EPOXY BERPENGUAT HYBRID ANYAMAN SERAT KARBON DAN SERAT BASALT PADA PERMESINAN DRILLING

Transkripsi

1 ABSTRAK KARAKTERISTIK CACAT KOMPOSIT EPOXY BERPENGUAT HYBRID ANYAMAN SERAT KARBON DAN SERAT BASALT PADA PERMESINAN DRILLING Proses permesinan pada mesin perkakas merupakan salah satu jenis proses pembuatan komponen benda kerja. Salah satu proses pemotongan bahan adalah proses drilling. Penelitian ini dilakukan adalah untuk mengamati cacat pada material komposit akibat drilling proses. Material komposit dengan laminasi serat penguat karbon dan basalt telah digunakan. Tujuan penelitian adalah mengetahui karakteristik cacat dari hybrid composite epoxy interply serat karbon/serat basalt dengan perlakuan drilling. Metode penelitian yang digunakan adalah metode penelitian eksperimental. Variasi ukuran pahat potong adalah berdiameter 8 mm dan 10 mm. Proses permesinan dilakukan dengan kondisi pemotongan dry process dan wet process. Hasil proses permesinan drilling akan diinvestigasi dengan scanning electron microscope (SEM), Mikroskop optic dan analisa data menggunakan software computer ImageJ 1. 46r. Hasil penelitian menunjukkan bahwa : (1) Diameter mata pahat dan susunan serat penguat material hybrid komposit memberikan pengaruh terhadap kualitas permukaan uji drilling. Dengan variasi pemakaian diameter mata pahat 8 mm dan 10 mm, nilai luas cacat permukaan material hybrid komposit uji drilling untuk diameter mata pahat 10 mm semakin meningkat rata-rata sebesar 29%. (2) Kondisi pemotongan dengan pelumas (wet process) menurunkan luas cacat permukaan dan menghasilkan permukaan material yang rata karena terbentuknya lapisan oil film antara permukaan material hybrid komposit dengan mata pahat sehingga menurunkan gesekan, namun berdampak meningkatkan waktu pemotongan proses drilling. Nilai selisih waktu pemotongan kondisi dry process dengan wet process yang diberikan adalah untuk mata pahat 8 mm sebesar 19% dan untuk mata pahat 10 mm sebesar 249%. Kata kunci: Hybrid composite, Serat carbon, Serat basalt, Drilling, Daerah cacat. i

2 ABSTRACT CHARACTERISTICS DEFECT OF HYBRID COMPOSITE REINFORCED EPOXY WITH CARBON AND BASALT FIBER ON DRILLING PROCESS The machining process is one type in work piece processing using a machine tool. The drilling was wide process in cutting work piece. This research was done to investigate the defect of composite materials against drilling process. Hybrid composite material with lamination carbon fiber and basalt fiber reinforced was carried out. The aim is to investigate the characteristics of the hybrid defect interply epoxy composite carbon fiber / basalt fiber with the drilling process. The method used was experimental research methods. The drill bit variation was used in diameter 8mm and 10mm. The machining process was conducted on dry and wet condition. The results of drilling machining process have been investigated by scanning electron microscope (SEM), optic microscopy and analyzed using Image J 1.46r software. The results showed that: (1) The diameter eye chisel and arrangement of reinforcement fiber hybrid composite material influence on the quality surface. With variations chisel eye diameter 8 mm and 10 mm, wide value hybrid composite material surface defect test drilling for diameter 10 mm chisel increased on average by 29%. (2) The condition cutting with lubricants (wet process) to reduce size of surface defects and produce a flat surface material because the formed oil film formation layer between the surface hybrid composite material with a chisel eye resulting in lower friction, but increases cutting time drilling process. The differences of the time cutting conditions with wet process and dry process is provided for eye chisel 8 mm by 19% and for eye chisel 10 mm by 249%. Keywords: Hybrid composite, Carbon fiber, Basalt fiber, Drilling, Defect area. ii

