KAJIAN OPTIMASI PENGARUH ORIENTASI SERAT DAN TEBAL CORE TERHADAP PENINGKATAN KEKUATAN BENDING DAN IMPAK KOMPOSIT SANDWICH GFRP DENGAN CORE PVC

Transkripsi

1 KAJIAN OPTIMASI PENGARUH ORIENTASI SERAT DAN TEBAL CORE TERHADAP PENINGKATAN KEKUATAN BENDING DAN IMPAK KOMPOSIT SANDWICH GFRP DENGAN CORE PVC Istanto, Arif Ismayanto, Ratna permatasari PS Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sebelas Maret, Surakarta ABSTRAK Komposit sandwich merupakan jenis komposit yang cocok untuk digunakan sebagai struktur. Salah satu jenis serat dan core yang banyak diaplikasikan di industri adalah serat gelas dan core Divinycell PVC. Penelitian ini bertujuan untuk menyelidiki pengaruh orientasi serat dan tebal core terhadap kekuatan bending dan impak komposit sandwich GFRP dengan core Divinycell PVC. Bahan penelitian adalah serat E-glass woven roving dengan density 3 gr/m 2, unsaturated polyester resin 157 BQTN-EX, dan core Divinycell PVC H 6 (ρ = 6 kg/m 3 ). Spesimen uji terdiri dari lamina komposit GFRP (skin) dan komposit sandwich. Komposit skin dibuat dengan 5 variasi orientasi serat (/9, 45/9, 3/9, 45/-45,dan 3/6). Spesimen uji komposit sandwich terdiri dari komposit sandwich dengan variasi tebal skin (2, 4, 6, dan 8 layer, orientasi serat /9) dengan tebal core 1 mm dan komposit sandwich dengan variasi tebal core (5, 1, 15, dan 2 mm) dengan skin 4 layer. Pembuatan komposit dilakukan dengan metode cetak tekan. Pengujian yang dilakukan meliputi pengujian bending (ASTM D dan ASTM C ), dan pengujian impak (ASTM D 5941 dan ASTM D 5942). Hasil penelitian komposit skin GFRP dengan variasi orintasi serat menunjukkan bahwa orientasi serat [(/9) 4 ] mempunyai kekuatan bending tertinggi (226,62 Mpa) dan kekuatan impak tertinggi (,57 J/mm 2 ). Skin 4 layer dengan orientasi serat [(/9) 4 ] dipandang paling efektif sebagai penguat permukaan komposit sandwich. Semakin tebal core, semakin rendah kekuatan komposit sandwich. Namun semakin tebal core, kemampuan menahan momen dan energi patahnya tetap semakin meningkat. Penampang patahan komposit sandwich mengindikasikan kegagalan yang didominasi oleh core. Kekuatan komposit sandwich ini dapat ditingkatkan dengan mensubtitusikan core yang memiliki sifat mekanis lebih tinggi. Kata kunci : komposit sandwich, komposit skin, kekuatan bending, kekuatan impak PENDAHULUAN Penggunaan bahan komposit sebagai pengganti logam dalam bidang rekayasa sudah semakin meluas, tidak hanya dalam bidang transportasi tetapi juga merambah bidang lainnya seperti properti, arsitektur dan lain sebagainya. Berbagai keuntungan penggunaan komposit semakin dirasakan oleh industri dan masyarakat, misalnya ringan, tahan korosi, tahan air, performance-nya menarik, dan tanpa proses pemesinan. Karena sifat panel komposit yang ringan, maka beban akibat konstruksi tersebut juga menjadi lebih ringan. Harga produk komponen yang dibuat dari komposit dapat turun hingga 6% dibandingkan dengan produk logam (sumber: Kunjungan di PT. INKA Madiun). Bahkan,

