NASKAH PUBLIKASITUGAS AKHIR

ANALISIS PENGARUH SAMBUNGAN MEKANIK TIPEBOLTED BONDED TERHADAP KEKUATAN TARIK PADA

KOMPOSIT POLYESTER SERAT BATANG PISANG

Makalah Seminar Tugas Akhir Disusun Sebagai Syarat untuk mengikuti ujianTugas Akhir pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas

Muhammadiyah Surakarta

Disusun Oleh :

AJI NUR CAHYONO

D 200 08 0116

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

2015

ANALISIS PENGARUH SAMBUNGAN MEKANIK TIPE BOLTEDBONDED TERHADAP KEKUATAN TARIK PADA KOMPOSIT

POLYESTER SERAT BATANG PISANG

Aji Nur Cahyono, Ngafwan, Agus Dwi AnggonoTeknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta

Jl.A.Yani Tromol pos I Pabelan,Kartasurae-mail: Jie_subpower27@yahoo.com

ABSTRAKSI

Penelitian ini bertujuan untuk mendeskripsikan pengaruhsambungan mekanik pada komposit polyester tipe bolted bondedterhadap kekuatan geser pada sambungan serat batang pisang,perbandingan kekuatan geser pada lubang dengan cara dibor dan dicetakdengan memvariasi besarnya pengaruh akibat perubahan fraksi volumeserat pada daerah sambungan tipe bolted bonded.

Proses awal pemotongan kulit batang pohon pisang kemudianproses perendaman selama 1 bulan atau lebih dilanjutkan denganpenyikatan menggunakan skrap sampai keluar seratnya. Penjemuranditempat sejuk sampai kering selanjutnya proses pencucian menggunakanlarutan kimia 5% Kalium permangant per 1 liter aquades selama 2 jam.penjemuran dibawah sinar matahari sampai kering dilanjutkan prosesoven hingga kadar air konstan. Pembuatan komposit dengan metodehand Lay-up, dengan menggunakan perbandingan fraksi volume serat30% dan resin polyester 70%. Pengujian geser menggunakan standartASTM D 5961 serta foto makro komposit polyester serat batang pohonpisang setelah pengujian kekuatan geser.

Hasil pengujian disimpulkan bahwa Pada pengujian tarik spesimenkomposit dengan lubang dibor mempunyai kekuatan tarik tertinggi sebesar15,263 N/mm², dicetak 15,375 N/mm², bor serat diperbesar 5% yaitu15,475 N/mm², dan cetak serat diperbesar 5% adalah 16,975 N/mm².Hasil kekuatan pembuatan lubang dicetak lebih baik dibandingkan denganpembuatan lubang yang dibor. Hal ini disebabkan karena tidak adanyakerusakan delaminasi pada spesimen pembuatan lubang dicetak sepertiyang terjadi pada saat pembuatan lubang dibor dan pada daerahsekitar lubang dicetak tidak terjadi daerah miskin serat (rich matrix)Sehingga kekuatan tariknya tinggi.

Kata Kunci:Serat batang pohon pisang, resin polyester, bor, cetak, sambungantipe bolted bonded dan foto makro.

1. Latar BelakangPenggunaan sambungan

material komposit yang telahdilakukan banyak menggunakanjenis sambungan mekanik dansambungan ikat, tetapi padazaman sekarang banyak pararekayasawan yang melakukanberbagai kajian riset untukmerekayasa sambungan materialbaru yang memiliki sifat fisis-mekanis yang lebih baik, sepertibahan baru pada komposit.Sambungan komposit berpenguatserat merupakan jenis komposityang paling banyak dikembangkan. Adapun juga sambungankomposit yang paling banyak digunakan yaitu menggunakansambungan mekanik karenamempunyai keuntungan antaralain replacement mudah apabilaterjadi kerusakan, perlakuanpermukaan sedikit dan mudahmelakukan inspeksi kualitassambungan. Namun demikian,sambungan mekanik ini jugamemiliki kelemahan yaitu padasambungan mekanik menimbulkan konsentrasi tegangan didaerah sekitar lubang danpembuatan lubang akanmenimbulkan kerusakan serat