3 RINGKASAN Proses permesinan atau proses pemotongan logam dengan menggunakan alat potong pada mesin perkakas merupakan salah satu jenis proses pembuatan komponen benda kerja yang paling sering dilakukan. Salah satu proses pemotongan bahan adalah proses drilling. Proses drill yang dimaksudkan adalah proses pembuatan lubang bulat dengan menggunakan mata bor (twist drill). Pemilihan material merupakan salah satu langkah penting dalam perancangan mesin. Material komposit adalah salah satu bahan alternatif yang banyak digunakan untuk menggantikan bahan-bahan konvensional. Material komposit memiliki sifat tahan korosi, ringan, tegangan tarik dan modulus elastisitas yang baik dan ekonomis dibanding dengan material logam. Sehingga banyak diaplikasikan pada produk bidang otomotif, elektronik, kontruksi, energi dan bidang industri lain sejak dua decade terakhir. Akan tetapi, dibalik keunggulan sifat mekanik dan fisik yang dimiliki, kelemahan yang menjadi permasalahan adalah sifat getas (brittle). Tujuan secara umum penelitian ini adalah untuk menginvestigasi karakteristik cacat dari material akibat drilling proses dengan variasi diameter mata pahat. Metode penelitian yang digunakan adalah metode penelitian eksperimental. Hybrid komposit dirancang dengan metode laminasi dan pengaturan posisi laminasi antara serat karbon dan serat basalt. Material komposit dengan variasi posisi laminasi serat karbon dan basalt antara lain : C3B2C3B2, B2C3B2C3 dan C2B2C2B2C2. Variasi ukuran pahat potong adalah berdiameter 8 mm dan 10 mm. Proses permesinan dilakukan dengan kondisi pemotongan dry process dan wet process. Hasil proses permesinan drilling akan diinvestigasi dengan scanning electron microscope (SEM), Mikroskop optic dan analisa data menggunakan software computer ImageJ 1. 46r. Hasil pengujian pada proses drilling dengan menggunakan pahat bor dengan ukuran 8 mm dan 10 mm pada kondisi kering tanpa coolant pemotongan, ditunjukkan untuk jenis cacat / defect material komposit adalah cacat delamination, fiber pull-out, resin loss dan crack. Cacat delamination adalah cacat yang terjadi pada kegagalan struktur pelapisan komposit yang disebabkan oleh dua lapisan yang mengelupas akibat beban gaya yang diterima lebih besar dibandingkan dengan gaya lekat antar lapisan. Cacat fiber pull-out adalah kondisi cacat pada jumlah serat penguat material komposit yang terlepas dari matriksnya. Cacat resin loss adalah lepasnya resin yang tidak mengikat secara penuh serat yang diakibatkan beban yang diterima material komposit. Cacat crack adalah putusnya struktur komposisi penyusun komposit akibat tegangan. Cacat permukaan hasil pemesinan drilling ini dipengaruhi dari kemampuan bahan dalam menahan beban maksimum yang diterima pada saat pemakaian atau proses pemotongan. Sebagian besar proses pemesinan drilling menyebabkan terjadinya delaminasi yang akan mengurangi kekuatan komposit itu sendiri. Karena proses drilling melibatkan parameter pemotongan, gaya tekan dan karakteristik lubang yang dihasilkan. Gaya penekanan dari pahat drill mengakibatkan terjadinya defleksi. Makin banyak jumlah lapisannya dan makin kebawah maka defleksinya makin besar. Defleksi yang semakin meningkat akan menyebabkan terjadinya delaminasi. Berdasarkan tampilan visual iii