2 PKMP penggunaan bahan komposit ini diprediksi mampu mereduksi penggunaan bahan logam import, yang lebih mahal dan mudah terkorosi. Komposit sandwich merupakan material yang tersusun dari tiga material atau lebih yang terdiri dari flat composite sebagai skin dan core di bagian tengahnya. Jika digunakan perekat untuk menggabungkan skin dan core, maka lapisan bahan perekat diperhitungkan sebagai komponen tambahan. Ketebalan lapisan perekat umumnya diabaikan karena lebih tipis dari ketebalan skin maupun core (ASTM C , 1998). Untuk mendapatkan struktur sandwich yang memiliki sifat mekanis tinggi maka diperlukan jenis skin dan core yang tepat. Dalam struktur sandwich, fungsi utama skin antara lain : sebagai pelindung core dari benturan, gesekan dan memperbaiki penampilan (Steeves dan Fleck, 25). Dalam tugasnya sebagai lapisan pelindung, skin sangat tergantung pada jenis serat dan orientasinya. Serat menerima tegangan dari matrik dan meneruskan tegangan yang diberikan sesuai dengan orientasinya. Penentuan orientasi serat yang tepat akan sangat membantu dalam mentransfer tegangan tersebut sehingga bahan komposit yang dihasilkan memiliki sifat mekanis yang tinggi. Variasi ketebalan core juga turut mempengaruhi sifat mekanis komposit sandwich. Komposit sandwich GFRP dengan core Divinycell PVC H 1 mempunyai kekuatan bending sebesar 7,977 MPa, dan kekuatan impak sebesar,718 J/mm 2. Penggunaan core Divinycell PVC H 2 mampu meningkatkan kekuatan bending menjadi 81,92 MPa, dan kekuatan impaknya menjadi,741 J/mm 2. Hasil penelitian tersebut dapat disimpulkan bahwa peningkatan density core Divinycell mampu meningkatkan kekuatan komposit sandwich (Kowangid dan Diharjo, 23). Kekuatan impak komposit GFRP dengan kombinasi serat E-glass chopped strand mat (CSM) 45 gr/m 2 dengan serat E-glass moven roving (WR) 3 gr/m 2 berkisar antara,84 -,116 J/mm 2, dengan nilai rata-rata,99 J/mm 2. Penggunaan density serat gelas yang lebih rendah (CSM 3 gr/m 2 dan WR 3 gr/m 2 akan menurunkan kekuatan impak komposit GFRP menjadi berkisar antara,8 -,19 J/mm 2, atau dengan nilai rata-rata,88 J/mm 2 (Santoso dan Diharjo, 22). Sudiyono dan Diharjo K. (23) menyimpulkan bahwa rancangan komposit sandwich GFRP dengan core polyurethane foam (PUF) memiliki kelemahan di bagian core, yaitu mudah lepasnya ikatan komposit skin GFRP dengan core PUF. Hal ini disebabkan oleh sifat PUF yang mudah mripil. Jenis core ini tidak cocok untuk digunakan sebagai core komposit sandwich yang menerima beban dinamis. Core ini hanya cocok untuk beban statis tekan yang ringan. Hillger (1998), mengemukakan bahwa ada beberapa macam tipe kerusakan pada pengujian impak yang dapat dideteksi, seperti retak dan delaminasi pada skin, debonding antara skin dan core, serta kerusakan di dalam core. Kerusakan tergantung pada geometri balok sandwich dan sifat bahan penyusunnya. Model kerusakan yang terjadi dapat berupa core shear, micro buckling pada skin, dan indentation dibawah loading rooller (Steeves dan Fleck, 25). Penelitian ini bertujuan untuk menyelidiki optimasi pengaruh orientasi serat, tebal skin, dan tebal core terhadap sifat bending dan impak komposit sandwich dengan core Divinycell PVC H 6. Analisis optimasi berdasarkan

