Laporan Praktikum

Laboratorium Teknik Material III

Modul A Proses Pembuatan dan Karakterisasi Komposit

oleh:

Nama : Mohammad Mersa Bayu Wibisono

NIM : 13712046

Kelompok : 4

Anggota (NIM) : Angga Hermawan (13711052)

Athiya Fathinati Anindya (13712023)

I Wayan Prastik Widitama (13712024)

Tanggal Praktikum : 8 April 2015

Tanggal Penyerahan Laporan : 14 April 2015

Nama Asisten (NIM) : Luthfan Ade Vidyanto (13711041)

Laboratorium Metalurgi dan Teknik Material

Program Studi Teknik Material

Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara

Institut Teknologi Bandung

2015

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Bumi memiliki kekayaan alam yang beragam dimana material yang

mentah diproses oleh seorang metallurgist menjadi barang setengah jadi yang

ditugaskan kepada materials engineer untuk mengolahnya menjadi sebuah barang

jadi. Berbagai jenis barang setengah jadi dispesifikkan menurut seorang materials

engineer menjadi polimer, keramik dan logam. Namun secara tidak sadar

manusia sudah menggabungkan fungsi dari ketiganya menjadi satu atau dua dari

tiga material tersebut menjadi satu, penggabungan menjadi material baru ini

dinamakan material komposit.

Kebutuhan akan penggabungan dari material lainnya bisa karena berbagai

faktor. Kebutuhan akan faktor energi merupakan faktor utama yang mendongkrak

adanya penggabungan jenis material ini. Misalkan logam digunakan untuk badan

pesawat makan kebutuhan akan bahan bakar yang digunakan akan meningkat

karena logam terlalu berat, namun jika digunakan sebuah polimer yang dikuatkan

oleh serat keramik misalnya akan memiliki kekuatan yang tidak beda jauh namun

sangat ringan dan meningkatkan efisiensi bahan bakar.

1.2 Tujuan

1. Menentukan kekuatan tarik komposit poliester berpenguat serat gelas yang

dibuat dengan wet hand lay up dan compression molding.

2. Menentukan fraksi volume komposit poliester berpenguat serat gelas yang

dibuat dengan wet hand lay up dan compression molding.

BAB II

TEORI DASAR

Material komposit adalah gabungan dari 2 material atau lebih untuk

mendapatkan sifat yang lebih unggul dari masing-masing material yang

digabungkan. Penggabungan dari material komposit merupakan penggabungan

yang makroskopis, sedangkanuntuk perpaduan mikroskopis bukan dispesfikasikan

sebagai material komposit (ex : Al2O3, TiO2). Komposit terdiri atas matriks dan

penguat, matriks berfungsi sebagai pengikat dari komposit sedangkan penguat

merupakan material yang memberikan kekuatan utama pada komposit. Komposit

diklasifikasikan berdasarkan jenis penguat dan jenis matriksnya, berikut

merupakan klasifikasi komposit berdasarkan jenis penguatnya :

• Particle-reinforced composites

– Large-particle composites (Cermets: tungsten carbida in cobalt,

semen, beton bertulang)

– Dispersed-strenghtened composites (alumina in aluminium,

Thoria/ThO2 in Nickel alloy)

• Fiber-reinforced composites: konstruksi kaku, kuat dan ringan

– Discontinuous (Short) fiber composites

– Continuous (long) fiber composites

Structural-reinforced composites

– Laminar composites (kayu multipleks, laminate carbon epoxy)

– Sandwich composites: konstruksi ringan dengan kekakuan dan

kekuatan bending yang tinggi (Honeycomb-carbon epoxy

composites, dinding kardus: corrugated paper - paper)

Komposit diklasifikasikan juga berdasarkan jenis matriks yang mengikat

kompositnya :