4 dari uji analisa SEM dengan low magnification, terjadi kontras gelap-terang atau warna hitam-putih. Kontras warna putih adalah serat basalt yang mengalami distribusi tegangan proses drilling yang lebih besar akibat gaya tekan dan gaya potong twist drill. Kondisi ini dipengaruhi oleh sifat dan karakteristik dari material serat basalt lebih ductile dibandingkan dengan serat karbon, sehingga gaya pemotongan yang dibutuhkan lebih besar. Perlakuan uji drilling pada kondisi basah dengan coolant pemotongan untuk diameter pahat bor ukuran 8 mm dan 10 mm. Hasil pengujian pada kondisi tersebut, dihasilkan penurunan signifikan pada daerah cacat akibat proses drilling dengan pelumasan untuk diameter 8 mm dan untuk diameter 10 mm. Secara garis besar kualitas permukaan yang dihasilkan lebih rata dan halus. Karena secara umum peran utama cairan pendingin adalah mendinginkan, melumasi dan memperhalus permukaan produk hasil pemesinan. Berdasarkan hasil pengujian dan pengolahan data penelitian dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut : (1) Diameter mata pahat dan susunan serat penguat material hybrid komposit memberikan pengaruh terhadap kualitas permukaan uji drilling. Dengan variasi pemakaian diameter mata pahat 8 mm dan 10 mm, nilai luas cacat permukaan material hybrid komposit uji drilling untuk diameter mata pahat 10 mm semakin meningkat rata-rata sebesar 29%. (2) Kondisi pemotongan dengan pelumas (wet process) menurunkan luas cacat permukaan dan menghasilkan permukaan material yang rata karena terbentuknya lapisan oil film antara permukaan material hybrid komposit dengan mata pahat sehingga menurunkan gesekan, namun berdampak meningkatkan waktu pemotongan proses drilling. Nilai selisih waktu pemotongan kondisi dry process dengan wet process yang diberikan adalah untuk mata pahat 8 mm sebesar 19% dan untuk mata pahat 10 mm sebesar 249%. iv

5 DAFTAR ISI Halaman SAMPUL DALAM... i LEMBAR PERSETUJUAN... iii KATA PENGANTAR... iv ABSTRAK... v ABSTRACT... vi RINGKASAN... vii DAFTAR ISI... ix DAFTAR TABEL... xii DAFTAR GAMBAR... xiii DAFTAR LAMPIRAN... xv BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Rumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Elemen Dasar Proses Permesinan Proses Drilling Mesin Bor Kontrol Utama Mesin Bor Geometri Pahat Elemen, Bidang Dan Mata Potong Pahat Material Pahat Cairan Pendingin Jenis Cairan Pendingin Teknologi Material Komposit v

6 2.6.1 Pengertian Material Komposit Tujuan Pembuatan Material Komposit Penyusun Komposit Propertis Komposit Klasifikasi Komposit Aspek Geometri Komposit Kelebihan Bahan Komposit Kekurangan Bahan Komposit Contoh Material Komposit BAB III KERANGKA BERPIKIR, KONSEP DAN HIPOTESIS PENELITIAN Kerangka Berpikir Konsep Hipotesis Penelitian BAB IV METODE PENELITIAN Metode Penelitian Variabel Penelitian Spesifikasi Material Banda Kerja dan Pahat Spesifikasi Coolant permesinan (Cutting Oil) Spesifikasi Mesin Bor Vertikal Pengujian Mikroskop Optic Pengujian Scanning Electron Microscopic (SEM) Pengambilan Data dan Analisis Diagram Alir Penelitian BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN Perhitungan Elemen Dasar Proses Drilling Analisa Cacat Uji Drilling Material Hibrid Komposit Pengukuran Faktor Delaminaasi Pengamatan Dengan SEM Pengamatan Dengan Mikroskop Optic vi