3 PKMP ketiga variabel tersebut di atas diharapkan dapat menemukan formulasi disain komposit sandwich yang memiliki sifat mekanis paling optimum. Pengamatan penampang patahan dilakukan untuk menyelidiki mekanisme kegagalan struktur komposit sandwich tersebut. Kekuatan Bending Untuk mengetahui kekuatan bending suatu material, dapat dilakukan pengujian bending. Pada umumnya, material komposit mempunyai nilai modulus elastisitas bending yang berbeda dengan nilai modulus elastisitas tariknya. Akibat pengujian bending, pada bagian atas spesimen akan mengalami tekanan, dan bagian bawah akan mengalami tarikan. Kekuatan tekan komposit lebih tinggi daripada kekuatan tariknya. Kegagalan yang terjadi akibat pengujian bending, komposit akan mengalami patah pada bagian bawah karena tidak mampu menahan tegangan tarik. Kekuatan bending komposit dapat dirumuskan (ASTM D 79) : σ b = 3PL... (1) 2bd 2 P = beban (N), L = panjang span, b = lebar, dan d = tebal. besarnya Momen bending dapat dihitung dengan rumus : M = PL...(2) 4 dengan catatan M = momen (N.mm). Jika uji bending dilakukan dengan metode midspan load maka kekuatan bending komposit sandwich (facing bending stress) dapat dihitung dengan rumus (ASTM C 393) : PL σ =...(3) 2t (d + c)b dengan catatan P = beban yang diberikan (N), d = tebal sandwich, c = tebal core, σ = kekuatan bending permukaan sandwich (MPa), t = tebal skin bawah, L = panjang span, b = lebar sandwich. Model Kegagalan Struktur Sandwich Model kegagalan komposit sandwich akibat mengalami tegangan bending (three/four point bending) biasanya berupa face yield/ micro buckling, core shear, core crushing, dan indentation (Steeves dan Fleck, 24). Gambar 1. Model kerusakan akibat beban bending Kekuatan Impak Kekuatan impak material komposit umumnya di bawah kekuatan impak logam. Untuk mendapatkan kekuatan impak komposit yang mendekati logam maka fraksi serat yang digunakan sebaiknya ± 6 %. Peralatan uji yang digunakan untuk pengujian impak ada dua jenis, yaitu impak Izod dan Charpy. Pengujian

4 PKMP impak komposit biasanya dilakukan dengan metode flat impact method, sesuai dengan aplikasinya sebagai panel struktur. Energi yang digunakan umtuk mematahkan spesimen dapat dihitung dengan persamaan 4. α + β E patah = WR (cos β cosα ) (cosα ' cosα )...(4) α + α ' Besarnya kekuatan impak dapat dihitung dengan persamaan 5. E patah E impack = A...(5) Berbagai jenis kegagalan material akibat pengujian impak ditunjukkan pada gambar (a) Fracture (b) Tarik (c) Tekan (d) Delaminasi Gambar 2. Karakteristik kegagalan akibat beban impak METODE PENDEKATAN Bahan penelitian adalah serat E-glass woven roving dengan density 3 gr/m 2, unsaturated polyester resin (UPRs)157 BQTN-EX, dan core divinycell PVC H 6 (ρ = 6 gr/m 3 ). Spesimen uji terdiri dari lamina komposit GFRP (skin) dan komposit sandwich. Komposit skin dibuat dengan 5 variasi orientasi serat (/9, 45/9, 3/9, 45/-45,dan 3/6) dengan fraksi volume serat 4%. Komposit sandwich terdiri dari komposit sandwich dengan variasi tebal skin (2, 4, 6, 8 layer, orientasi serat /9) dengan tebal core 1 mm dan komposit sandwich dengan variasi tebal core (5, 1, 15, dan 2 mm) dengan skin 4 layer. Besarnya fraksi volume serat komposit skin pada rancangan komposit sandwich juga ditentukan 4%. Core Divinycell yang digunakan adalah jenis core segmen. Posisi sambungan core diletakkan pada bagian tengah sampel uji (yang dikenai beban). Pembuatan komposit dilakukan dengan metode cetak tekan. Untuk mengontrol besarnya fraksi volume serat, maka selama proses manufaktur diberikan stopper pada molding. Model komposit sandwich yang dibuat ditunjukkan pada gambar 3. Komposit hasil cetakan tersebut dipotong-potong menjadi spesimen uji. Skin/laminat bagian atas GFRP (Polyester - Woven Roving) (variasi tebal skin) Core Divinycell H 6 (variasi tebal core) Skin/laminat bagian bawah GFRP (Polyester - Woven Roving) (variasi tebal skin) Gambar 3. Komposit sandwich GFRP dengan core Divinycell