• Polymer matrix composites (PMC): Paling populer dengan beragam

aplikasi

– Carbon fibre reinforced polymer

– Glass fibre reinforced polymer

– Metal fibre reinforced polymer

• Metal matrix composites (MMC): Aerospace dan komponen mesin mobil

– Boron or carbon fibre reinforced Aluminium

– Alumina particle reinforced Aluminium

• Ceramic matrix composites (CMC): Heat exhanger, sistem pelindung

panas, komponen dengan lingkungan korosif dan erosif

– Zirconia in alumina

– Carbon fibre reinforced carbon

Sifat dari material material komposit dipengaruhi oleh beberapa faktor,

diantara lain adalah :

1. Sifat dari material penyusunnya. Yakni sifat dari material matriks dan

penguat (reinforce) itu sendiri. Penggunaan penguat yang berbeda juga

mempengaruhi sifat komposit yang diperoleh. Hal ini karena setiap

penguat memiliki sifat yang berbeda. Akan diperoleh sifat mekanik yang

berbeda bila kita menggunakan komposit Polyester berpenguat serat Gelas

dengan komposit epoxy berpenguat serat karbon.

2. Fraksi volume material penyusun. Salah satu faktor yang mempengaruhi

sifat komposit adalah perbandingan antara banyaknya matriks dan penguat

yang biasanya dinyatakan dalam fraksi volume masing-masing penyusun.

ρc=ρ f v f+ ρm vm

Dari model diatas, dapat dilihat bahwa densitas komposit salah satunya

dipengaruhi oleh besarnya volume fiber dan volume matriks masing-

masing.

3. Orientasi serat pada komposit

Pada material komposit berpenguat serat, orientasi serat menjadi faktor

penting yang mempengaruhi sifat mekanik komposit. Hal ini disebabkan

komposit berpenguat serat bersifat anisotropi, yakni sifat material berbeda

bergantung pada arah. Pada komposit berpenguat serat dengan orientasi

random, sifatnya cenderung lebih isotropi .

4. Ikatan Interface merupakan Ikatan (adhesi) yang baik antara fasa matriks

dan partikel atau serat menyebabkan perpindahan beban yang diterima

material ke partikel atau serat melalui antarmuka. Adanya adhesi yang

baik dapat meningkatkan sifat mekanik komposit.

Secara umum, komposit yang paling banyak digunakan adalah FRP (Fiber

Reinforced Plastic). FRP menggunakan matriks berupa plastic yang merupakan

polimer, berdasarkan jenis polimernya matriks terdiri dari:

1. Polimer termoset

Merupakan polimer yang terdapat ikatan crosslink pada rantai

polimernya. Polimer termoset memiliki nilai viskositas yang rendah pada

temperatur kamar yang berarti polimer termoset dalam fasa liquid yang

keencerannya (fluiditas) tinggi. Karena dalam temperatur kamar berbentuk

liquid, memudahkan pada pemrosesannya. Namun untuk menunggu curing

dibutuhkan waktu yang lebih lama sekitar 1 hari.

Untuk manufaktur suatu komposit menggunakan matriks komposit

dpat dilakukan menggunakan berbagai cara, diantaranya adalah :

a) Wet Hand Lay-up

Pada proses wet hand lay-up, dry reinforcement dan

resin (+ katalis) ditaruh pada permukaan cetakan. Resin

ditekan menggunakan roller untuk mengimpregnasi

matriks. Beberapa lapisan dapat ditambahkan secara

bertahap sesuai kebutuhan. Setelah diimpregnasi komposit

akan mengalami curing dan mengeras. Metode ini

diaplikasikan dalam pembuatan tangki penyimpanan air,

badan perahu, dan bath-up.

Gambar 2.1 Wet Hand Lay-up

b) Compression Molding

Pada compression molding, preform serat diletakkan

pada cetakan. Ketika panas dan tekanan diberikan oleh

cetakan, preform mengalir sesuai bentuk komponen yang

diinginkan. Kemudian terjadi curing dan setelah terjadi

pengerasan yang cukup, didapat komposit yang diinginkan.