Kekuatan sambunganmekanik sangat dipengaruhi olehtiga faktor utama yaitu faktorgeometri spesimen, faktormaterial spesimen, dan faktorcara pembuatan lubang. Hampirsemua komponen, baik logam

maupun non logam, mengalamiproses penyambungan (joining)dengan komponen yang lain.Komponen logam dapat disambung dengan las, dibaut, dandikeling. Namun khusus bahannon metal seperti komposit danpenyambunganya tidak dapatdilakukan pengelasan. Salah satujenis sambungan yang cocokuntuk bahan komposit adalahsambungan baut dan kelingPenyambungan ini memerlukanlubang sebagai tempat dudukanbaut atau keling. Daerah sekitarlubang merupakan daerah kritisterhadap awal dari terjadinyakegagalan. Teknik pembuatanlubang dan variasi diameterlubang sangat menentukankekuatan kekuatannya, khususnya di daerah sekitar lubang.Teknik pembuatan lubang padakomposit dapat dilakukan dengandua cara, yaitu pembuatanlubang dengan cara dicetak dandibor. Teknik penguatan daerahsekitar lubang dapat dilakukandengan dua cara yaitumeminimalkan daerah yangmiskin penguat (serat) danmeminimalkan kemungkinanterjadinya delaminasi.

Matriks polyester palingbanyak digunakan terutamauntuk aplikasi konstruksi ringan.Selain harganya murah, resin inimempunyai karakteristik yangkhas yaitu dapat dibuat kaku danfleksibel, transparan, tahan air,

tahan kimia dan tahan cuaca,dapat diwarnai. Poliester dapatdigunakan pada suhu kerjamencapai 79 oC atau lebih tinggitergantung partikel resin dankeperluannya, berat jenis 1.3-1.4g/cm3, dan kekuatan tarik 55-60MPa. Keuntungan lain matrikspoliester adalah mudahdikombinasikan dengan serat dandapat digunakan untuk semuabentuk penguatan plastik. Matrikunsaturated polyester resin (resinpolyester tak jenuh) merupakanjenis resin thermoset. Resin jenisini banyak digunakan padaproses hand lay-up dan prosespress mold. Resin ini banyakdigunakan dalam aplikasikomposit pada dunia industridengan pertimbangan fluiditastinggi, harga relatif murah, warnajernih, kestabilan dimensionaldan mudah penggunaanya. Resinini digunakan untuk pembuatandashboard pada mobil.

Dalam pemakaianmaterial komposit ini, dilakukanpenelitian sejauh mana pengaruhtemperatur terhadap sifat fisisdan mekanis pada kompositpolyester berpenguat serat pohonpisang yang dicuci menggunakanKMnO4. Sebagian besar seratalam mempunyai karakteristikyang getas (brittle), namundengan adanya perlakuanpencucian cairan kimia seratalam mampu meningkatkan sifatmekanisnya. Dilanjutkan proses

perlakuan panas yang berasaldari panas matahari dan ovenbertujuan untuk meminimalisasikadar air, membuat permukaanserat semakin bersih danpermukaan serat menjadi lebihkasar sehingga ikatan (bonding)serat dengan matriks polyesterakan semakin baik.

2. Batasan MasalahUntuk mendapatkan hasil

pengujian yang fokus maka perluadanya pembatasan masalahAdapun juga batasan-batasanpenelitian tersebut antara lain :1. Perlakuan pencucian Kalium

Permanganate (KmnO4)dengan 5 gram per 100 mlaquades denganperendaman selama 2 jam.