5 PKMP Pengujian bending komposit sandwichnya mangacu standar ASTM C sedangkan pengujian impak komposit skin mengacu pada standar ASTM D dengan impak Charpy. core Skin sekunder P Skin primer Dimensi Spesimen: Lebar = 4 mm Panjang Span = 6 mm 3 3 Tebal sandwich = 12 mm (detail dimensi di data hasil uji). Skin sekunder Support Support 5 Pendulum Skin primer Dimensi Spesimen: Lebar = 15 mm Panjang Span = 5 mm Tebal Sandwich = 12 mm (detail dimensi di data hasil uji) Gambar 4. Prosedur pengujian Three Point Bending dan Impak Charpy Berhubung spesimen uji memiliki titik terlemah di daerah sambungan core (daerah kosong), maka beban uji bending dan impak diarahkan pada titik tersebut. Hal ini dilakukan agar data yang diperoleh merupakan kekuatan terendah, sehingga jika diimplementasikan struktur sandwich tersebut akan tetap aman. HASIL DAN PEMBAHASAN Sifat Bending Tabel 1. Data hasil uji bending skin komposit GFRP Orientasi Serat E- Jumlah Kekuatan glass WR ( o V ) Lamina f (%) Momen (Nmm) Bending (MPa) [(/9) 4 ] [{(3/-6)/(6/-3)} 2 ] [{(45/-45) 4 }] [{(3/-6)/(/9) } 2 ] [{(45/-45)/(/9)} 2 ] Berdasarkan analisis hasil uji bending komposit GFRP (skin) dengan variasi orientasi serat, kekuatan bending tertinggi terdapat pada skin dengan orientasi serat [(/9) 4 ] sebesar 266,62 MPa. Hal ini disebabkan oleh faktor orientasi serat yang searah beban. Momen maksimum dan kekuatan bending skin dengan orientasi serat [(/9) 4 ] memiliki harga yang paling tinggi.

6 Momen Maksimum, Nmm Momen maksimum, Nmm K eku atan B ending, M P a Kekuatan bending, MPa PKMP (/9) (3/-6)/ (6/-3) (45/-45) (3/-6)/ (/9) Orie ntas i s e rat (45/-45)/ (/9) 1 5 (/9) (3/-6)/ (6/-3) (45/-45) (3/-6)/ (/9) Orie ntasi se rat (45/-45)/ (/9) Gambar 5. Diagram batang momen maksimum dan kekuatan bending komposit GFRP variasi orientasi serat Tabel 2. Data hasil uji bending komposit sandwich variasi tebal skin Jumlah layer E-glass skin Tebal core Span Momen (Nmm) Kekuatan Bending (MPa) Defleksi Skin yang semakin tebal meningkatkan kemampuan komposit sandwich dalam menahan beban momen. Komposit sandwich dengan tebal skin 8 layer memiliki kemampuan menahan beban momen tertinggi (27.875,12 Nmm). Kekuatan bending tertinggi komposit sandwich dimiliki oleh komposit sandwich dengan skin 4 layer, yaitu sebesar 4,72 MPa (14,13 % lebih tinggi dari kekuatan bending komposit sandwich dengan skin 2 layer). Kenaikan kekuatan bending ini sangat signifikan jika dibandingkan dengan kekuatan bending komposit sandwich dengan tebal skin 6 dan 8 layer Tebal skin (jumlah lamina E-glass) Tebal skin (jumlah lamina E- glass) Gambar 6. Kurva momen maksimum dan kekuatan bending komposit sandwich variasi tebal skin Kenaikan kekuatan bending komposit sandwich tebal skin 4 layer disebabkan meningkatnya kemampuan komposit sandwich dalam menahan momen maksimum yang terjadi. Dengan kata lain, skin menahan beban sampai batas maksimumnya kemudian beban didistribusikan core pada seluruh luasan. Skin dan core memberikan kontribusi optimumnya pada peningkatan kekuatan bending komposit sandwich.