Compression molding memerlukan pemanasan dan tekanan

yang tinggi. Metode ini digunakan untuk pembuatan pintu

mobil.

Gambar 2.2 Compression Molding

c) VARI (Vacuum Assisted Resin Injection)

Preform atau dry reinforcement dimasukkan

kedalam cetakan, sesuai dengan bentuk komponen yang

diinginkan. Resin mengalir dengan penekanan atau pem-

vakuman dan meng-impregnasi preform dan

mendorong/mengeluarkan udara yang ada dalam preform.

Curing terjadi, cetakan dibuka setelah terjadi pengerasan

yang mencukupi.

Gambar 2.3 VARI

d) Pultrusion

Dry roving or fabrics ditarik melalui bak berisi

campuran resin dan katalis . campuran yang basah ditarik

melalui cetakan. Sisa resin keluar cetakan, pemanasan

dilakukan untuk membantu proses curing. Pendinginan

kemudian dilakukan untuk mempercepat proses produksi.

Gambar 2.4 Pultrusion

e) Spray Up

Serat gelas, resin dan katalis dimasukkan ke dalam

spray gun. Campuran dimasukkan ke dala permukaan

cetakan. Proses curing dimulai dan komponen dilepaskan

setelah proses pengerasan selesai.

Gambar 2.5 Spray Up

2. Polimer termoplastik

Termoplastik merupakan polimer yang tidak memiliki ikatan

crosslink memiliki viskositas yang tinggi pada temperatur kamar sehingga

berbentuk solid, karena itu pelelehan termoplas perlu dilakukan pada

temperatur dan dengan menggunakan tekanan tinggi. Pada pembuatan

komposit termoplastik, polimer harus disebar secara merata pada preform

agar memperkecil jarak infusi dikarenakan viskositas yang tinggi.

