structural composite
Post on 01-Jan-2016
72 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
Tugas Paper
Struktural Komposit
Ahmad Zazali(0706268240)
Al Basri Amin(0706268253)
Ardianto(0706268291)
Departemen Teknik Metalurgi dan Material
Fakultas Teknik Universitas Indonesia
Depok, 2010
STRUKTURAL KOMPOSIT
Struktural komposit umumya tersusun dari material homogen dan juga material
komposit, yang mana sifat-sifatnya tidak hanya bergantung pada sifat-sifat dari
material-material penyusun, namun juga bergantung pada desain geometrikal elemen
struktural penyusunya. Secara umum struktural komposit dibagi dalam dua kelompok,
yaitu laminar composite dan sandwich panel.[1]
1. Laminar Composites/Laminat
Laminat merupakan material komposit yang terbentuk dari lapisan-lapisan (gabungan
dua atau lebih lamina) yang membentuk elemen struktur secara integral dan diikat
bersama[2]. Suatu komposit laminar tersusun dari lembaran-lembaran dua dimensi atau
panel-panel yang mempunyai kekuatan yang tinggi pada arah tertentu, misalnya kayu
dan continous and aligned fiber-reinforced plastics. Lapisan-lapisan tersebut disusun
dan kemudian direkatkan bersama, dimana orientasi dari high strength direction
bervariasi pada masing-masing lapisan. Misalnya lembaran-lembaran kayu yang
disusun dengan arah butir tegak lurus terhadap lapisan yang berdekatan dengannya,
seperti pada skema dibawah ini.[1]
Gbr.1: Susunan lamina-lamina pada suatu komposit laminat.
Sifat dan arah tiap lamina dipilih sedemikian rupa sehingga struktur tersebut memenuhi
persyaratan kekakuan dan kekuatan yang diinginkan. Laminasi juga dapat dibuat
menggunakan material serat seperti kapas, kertas, atau wowen glass fiber dalam suatu
matriks dari plastik(polimer). Arah serat yang berbeda pada setiap lapisan/lamina me-
nyebabkan komposit laminar mempunyai kekuatan yang relatif tinggi pada berbagai
arah dalam bidang dua dimensi, namun tentunya kekuatan pada suatu arah tertentu lebih
rendah jika dibandingkan dengan kekuatan apabila semua semua serat disusun pada
arah tersebut. Salah satu contoh laminar komposit yang cukup kompleks adalah papan
ski yang dapat dilihat dari gambar di bawah ini.[1]
Gbr.2: Papan ski yang terbuat dari komposit laminat. Setiap lapisan menggunakan material tertentu
dengan arah tertentu untuk mendapatkan properties yang dibutuhkan.
Dapat dilihat bahwa papan ski tersebut terdiri dari beberapa lapisan material(material
homogen dan material komposit) yang disusun dengan orientasi tertentu, dimana
material yang digunakan pada setiap lapisan serta susunannya didesain sedemikian rupa
untuk mendapatkan sifat-sifat yang dibutuhkan dalam aplikasinya.
Pedoman Penandaan Susunan Lamina Dalam Laminat[2]
Tanda slash / digunakan untuk memisahkan masing-masing ply atau lamina dengan
sudut tertentu, sedangkan tanda kurung [ ] untuk melingkupi satu urut-urutan ply atau
lamina tersebut. Bila sejumlah n ply berdekatan memiliki kesamaan arah maka subskrip
n (misalnya n = 2) dapat ditambahkan untuk menyederhanakan penandaan. Bila salah
satu ply menjadi mid plane simetri dari laminat (tersusun dari lamina dengan jumlah
total N ganjil), maka tanda bar/garis diatas dipakai[2] Sebagai contoh, susunan [0/902/0]
menandakan suatu laminat dengan urut-urutan lamina sebagai berikut:
Gbr.3: Pedoman penandaan susunan lamina pada komposit laminat.
Berdasarkan arah simetrinya laminat dibedakan menjadi[2]:
1. Unidirectional laminates
Semua lamina memiliki arah serat yang sama. Contoh: 0o unidirectional laminates
2. Angle-ply laminates
Laminat dengan sudut orientasi serat dalam layer-layer yang bergantian. Contoh :
[../θ/-θ/ θ/ -θ/..] dimana θ tidak sama dengan –θ atau 90o.
3. Cross-ply laminates (lapisannya saling silang)
Laminat dengan sudut orientasi serat 0 dan 90o yang bergantian untuk setiap ply.