7 M omen maksimum, N mm K ekuatan B ending, M Pa PKMP Pada komposit sandwich dengan skin 6 dan 8 layer, core akan mengalami kegagalan terlebih dahulu. Penebalan skin tidak memberikan kontribusi kekuatan bending komposit sandwich jika masih menggunakan core yang sama, karena kekuatan bending komposit sandwich sangat dipengaruhi oleh sifat mekanis komponen penyusunnya. Tabel 3. Data hasil uji bending komposit sandwich variasi tebal core Jumlah layer E-glass skin Tebal core Span Momen (Nmm) Kekuatan Bending (MPa) Defleksi Kekuatan bending tertinggi terdapat pada komposit sandwich dengan tebal core 5 mm, yaitu sebesar 77,1 MPa. Peningkatan ketebalan core menyebabkan penurunan kekuatan bending komposit sandwich. Dengan tebal core yang lebih besar maka akan menyebabkan momen inersia menjadi lebih besar. Semakin besar momen inersia maka kekuatan bending komposit akan semakin menurun (kekuatan bending berbanding terbalik dengan momen inersia) Tebal core, mm Tebal core, mm Gambar 7. Kurva momen maksimum dan kekuatan bending komposit sandwich variasi tebal core Core yang semakin tebal meningkatkan kemampuan komposit sandwich menahan momen maksimum. Namun, penebalan core secara otomatis juga meningkatkan momen inersia core sehingga berpengaruh terhadap kekuatan bending. Sifat Impak Tabel 4. Data hasil uji impak izod komposit skin GFRP. V f Orientasi Serat E- Jumlah E-Patah Kek. Impak glass WR ( l x t ) Lamina (%) (Joule) (J/mm 2 ) [(/9) 4 ] x [{(3/-6)/(6/-3)} 2 ] x [{(45/-45) 4 }] x [{(3/-6)/(/9) } 2 ] x [{(45/-45)/(/9)} 2 ] x

8 Energi Patah, J PKMP Kekuatan Impak, J/mm (/9) (3/-6)/ (6/-3) (45/-45) (3/-6)/ (/9) Orientasi serat (45/-45)/ (/9) (/9) (3/-6)/ (6/-3) (45/-45) (3/-6)/ (/9) Orientasi serat (45/-45)/ (/9) Gambar 8. Diagram batang energi patah dan kekuatan impak komposit GFRP variasi orientasi serat Kekuatan impak tertinggi dimiliki oleh komposit skin dengan orientasi serat [(/9) 4 ]. Orientasi tersebut merupakan orientasi yang paling optimum. Orientasi serat o memberikan penguatan yang lebih dominan terhadap ketahanan impak. Komposit yang memiliki orientasi serat o memiliki energi patah dan kekuatan impak yang tertinggi (1,8 J dan,57 J/mm 2 ), seperti ditunjukkan pada gambar 8. Tabel 5. Data hasil uji impak charpy komposit sandwich variasi tebal skin. Jumlah layer E-glass skin tebal core Ukuran Lxt Span E-serap (Joule) Kek. Impak (J/mm 2 ) x x x x Hasil pengolahan data uji impak komposit sandwich variasi tebal skin menunjukkan bahwa energi patah dan kekuatan impak meningkat seiring dengan penambahan jumlah layer (tebal skin). Peningkatan kekuatan impak komposit sandwich optimum pada skin 4 layer (,65 J/mm 2 ). Harga kekuatan tersebut meningkat 43,1 % dibandingkan dengan komposit sandwich dengan skin 2 layer (,37 J/mm 2 ). Kekuatan impak komposit sandwich dengan skin 6 layer (,75 J/mm 2 ) dapat dikatakan tidak terjadi peningkatan yang signifikan dibandingkan dengan kekuatan impak komposit sandwich dengan skin 4 layer (,65 J/mm 2 ). Dengan demikian, skin 4 layer dipandang lebih menguntungkan untuk diaplikasikan. Berdasarkan gambar 1, komposit sandwich dengan tebal core 5 mm memiliki kekuatan impak yang lebih tinggi daripada sandwich dengan tebal core 1, 15, dan 2 mm. Namun, energi patah komposit sandwich meningkat seiring dengan penambahan tebal core. Energi patah komposit sandwich dengan ketebalan core 1 mm semestinya lebih tinggi dari pada komposit sandwich dengan core 5 mm. Rendahnya energi patah komposit sandwich dengan core 1 mm dapat disebabkan oleh kurang kuatnya ikatan antara skin dengan core yang disebabkan oleh faktor manufaktur.