2. Besar fraksi volume serat (vf)30% dan resin 70%

3. Resin termoset jenispolyester.

4. Pembuatan komposit denganmetode Hand Lay – Up.

5. Pengujian komposit secarafisis (struktur makro) mekanis(tarik).

6. Diameter lubang yang digunakan 6 mm.

7. Teknik pembuatan sambung -an komposit menggunakansambungan mekanik yaitutipe bolted bonded.

8. Pembuatan lubang padasambungan komposit dengancara dicetak dan dibor.

9. Pengaturan serat sejajar 0°.

3. Tujuan PenelitianTujuan penelitian ini adalah:

1. Untuk mengetahui pengaruhsambungan mekanik padakomposit polyester tipebolted bonded terhadapkekuatan tarik pada seratbatang pisang.

2. Untuk mengetahui perbandingan kekuatan tarikpada teknik pembuatanlubang dengan cara dicetakdan dibor.

3. Untuk mengetahui besarnyapengaruh akibat perubahanfraksi volume serat padadaerah sambungan tipeboltedbonded.

4. Tinjauan Pustaka

Jones, (1975) dalam bukuMechanics of CompositeMaterials. Menjelaskan bahwadefenisi dari komposit dalamlingkup ilmu material merupakangabungan antara dua buahmaterial atau lebih yang digabungpada skala makroskopis untukmembentuk material baru yanglebih bermanfaat. Komposit terdiridari dua unsir yaitu serat (fibre)sebagai reinforcement ataupenguat dan bahan pengikatserat yang disebut denganmatriks. Unsur utama dari bahankomposit adalah serat, seratinilah yang menentukankarakteristik suatu bahan sepertikekuatan ,keuletan, kekakuan

dan sifat mekanik yang lain. Seratberfungsi untuk menahansebagian besar gaya yangbekarja pada material komposit,sedangkan matrik berfungsi untukmengikat serat,melindungi danmeneruskan gaya antar serat.

Diharjo, (2008) menyatakanMenghadapi meningkatkan ikatan(mechanical bonding) antaraserat dan metrik (perakat). Seratbatang pohon pisang yang masihmengandung lignin dan kotorantersebut dibersihkan denganmenggunakan air. Serat yangsudah bersih direndam di dalanlarutan alkali (2% KmnO4)dengan variasi waktuperendaman2,4 dan 6 jam .Berdasarkan datahasil pengujian pada kekuatantarik yang paling optimal dimilikioleh bahan komposit yangdiperkuat serat batang pisangdengan perlakuan alkali selama 2jam.

Putro (2013) didalam peneli-tiannya ”Pengaruh KekuatanSambungan Komposit SeratNanas Terhadap Kekuatan TarikDan Geser Dengan AdhesiveEpoksi”. Dalam penelitian inibahan yang digunakan dalampembuatan komposit adalahResin Polyester 157 BQTN, seratnanas. Pembuatan kompositdilakukan dengan hand lay-up.Parameter penelitian ini adalahtebal adhesive. Adhesive yangdigunakan adalah epoxy. Jenissambungan yang digunakan

adalah sambungan tumpang danlurus sesuai dengan ASTM D5868-95, uji geser dan tarikdengan menggunakan UniversalTesting Machine. Hasil penelitianmenunjukan bahwa jenis darisambungan yang menggunakansambungan tumpang kekuatansambungan lebih besar dibandingkan sambungan lurus. Keduajenis sambungan tersebut cocokdigunakan jenis sambungantumpang, karena memilikikekuatan geser lebih besar daripada sambungan lurus dengantebal adhesive 0,5 mm.