7 BAB VI SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN vii

8 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1 Sifat-Sifat Dari Jenis Fiber-Glass Tabel 2.2 Komposisi Senyawa Kimia Fiber-Glass Tabel 2.3 Kelebihan dan Kekurangan Fiber Tabel 4.1 Basic Specification Of Plain Woven Serat Karbon Dan Serat Basalt Tabel 4.2 Properties Of Epoxy Resin (HTC-667C) Tabel 4.3 Dimensi Pahat Twist Drill Tabel 4.4 Rancangan Data Numerik Penelitian Tabel 4.5 Jadwal Penelitian Tabel 5.1 Hasil perhitungan elemen dasar proses drilling dengan kondisi pemotongan dry process Tabel 5.2 Hasil perhitungan elemen dasar proses drilling dengan kondisi pemotongan wet process Tabel 5.3 Nilai faktor delaminasi pada proses drilling dry process Tabel 5.4 Nilai faktor delaminasi pada proses drilling wet process Tabel 5.5 Nilai daerah cacat drilling material hybrid komposit viii

9 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Proses Drilling... 8 Gambar 2.2 Mesin Bor Vertikal Gambar 2.3 Skema Benc Drilling Machine FLOTT SB M Gambar 2.4 Front Plate Pada Mesin Bor FLOTT SB M Gambar 2.5 Bagian-Bagian Pahat Bor Gambar 2.6 Ilustrasi Cairan Pendingin Pada Proses Permesinan Gambar 2.7 Ilustrasi Matriks Pada Komposit Gambar 2.8 Ilustrasi Reinforcement Pada Komposit Gambar 2.9 Pengertian Komposit Gambar 2.10 Klasifikasi Komposit Berdasarkan Bentuk Dari Matriks Gambar 2.11 Matriks dari Beberapa Tipe Komposit Gambar 2.12 Pembagian Komposit Berdasarkan Penguatnya Gambar 2.13 Ilustrasi Komposit Berdasarkan Penguatnya Gambar 2.14 a. Flat Flakes sebagai penguat (Flake Composites) b. Fillers Sebagai Penguat (Filler Composites) Gambar 2.15 Parameter Fiber Dalam Pembuatan Komposit Gambar 2.16 Tipe Serat Pada Komposit Gambar 2.17 Tipe Discontinuous Fiber Gambar 2.18 Ilustrasi Komposit Berdasarkan Strukturnya : a. Struktur Laminate b. Sandwich Panel Gambar 2.19 Jenis-Jenis Dari Fiber Reinforced Composites Gambar 2.20 Structural composites sandwich panels Gambar 4.1 Skema Proses Fabrikasi Laminasi Komposit Dengan VARTM Gambar 4.2 Dimensi twist drill Gambar 4.3 Cutting Oil Mobilmet S Gambar 4.4 Mesin Bor Vertikal Gambar 4.5 Mikroskop optik Gambar 4.6 Scanning Electron Microscopic (SEM) Gambar 4.7 Set-up Alat Penelitian ix

10 Gambar 4.8 Diagram Alir Penelitian Gambar 5.1 Panjang Pemotongan Benda Kerja Proses Drilling [15] Gambar 5.2 Grafik hubungan variasi laminasi penguat material komposit dengan kecepatan pemakanan (v f ) proses drilling pada dry process menggunakan diameter bor 8 mm dan 10 mm Gambar 5.3 Grafik hubungan variasi laminasi penguat material komposit dengan kecepatan pemakanan (v f ) proses drilling pada wet process menggunakan diameter bor 8 mm dan 10 mm Gambar 5.4 Pengukuran luas area cacat permukaan Gambar 5.5 Material C3B2C3B2 dengan diameter mata bor 8 mm Gambar 5.6 Material C3B2C3B2 dengan diameter mata bor 10 mm Gambar 5.7 Material B2C3B2C3 dengan diameter mata bor 8 mm Gambar 5.8 Material B2C3B2C3 dengan diameter mata bor 10 mm Gambar 5.9 Material C2B2C2B2C2 dengan diameter mata bor 8 mm Gambar 5.10 Material C2B2C2B2C2 dengan diameter mata bor 10 mm Gambar 5.11 Skematik proses drilling pada komposit laminate [23] Gambar 5.12 Material C3B2C3B2 dengan diameter mata bor 8 mm Gambar 5.13 Material C3B2C3B2 dengan diameter mata bor 10 mm Gambar 5.14 Material B2C3B2C3 dengan diameter mata bor 8 mm Gambar 5.15 Material B2C3B2C3 dengan diameter mata bor 10 mm Gambar 5.16 Material C2B2C2B2C2 dengan diameter mata bor 8 mm Gambar 5.17 Material C2B2C2B2C2 dengan diameter mata bor 10 mm Gambar 5.18 Daerah cacat proses drilling kondisi kering (a) A1:8mm, (b). A1:10 mm (c) A2:8mm, (d) A2:10mm, (e) A3:8mm, (f) A3:10mm Gambar 5.19 Daerah cacat proses drilling kondisi basah (a) A1:8mm, (b). A1:10 mm (c) A2:8mm, (d) A2:10mm, (e) A3:8mm, (f) A3:10mm Gambar 5.20 Grafik hubungan variasi laminasi penguat material komposit dengan luas daerah cacat drilling pada dry process menggunakan diameter bor 8 mm dan 10 mm Gambar 5.21 Grafik hubungan variasi laminasi penguat material komposit dengan luas daerah cacat drilling pada wet process menggunakan diameter bor 8 mm dan 10 mm x