Contoh : [..0/90/0/90/..]
4. Symetric laminates
Laminat dengan simetri di sekitar garis tengah urut-urutan. Untuk setiap lamina
diatas midplane maka akan ada lamina lain yang identik, baik material, arah serat
maupun ketebalan, dibawah midplane dengan jarak terhadap midplane yang sama
pula. Contoh: [0/+45/-45/90/90/-45/+45/0] = [0/±45/90]
5. Balanced laminates
Untuk setiap lamina dengan arah serat +θ, maka akan ada lamina identik (material
dan ketebalan) dengan arah –θ dengan lokasi yang sembarang (tidak perlu harus
simetri). Contoh: [0/+60/-60/+60/-60/0]
6. Quasi isotropic laminates
Laminat dengan perilaku isotropic untuk beberapa elemennya. Umumnya dihasilkan
dari lamina-lamina dengan ketebalan dan material yang sama dengan sudut-sudut
serat yang setara (equal) antara lamina-lamina yang berdekatan. Bila jumlah total
lamina dalam laminat adalah N maka sudut-sudut lamina adalah hasil penambahan
setiap π/N. Contoh: [+60/0/-60], [90/+45/0/-45/90], [0/±45/90],
7. Hybrid laminates
Laminat yang tersusun atas lamina-lamina dengan kombinasi yang berbeda dari segi
material (jenis serat dan matriks) serta arah serat.
Selain berdasarkan arah simetri, laminat juga dapat dibedakan menurut material
peyusun[1]. Jika material penyusunnya dibagi menjadi logam dan nonlogam, dan yang
nonlogam dibagi lagi menjadi organik dan anorganik ada enam macam kombinasi yang
dapat diperoleh yaitu logam-logam, logam-organik, logam-anorganik, organik-organik,
organik-anorganik, anorganik-anorganik.
2. Sandwich Panel
Sebuah sandwich panel terdiri dari dua buah lembaran dibagian luar(disebut faces),
yang kuat dan kaku, yang dipisahkan dan diikat dengan adhesive pada suatu inti(core)
yang lebih tebal yang densitasnya lebih rendah. Tujuan utama pembuatan sandwich
adalah untuk meningkatkan performa struktural, yaitu untuk mendapatkan kekuatan
tinggi namun ringan(high strength-to-weight ratio).[4]
Secara struktural, core memiliki beberapa fungsi. Pertama, core menyediakan
support secara kontinyu bagi face. Core harus mempunyai kekuatan geser(shear
strength) yang cukup untuk dapat menahan tegangan geser(shear stress) pada arah
tegak lurus(transverse shear stress), dan juga harus cukup tebal untuk memberikan
shear stiffnes yang tinggi(untuk menahan terjadinya buckling pada panel) [1]. Tensile
dan compressive stress yang ditanggung oleh core jauh lebih kecil dibandingkan pada
face.[7]
Lembaran bagian luar(face) terbuat dari material yang relatif kuat dan kaku.
Material yang umumnya digunakan untuk bagian face adalah paduan aluminium, fiber-
reinforced plastics, titanium, baja, atau plywood; yang memberikan kekakuan dan
kekuatan yang tinggi pada stuktur. Reinforced plastics dapat di desain untuk
mendapatkan rentangan sifat yang dibutuhkan seperti anisotropi sifat mekanis,
kebebasan dalam mendesain, excellent surface finish dan lainnya. Material pada bagian
face tersebut harus cukup tebal untuk menahan tensile dan compressive stress akibat
pembebanan. Material untuk bagian tengah atau inti(core) biasanya ringan dan memiliki
modulus elastisitas yang rendah. Material core secara umum dibagi atas tiga kelompok,
yaitu: rigid polymeric foam( misalnya phenolic, epoxy, polyurethanes), wood( misalnya
balsa wood), dan honeycomb. [1]
Gbr.4: Struktur komposit sandwich panel dengan inti(core) berupa honeycomb. [1]
Struktur honeycomb(seperti sarang lebah) merupakan tipe material core yang
banyak digunakan, yaitu berupa lembaran tipis yang telah dibentuk menjadi sel
heksagonal yang menyatu satu dengan lainnya, yang sumbunya diarahkan tegak lurus
terhadap bidang face, seperti pada gambarX diatas. Material yang digunakan untuk
membuat struktur honeycomb umumnya adalah paduan aluminum dan polimer aramid.