Venkateswarlu (2013)”Modelling and Analysis of HybridComposite Joint Using in Ansys”.Menjelaskan bahwa komposittelah menjadi salah satu bahanyang sering digunakan untukmemperbaiki struktur yang adadalam berbagai aplikasi dan jugapada sambungan dengan bagiankomposit, dengan menggunakanperekat atau pengencang sebagaimekanik saat ini, metode baruyang disebut sendi hybrid jugasedang dikerjakan dimanakombinasi dari kedua perekat danmekanik pengencang yang digunakan. Dalam proyek ini, dilakukanusaha untuk menganalisadistribusi dalam tegangan dalammodel 3D dari tiga konfigurasiganda terpaku single lap bersamayaitu model terikat, terpaku danhybrid. Sebuah keuntungan besardari perekat dengan pengikat

dapat dirancang dan dibuatsedemekian rupa sehinggamereka dapat lebih kuat darikekuatan utama dari banyaklogam dan secara luas digunakandalam pesawat.

5. Landasan Teori komposit

Komposit didefenisikansebagai kombinasi antara duamaterial atau lebih yang terpisahyang dikombinasikan dalamsatuan struktur makroskopis dandibuat dari variasi kombinasi daritiga material yaitu logam,polymer, dan keramik.Secarasederhana dapat didefenisikankomposit terdiri dari dua materialyang berbeda propertinya danperbedaannya itu dilihat darimakroskopis. Serat merupakanbahan penguat (reinforcement)yang tersebar dalam matrikdengan orientasi tertentu. Fungsiutama matriks selain pengikatserat dan mendistribusikan bebankepada serat juga melindungiserat dari pengaruh lingkungan.(Gibson,1994)

Sifat-sifat yang dapat diperbaharuidalam kompposit antara lain(Jones, 1975)

1. Strength (kekuatan)2. Stiffness (kekuatan)3. Corrosion (tahan korosi)4. Wear resistane (tahan

gesek/aus)5. Weight (berat)6. Fatige life (ketahanan lelah)

7. Temperatur-dependentbehavior (pengaruhterhadap temperatur)

8. Thermal insulation (isolasipanas)

9. Thermal konduktivitas(konduktivitas panas)

Klasifikasi kompositSecara garis besar kompositdibagi menjadi tiga macam jeniskomposit berdasarkan penguatyang digunakan (Jones,1975)yaitu :a) Fibrous Compositeb) Laminated Compositc) Particulate Composite

a. Fibrous Composit Material(komposit serat)

Komposit Serat adalah komposityang terdiri dari fiber di dalammatrik. Klasifikasi serat dibagimenjadi2 antara lain saret alam (Serat pisang,sabut kelapa ,ramidll) dan serat kimia atau buatan(serat karbon,gelas,rayon,nilondsb), Secara alami serat yangpanjang mempunyai kekuatanyang lebih dibandingkan seratyang berbentuk curah (bulk).Serat panjang mempunyaistruktur yang lebih sempurnakarena struktur kristal tersusunpanjang sumbu serat dalammeterial komposit .Bahanpengikat atau penyatu seratdalam material komposit disebutmatrik. Matrik berfungsi sebagai

pelindung.Pendukung transferbeban dan perekat serat. Matrikdapat berbentuk polimer ,logamkarbon maupun keramik.

Mengenai penataan seratdimaksudkan untuk mengoptimalkan kekuatan bahan Terdapatempat macam penataan arahserat yang umum, dikenaldengan istilah penguatan serat,yaitu:Continous Fiber Composite(Komposit diperkuat seratkontinyu)

1) Woven fiber composite(komposit diperkuat seratanyaman)

2) Choped fiber composite(komposit diperkuat serat acak)

3) Hybrid composite (kompositdiperkuat dengan seratkontinue dan serat acak)

b. Laminated Composit( KompositLapisan)

Komposit lapisan adalah komposityang terdiri dari berbagai macamlapisan material dalam satu matrikParticulate Komposit ( kompositPartikel)

Komposit ini terdiri dari berbagaipartikel-partikel dalam satu matrik.Partikel ini bisa berbentuk logamatau non logam.