11 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1 Data waktu pengujian proses drilling kondisi dry process Lampiran 2 Data waktu pengujian proses drilling kondisi wet process Lampiran 3 Gambar 1. Pengukuran faktor delaminasi kondisi kering Lampiran 4 Gambar 2. Pengukuran factor delaminasi kondisi basah Lampiran 5 Gambar 3. Pengukuran luas area cacat permukaan proses drilling kondisi kering Lampiran 6 Gambar 4. Pengukuran luas area cacat permukaan proses drilling kondisi basah Lampiran 7 Luas area cacat permukaan material komposit akibat proses drilling xi

12 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Proses permesinan atau proses pemotongan logam dengan menggunakan alat potong pada mesin perkakas merupakan salah satu jenis proses pembuatan komponen benda kerja yang paling sering dilakukan. Salah satu proses pemotongan bahan adalah proses drilling. Proses drill yang dimaksudkan adalah proses pembuatan lubang bulat dengan menggunakan mata bor (twist drill). Parameter pemotongan proses drill antara lain : kecepatan potong, gerak makan, kedalaman potong, gaya aksial dan momen puntir [1]. Pengaturan dan pemilihan nilai parameter pemotongan yang tepat merupakan factor yang mempengaruhi kualitas hasil permesinan drill dan kondisi permesinan yang lebih optimal. Pemilihan material merupakan salah satu langkah penting dalam perancangan mesin. Material komposit adalah salah satu bahan alternatif yang banyak digunakan untuk menggantikan bahan-bahan konvensional. Komposit merupakan material hasil kombinasi buatan antara bahan berbeda sehingga diperoleh sifat bahan yang tidak dimiliki komponen penyusunnya secara individu [1]. Material ini dirancang dengan cara memilih komponen-komponen penyusunnya, komposisi, distribusi dan struktur interfasa antara komponen penyusun sehingga menghasilkan karakteristik baru. Material komposit memiliki sifat tahan korosi, ringan, tegangan tarik dan modulus elastisitas yang baik dan ekonomis dibanding dengan material logam. Sehingga banyak diaplikasikan pada produk bidang otomotif, elektronik, kontruksi, energi dan bidang industri lain [2] 1