Pertimbangan kebutuhan aplikasi, seperti sifat isolator panas, ketahanan panas, dan
meredam getaran, perlu dipertimbangkan dalam pemilihan material core ini.[3]
Kekuatan dan kekakuan dari struktur honeycomb tergantung kepada ukuran sel,
ketebalan dinding sel, dan material yang digunakan untuk membuat struktur honeycomb
tersebut[1]. Untuk dapat mempertahankan agar face dan core bekerja sama satu sama
lain maka adhesif antara face dan core harus mampu mentransfer gaya geser dari face
ke core. Adhesif tersebut mentransfer shear dan tensile stress. Secara umum
karakteristik sambungan adhesive yang baik adalah adhesive tersebut harus mampu
menanggung shear stress yang sama dengan core.[5] Sandwich panel digunakan dalam
berbagai aplikasi seperti roof, floor, dinding bangunan, dan pada aerospace dan
aircraft (sayap, body/ fuselage, dan tailpan skin. [1]
Cara Kerja Sebuah Sandwich Beam[3]
Loads
Pada suatu cantilever beam yang diberikan beban pada ujungnya yang bebas, beban
tersebut akan menciptakan suatu momen bending, dengan nilai terbesar adalah pada
ujungnya yang fix, dan gaya geser sepanjang beam. Pada suatu sandwich panel beam
gaya-gaya tersebut menghasilkan tension pada upper skin(skin bagian atas) dan
compression pada lower skin(skin bagian bawah). Core memisahkan skin bagian atas
dan skin bagian bawah dan mentransfer shear antara skin tersebut sehingga panel
komposit bekerja sebagai suatu struktur yang homogen.
Deflections
Deflection dari suatu sandwich panel terjadi akibat bending dan shear pada komponen.
Bending deflection tergantung pada modulus tensile dan compressive dari material
skinnya. Sedangkan shear deflection tergantung pada modulus geser(shear modulus)
dari material core.
Total Deflection = Bending Deflection + Shear Deflection.
Prinsip kerja sandwich panel pada dasarnya mirip dengan I-beam. I-beam
terbentuk flange yang terikat/tersambung pada web. Ketika ditekan flange akan berada
dalam kondisi tension dan compression, yang menghasilkan kekuatan utama dari I-
beam. Namun I-beam lebih efektif dalam bending pada bidang pada arah Y-Z.
Sebuah sandwich panel mirip dengan I-beam, namun dengan flange dan web terentang
pada segala arah. Skin pada sandwich panel dapat diasumsikan sebagai flange pada I-
beam, dan core diasumsikan sebagai web pada I-beam. Namun, karena ini merupakan
sebuah panel, maka memiliki kekuatan bending pada semua bidang, tidak hanya bidang
Y-Z(seperti pada I-beam) namun juga pada bidang X-Z dan bidang diantaranya. [6, 7]
Gbr.5: Ilustrasi sebuah sandwich panel(kanan) yang pada prinsipnya mirip dengan I-beam(kiri) [6]
Ketika suatu sandwich panel diberikan beban tekuk, salah satu skin megalami tension,
dan skin yang satunya lagi mengalami compression yang merupakan kekuatan utama
yang pada struktur sandwich. Core berfungsi untuk menahan skin bersama, agar panel
tidak mengalami buckling, snap, terdeformasi, atau patah. Core menjaga agar skin fixed
dan menguhubungkan skin satu sama lain(menghubungkan skin atas dan skin bawah.
Stress utama yang dialami oleh core adalah shear stress, akibat kedua skin berusaha
untuk meluncur satu sama lain. Kekakuan core ditentukan oleh properties dari material
core tersebut dan juga ketebalan dari core. [6, 7]
Mode Kegagalan Pada Sanwich Panel[3]
Dalam merancang suatu sandwich panel harus diusahakan bahwa semua kemungkinan
mode kegagalan telah diperhitungkan dalam analisis. Berikut ini beberapa mode
kegagalan yang penting yang terjadi pada sandwich panel:
1. Kekuatan
Material skin dan core harus mampu menahan tensile, compressive dan shear steress
dalam aplikasinya.
Adhesif yang merekatkan skin pada core harus mempunyai kemampuan untuk
mentransfer shear stress dari skin ke core.
2. Kekakuan
Sandwich panel harus memiliki kekuatan bending dan shear stiffness yang cukup
untuk dapat mencegah terjadinya defleksi yang berlebihan. buckling akibat beban
kompresi di bagian ujung panel.