Gambar 2.6 Proses impregnasi polimer termoplastik

BAB III

DATA PERCOBAAN

3. 1 Uji Tarikσ u= FA

a. Spesimen wet hand lay up

Tebal : 3 mm

Lebar : 20 mm

Beban : 7650 N

Kekuatan tarik: 7650 N/(3 mm x 20 mm) = 127.5 MPa

b. Spesimen compression molding

Tebal : 3 mm

Lebar : 20 mm

Beban : 11000 N

Kekuatan tarik : 11000 N/(3 mm x 20 mm) = 183.34 MPa

c. Spesimen polimer

Tebal : 3 mm

Lebar : 20 mm

Beban : 1700 N

Kekuatan tarik: 1700 N/(3 mm x 20 mm) = 28.34 MPa

3. 2 Uji Bakar

a. Spesimen wet hand lay up

Massa sebelum dibakar : 3.5 g

Massa setelah dibakar : 2.2 g

Massa serat = 2.2 g

Massa jenis serat gelas = 2.6 g/cm3

Volume serat = Massa serat/Massa jenis serat

= 2.2 g/2.6 g/cm3

= 0.846 cm3

Massa matriks = Massa sebelum dibakar - Massa setelah dibakar

= 3.5 g – 2.2 g

= 1.3 g

Massa jenis poliester = 1.37 g/cm3

Volume matriks = 1.3 g/1.37 g

= 0.94 cm3

Ket: Asumsi tidak ada void

Fraksi volume serat = 0.846/(0.846+0.94) = 0.47

Fraksi volume matriks = 0.94/(0.846+0.94) = 0.53

b. Spesimen compression molding

Massa sebelum dibakar : 3.7 g

Massa setelah dibakar : 2.2 g

Massa serat = 2.2 g

Massa jenis serat gelas = 2.6 g/cm3

Volume serat= Massa serat/Massa jenis serat

= 2.2 g/2.6 g/cm3

= 0.846 cm3

Massa matriks =Massa sebelum dibakar - Massa setelah dibakar

=3.7 g – 2.2 g

=1.5 g

Massa jenis poliester = 1.37 g/cm3

Volume matriks = 1.5 g/1.37 g

= 1.095 cm3

Ket: Asumsi tidak ada void

Fraksi volume serat = 0.846/(0.846+1.095) = 0.436

Fraksi volume matriks = 1.095/(0.846+1.095) = 0.564

BAB IV

ANALISIS DATA

Pada proses pembuatan komposit menggunakan metode wet hand lay-up

dengan fraksi berat 1:1 dilakukan uji tarik komposit yang menghasilkan nilai

kekuatan tarik longitudinal sebesar 127.5 Mpa. Menurut literatur nilai kekuatan

matriks polimer sebesar 50 Mpa, sedangkan serat gelas sebesar 3450 Mpa. Nilai

kekuatan komposit secara teoritis dengan asumsi tidak ada void, nilai kekuatan

interface baik, preform serat gelas dan dengan fraksi volume 1:1 didapatkan nilai

kekuatan komposit sebagai berikut :

σkomposit = σpenguat Vpenguat + σmatriks Vmatriks

σkomposit = 3450 MPa x 0.5 + 50 MPa x 0.5

σkomposit = 1750 MPa (longitudinal)

Perbedaan nilai kekuatan komposit arah longitudinal yang berbeda jauh

dikaibatkan spesimenyang dibuat tidak seideal asumsi teoritis, dimana terdapat

void yang mempengaruhi nilai kekuatan mekanik yang sangat spesifik

perbedaannya. Sedangkan faktor kekuatan interface juga mempengaruhi hasil,

karena meninjau pembuatan komposit ketika praktikum, impregnasi yang kami

lakukan sangat memungkinkan adanya serat yang berikatan secara sekunder

dengan matriks (secara tidak langsung meninmbulkan void). Jumlah void yang

lumayan banyak dan interface yang tidak baik bisa diakibatkan oleh penuangan

resin yang tidak merata dan penekanan roller yang tidak konstan mengakibatkan

masih ada udara yang terperangkap dalam komposit.

Faktor lain yang berpengaruh adalah bentuk preform dari serat gelas

dengana asumsi awal rule of mixture digunakan untuk komposit serat panjang

dan dengan arah longitudinal, kenyataannya preform tidak keseluruhan berarah

longitudinal karena clamp yang digunakan adalah maual yakni tangan dan

penarikan ujung serat gelas tidak merata hal ini juga berakibat pada hasil patahan

yang miring. Selain itu asumsi yang digunakan adalah serat dengan arah

unidirectional dan kenyatannya adalah bidirectional sehingga menimbulkan

koreksi pada kekuatan komposit sebagai berikut :

σkomposit = σpenguat Vpenguat/2 + σmatriks Vmatriks

σkomposit = 3450 MPa x 0.5/2 + 50 MPa x 0.5

σkomposit =887.5 MPa (longitudinal)

Faktor dimensi spesimen berpengaruh juga terhadap nilai kekuatan

komposit, karena dimensi ketika pemotongan sangat tidak sesuai karena cara

pemotongan yang tidak bagus sehingga ketebalan bervariasi dan lebar juga

bervariasi.

Sedangkan pada proses pembentukan komposit dengan metode

compression molding didapatkan nilai kekuatan komposit sebesar 183.34 MPa,

dan masih jauh lebih kecil dibandingkan dengan literatur yaitu sebesar 1750 Mpa

namun dibandingkan dengan metode wet hand lay-up memiliki kekuatan lebih

besar karena spesimen komposit ditekan secara konstan pada tekanan 75 bar

selama 2 jam dan memungkinkan void yang dihasilkan lebih sedikit dan

meningkatkan interface antara matriks dan serat. Pada persiapan preform, resin

yang digunakan ketika praktikum mengeras terlebih dahulu akibat terlalu banyak

memberi hardener mengakibatkan impregnasi yang tidak baik. Hal ini

mengakibatkan hasil patahan yang tidak di tengah-tengah namun tetap berada

pada gauge lengthnya.