13 2 sejak dua decade terakhir. Akan tetapi, dibalik keunggulan sifat mekanik dan fisik yang dimiliki, kelemahan yang menjadi permasalahan adalah sifat getas (brittle). Material komposit seperti telah dijelaskan terdiri dari serat dan matrik. Serat (fiber) adalah bahan yang digunakan sebagai penguat. Pada umumnya material penguat dikelompokkan menjadi bahan organic (adalah serat yang didapatkan dari bahan alami) dan in-organik (serat sintetis berupa serat gelas, Aramid, karbon) [1]. Berkaitan dengan sifat mekanis dan fisik dari bahan komposit akibat perlakuan drilling telah banyak dilakukan penelitian seperti Abdul Nasir et.al [3] melakukan penelitian pengukuran dan optimalisasi tensile strength (kekuatan tarik) dan kerusakan delaminasi pada pengeboran komposit penguat serat fibre parameter cutting speed dan feed rate untuk mata pahat twist drill dan step drill. Hasil penelitian menunjukkan faktor kekuatan tarik dan delaminasi sangat sensitif terhadap perubahan feed rate, diikuti oleh kecepatan spindle dan geometri tool. Pemilihan tingkat feed rate yang rendah dan tingkat cutting speed yang tinggi akan mengurangi kerusakan delaminasi pada komposit serat fibre. Tsao et.al [4] menunjukkan bahwa ada korelasi kuat antara suhu pemotongan dengan cacat material (defect) yang diakibatkan karena keausan pahat. Gaurav Chaudhary et. al [5] meneliti pengaruh parameter pemotongan drilling pada hybrid aluminium matriks composite. Hasil penelitian menunjukkan faktor tingkat feed rate adalah parameter yang

14 3 paling mempengaruhi hasil kekasaran permukaan dan diameter mata bor maksimum yang direkomendasikan adalah 12 mm. Berangkat dari uraian tersebut di atas, dilakukan penelitian uji drilling pada material hybrid komposit dengan penguat laminasi antara anyaman serat karbon dan serat basalt pada epoxy matrik. Tujuan secara umum penelitian ini adalah untuk menginvestigasi karakteristik cacat dari material akibat drilling proses dengan variasi diameter mata pahat. Hybrid komposit dirancang dengan metode laminasi dan pengaturan posisi laminasi antara serat karbon dan serat basalt. Selanjutnya analisa cacat dianalisa dengan menggunakan SEM. 1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang masalah di atas, permasalahan yang akan dikaji dalam penelitian ini adalah : 1. Bagaimana karakteristik cacat hybrid composite epoxy interply serat karbon/serat basalt akibat perlakuan drilling sesuai dengan variasi diameter mata bor. 2. Bagaimana pengaruh susunan penguat pada hybrid komposit pada proses drilling dengan variasi diameter mata bor. 3. Bagaimana karakteristik cacat hybrid komposit pada proses drilling untuk kondisi kering (dry process) dan kondisi basah (wet process).

15 4 1.3 Batasan Masalah Batasan masalah pada penelitian yang dilakukan adalah : 1. Temperatur ruang pengujian adalah temperatur ruang T = 28 0 C konstan. 2. Pengeboran dilakukan dengan arah vertical. 3. Waktu pemakanan pada proses drilling diasumsikan tetap. 4. Jenis mata bor yang digunakan adalah twist drill dengan material alat potong terbuat dari High Speed Steel (HSS). 5. Diameter mata pahat yang digunakan adalah 8 mm dan 10 mm. 6. Gaya pemotongannya adalah konstan. 7. Kecepatan pemakanan konstan 8. Waktu pemakanan ditetapkan untuk setiap variasi adalah selama 10 menit. 9. Cairan pendingin (coolant) menggunakan Mobilmet S 122 dengan rasio 1 : 20 (coolant : air). 1.4 Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah mengetahui karakteristik cacat dari hybrid composite epoxy interply serat karbon/serat basalt dengan perlakuan drilling.

16 5 1.5 Manfaat Penelitian Manfaat dari penelitian ini adalah : 1. Bermanfaat bagi penulis, memperoleh data kesesuaian parameter dalam pengerjaan drilling terhadap material komposit berbasis hybrid serat karbon dan serat basalt epoxy resin. 2. Dapat dijadikan sebagai referensi tambahan dalam proses pengerjaan drilling untuk material hybrid komposit. 3. Bermanfaat bagi lembaga dan institusi adalah dapat menjadi sumber data dalam penentuan standar kerja pada proses drilling khususnya pada pengerjaan material hybrid komposit.