9 Energi Patah, J Energi Patah, J PKMP Tebal skin (jumlah lamina E-glass) Kekuatan Impak, J/mm 2 Kekuatan Impak, J/mm Tebal skin (jumlah lamina E-glass) Gambar 9. Kurva energi patah dan kekuatan impak komposit sandwich variasi tebal skin Tabel 6. Data hasil uji impak Charpy komposit sandwich variasi tebal core. Variasi Tebal core Skin (layer) Ukuran L x t Span E-serap (Joule) x x x x Tebal core, mm Kek. Impak (J/mm 2 ) Tebal core, mm Gambar 1. Kurva energi patah dan kekuatan impak komposit sandwich variasi tebal core Penampang patahan dari berbagai jenis struktur sandwich mengindikasikan bahwa kegagalan didominasi oleh faktor rendahnya sifat mekanis core. Kegagalan tersebut disebabkan oleh rendahnya kekuatan tekan core. Dengan demikian pola kegagalannya berupa core shear dan indentation seperti ditunjukkan pada gambar 12.

10 PKMP Penampang Patahan Bending dan Impak Core shear Tebal core 5 mm 1 mm Core shear Tebal core 1 mm 1 mm 1 mm Indentation Model kegagalan tidak bagitu nampak Tebal core 15 mm 1 mm Tebal core 2 mm Gambar 11. Model kegagalan uji bending komposit sandwich variasi tebal core (pandangan samping) Skin patah Core shear Tebal core 5 mm Tebal core 5 mm Multiple core shear Delaminasi skin Tebal core 1 mm Tebal core 2 mm Gambar 12. Model kegagalan komposit sandwich akibat beban impak Berdasarkan pengamatan dengan foto makro, kegagalan komposit sandwich ini didominasi oleh kegagalan core. Mekanisme kegagalan yang terjadi pada uji impak komposit sandwich antara lain (1) core pecah tidak dapat menahan beban impak, (2) core tidak mampu menahan beban tekan dan terdefleksi, dan (3) terjadi delaminasi antara komposit GFRP skin dengan core.

11 PKMP KESIMPULAN Berdasarkan pembahasan tersebut di atas, maka dapat disimpulkan bahwa orientasi serat (/9) memiliki kekuatan bending dan impak tertinggi. Orientasi serat yang searah beban akan meningkatkan kekuatan bending dan impak komposit GFRP. Peningkatan ketebalan skin akan meningkatkan energi patah dan kemampuan menahan beban bending komposit sandwich. Tebal skin pada komposit sandwich yang paling efektif adalah 4 layer. Peningkatan tebal core juga akan menurunkan kekuatan impak dan bending, namun kemampuan menahan momennnya tetap lebih tinggi. Tebal core efektif yang paling baik untuk diaplikasikan adalah 5 mm. Penampang patahan komposit sandwich mengindikasikan bahwa kegagalan didominasi oleh lemahnya kekuatan core. UCAPAN TERIMA KASIH Tim Peneliti PKMP mengucapkan terima kasih kepada DP2M Dikti yang telah mendanai penelitian ini. Ucapan terima kasih yang tulus juga kami sampaikan kepada Kuncoro Diharjo ST., MT. yang telah membimbing penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA Anonim, ASTM C standards, Standard Terminology for Composites and Structural Sandwich Construction, New York. Hillger, W.M., Stress Analysis of Fiber Reinforced Composite Material, McGraw Hills Book Company, New York, USA. Kowangid dan Diharjo K., 23. Karakteristik Mekanis Komposit Sandwich Serat Gelas Dengan Core PVC, Skripsi, Jurusan Teknik Mesin FT-UNS, Surakarta. Santoso B. dan Diharjo K., (22). Pengaruh berat serat Chooped Strand terhadap kekuatan tarik, bending dan impak komposit GFRP kombinasi serat gelas Chooped Strand dan Woven Roving, Skripsi, Teknik Mesin FT UNS, Surakarta. Sudiono dan Diharjo K., 24. Karakteritik Mekanis Komposit Sandwich Serat Glass dengan Core Foam/PU. Skripsi, Teknik Mesin FT UNS, Surakarta. Steeves C. A., dan Fleck N.A., 24. Colllaps Mechanism of Sandwich Beam with Composite Face and Foam Core Loaded in Three Point Bending, Available Online at www. sciencedirect.com.