3. Panel buckling
Ketebalan core dan modulus geser harus cukup untuk dapat mencegah terjadinya
defleksi yang berlebihan. buckling akibat beban kompresi di bagian ujung panel.
4. Shear crimping
Ketebalan core dan modulus geser harus cukup untuk mencegah terjadinya kega-
galan prematur pada core akibat shear pada pembebanan kompresi.
5. Skin wrinkling
Modulus kompresif (compressive modulus) dari skin dan kekuatan tekan
(compressive strength) dari core harus cukup tinggi untuk mencegah terjadinya ke-
gagalan akibat skin wrinkling.
6. Intra cell buckling
Untuk suatu material skin tertentu, ukuran sel core harus cukup kecil untuk
mencegah terjadinya intra cell buckling.
7. Local compression
Kekuatan tekan dari core harus cukup untuk menahan beban lokal pada permukaan
panel.
Gbr.7: Skema berbagai mode kegagalan sandwich panel composite. Dari kiri ke kanan: skin
compression failure, excessive deflection, panel buckling, shear crimping, skin wrinkling, intra cell
buckling, local compression. [1]
Metode Pembuatan Komposit Sandwich Honeycomb[3]
Koponen komposit sandwich honeycomb dapat diproduksi menggunakan tiga metode
alternatif, yaitu heated press, vacuum bag processing,dan matched mould processing.
Heated press, umumnya digunakan untuk pembuatan flat board atau simple preformed
panel. Vacuum bag processing digunakan untuk pembuatan panel yang melengkung
dan bentuk yang rumit. Matched mould processing, umumnya digunakan untuk batch
production dari finished panel.
Heated Press
Panel dirakit sehingga siap untuk proses curing sebagai suatu single shot process.
Metode ini cocok untuk skin logam dan prepreg (pre-impregnated) skin. Sebagai
alternatif material skin dari prepeg dapat di pre-cured dengan menggu-nakan sebuah
alat press, dan dilanjutkan dengan pengikatan dengan suatu lapisan tipis adhesive.
Gbr.8 : Ilustrasi metode heated press
Match Mould Processing
Metode ini paling cocok untuk single shot cure process, dimana tujuan utama adalah
untuk dapat membentuk produk dengan tingkat toleransi dan surface finish yang tinggi.
Siklus panas dan tekanan curing pada proses ini diberikan dengan menggunakan
berbagai teknik. Teknik yang umum adalah penggunaan tolls yang dipanaskan dengan
tekanan mekanis eksternal, atau dengan menggunakan tolls yang tidak dipanaskan pada
suatu alat press atau oven untuk mencapai siklus penuh.
Penggunaan curing temperatur ruang adhesive cold bonding dapat dijadikan
alternatif/dipertimbangkan jika konstruksi sandwich terlalu besar untuk diproses dengan
menggunakan teknik-teknik sebelumnya, atau jika perlatan pemanasan tidak tersedia.
Gbr.9: Ilustrasi metode match mould processing
Vacuum Bag Processing
Komponen dirakit untuk curing sebagai single shot process, penyatuan komponen ter-
sebut dicapai dengan menggunakan suatu vacuum. Curing komponen tersebut dapat
dilakukan dalam suatu oven. Tekanan tambahan dapat diberikan jika curing dilakukan
dengan menggunakan autoclaved.
Metode ini cocok untuk komponen yang menggunakan skin logam dan prepreg
(pre-impregnated). Produk dengan bentuk yang rumit dapat dibuat dengan mengguna-
kan material honeycomb dan film adhesive yang fleksibel.
Gbr.10 : Ilustrasi metode vacuum bag processing
Referensi:
[1] Callister Jr., William D. Material Science and Engineering : An introduction, 6 th ed.
Jhon Wiley and Sons, Inc. 2004.
[2] Yuwono, Akhmad Herman. Analisis Mekanik Komposit Laminat; Diktat Kuliah
Teknologi Komposit. DTMM FTUI. 2009.
[3] Hexweb TM , Honeycomb Sandwich Desain Technology, Hexcel Composites, 2000.
[4] Schwartz, Mel M. Composite materials handbook-2nd ed.McGraw-Hill Inc,New
York,1992.
[5] Sandwich Concept. Diaz Sandwich Handbook
[6] http://www.oneoceankayaks.com/Sandcore.htmSandwich panel.org
[7] http://www.sandwichpanels.org/articles/article_whatmakessandwich.html
top related