Uji tarik spesimen matriks poliester menghasilkan kekuatan 28.34 MPa.

Sedangkan pada literatur 63 MPa. Hal ini disebabkan oleh void yang ada pada

spesimen poliester diakibatkan oleh proses penuangan yang salah dan proses

pemcampuran yang kurang benar sehingga banyak terbentuk gelembung

didalamnya.

Pada uji bakar, didapatkan fraksi volume serat dan matriks pada spesimen

wet hand lay up hampir sama, yaitu 0.47 dan 0.53. Sedangkan asumsi awal kita

mengenai fraksi volume yakni 1:1. Pada spesimen compression molding, fraksi

volume serat dan matriks adalah 0.436 dan 0.564. Kekuatan tarik dapat diuji

dengan fraksi volume yang berbeda-beda supaya bisa mengetahui nilai kekuatan

yang paling besar ketika fraksi mol berapa.

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

5. 1. Kesimpulan

1. Kekuatan tarik spesimen wet hand lay up= 127.5 MPa

Kekuatan tarik spesimen compression molding= 183.34 MPa

2. Spesimen wet hand lay up : Vserat = 0.47

Vmatriks = 0.53

Spesimen compression molding: Vserat = 0.436

Vmatriks = 0.564

5. 2. Saran

1. Alat potong yang digunakan jangan manual, baiknya yang otomatis supaya

pemotongan komposit lebih presisi.

DAFTAR PUSTAKA

1. Judawisastra, Hermawan. Slide Mata Kuliah MT 3204 Material Komposit.

Rev 04. 2011. Program Studi Teknik Material. FTMD-ITB.

2. Judawisastra, Hermawan. Slide Mata Kuliah MT 3234 Material Komposit.

Micromechanics. Ver 2b. Program Studi Teknik Material. FTMD-ITB.

3. Panduan Praktikum MT 3203 Laboratorium Teknik Material 3. 2015.

4. http://www.virginia.edu/bohr/mse209/chapter17.htm (diakses pada 11

April 2015 pukul 15:30)

5. http://www.techandtalk.net (diakses pada 11 April 2015 pukul 18:00)

LAMPIRAN

Tugas Setelah Praktikum

1. Berdasarkan literatur, jelaskan perbedaan sifat fisik dan mekanik komposit

matrix termoset yang diperoleh dari metode berikut: wet hand lay up,

compression molding, dan VARI!

Pemroesasan komposit menggunakan metode wet hand lay-up

dihasilkan komposit yang memiliki void yang tidak terkontrol (tinggi)

sehingga fraksi volume void akan mempengaruhi nilai fraksi volume

matriks dan fiber.selain itu, tekanan yang diberikan ketika impregnasi juga

tidak maksimal yang berakibat pada nilai kekuatan dan kekakuan spesifik

yang rendah.

Pada pemrosesan komposit compression molding diberikan

penekanan selama durasi beberapa jam yang menghasilkan sifat mekanik

lebih baik, dimana adanya void menurun akibat penekanan yang konstan

dan sifat mekanik yang dihasilkan pun meningkat. Nilai kekuatan

komposit dan kekakuan semakin lebih tinggi dibandingkan wet hand lay-

up.

VARI sama dengan compression, mengaplikasikan tekanan namun

diberikan tambahan dilakukan pada ruang vakum sehingga memungkinkan

untuk meminimalisir tadanya void saat impregnasi matriks dan penekanan.

Sehingga VARI menghasilkan kekuatan mekanik paling tinggi.

2. Jelaskan faktor-faktor yang menentukan sifat mekanik komposit!

Telah dijelaskan di BAB II Teori Dasar.