Proses Pembuatan LubangProses pembuatan lubang dengancara dicetak dan dibor padabahan komposit serat batangpisang, teknik pembuatan lubangdan variasi diameter lubangsangat menentukan kekuatan-kekuatanya khususnya di daerahsekitar lubang. Pembuatan lubangakan menimbulkan kerusakanserat, kerusakan serat tersebutdapat berupa misoriented fiberpada lubang yang dicetak danterputusnya serat padapembuatan lubang dengan caradicor. Berikut adalah contoh daripembuatan lubang dicetak dandibor pada gambar

Gambar Orientasi serat pada daerahlubang yang dibor dan dicetak

Sambungan KompositPada dasarnya sambungankomposit dibedakan menjadi duamacam yaitu sambungan mekanikdan sambungan ikat (bondedjoint). Metode sambunganmekanik dibuat dengan membuatlubang sebagai tempat dudukan

baut atau keling sedangkanbonded joint dibuat denganmemberikan zat adhesive antarlapisan yang akan disambung.

Gambar Tipe-tipe dari (a) sambunganmekanik dan (b) sambungan ikat

(bonded joint)

Keuntungan penggunaansambungan mekanik antara lain(1) replacement mudah bila terjadikerusakan, (2) perlakuanpermukaan sedikit, (3) mudahmelakukan inspeksi kualitassambungan. Namun demikian,sambungan ini juga memilikikelemahan, yaitu (1) sambunganmekanik menimbulkan konsentrasitegangan di daerah sekitar lubangdan (2) pembuatan lubang akanmenimbulkan kerusakan serat.Kerusakan serat tersebut dapatberupa terjadinya misorientedfiber pada lubang yang dicetakdan terputusnya serat pada saatpembuatan lubang dengan caradibor.

Gambar Beberapa jenis kerusakan yangmungkin terjadi pada sambungan

mekanik

SeratSerat Batang Pohon PisangSerat atau fiber merupakan unsuryang terpenting .Karena seratlahyang menentukan dari sifatmekanis komposit tersebut sepertikekakuan,keuletan dan kekuatan.Berikut adalah tabel komposisiserat alam

Berikut adalah tabel kekuatan tarikdari berbagai serat alam:

MatrikDalam pembuatan komposit tidaklepas dari peranan matrik, matrikberfungsi sebagai pengikat/perekat antara serat dan jugasebagai penerus kekuatan dariserat. Polimer merupakan molekulbesar yang terbentuk dari satuan-satuan sederhana. Berkembangdari pangkal polimer alam saat initelah dikembangkan pula berbagaijenis polimer sintetis. Beberapapolimer yang sering digunakan diindustri antara lain : karet ,plastik,dan serat. Polimer perekatdikelompokan pada sumberjenisnya ,Berdasarkan sumbernyaterdiri dari polimer alam danbuatan. polimer alam terdiri daritermoplastik dan termoset.

Metode penelitian Alat dan bahanAlat- timbangan digital- unit UTM (Ultimate Testing

Material “GOTECH MACHINE”- unit foto makro dinolite- 2 buah kaca ukuran 210x40 mm- oven, rool, skrap- cutter, gunting- gelas plastik dan sendok- penjepit, vernier caliper- alat suntikBahan-serat pohon pisang-hardener dan resin polyester-KmmO4

Gambar geometri pengujian tarikASTM D 5961

Selesai

DATA HASIL PENGUJIANHasil data yang didapatkan dariPenelitian yang menggunakanpengujian tarik dengan jenislubang bor, cetak, bor diperbesar5%, dan cetak diperbesar 5%

Pembahasan grafik pengujiantarikPada pengujian tarik spesimenkomposit dengan lubang dicetakmempunyai kekuatan tariktertinggi sebesar 15,375 N/mm²,dibor 15,263 N/mm², bor seratdiperbesar 5% yaitu 15,475N/mm², dan cetak seratdiperbesar 5% adalah 16,975N/mm². Diketahui Kekuatan tarikterendah dari hasil pengujianadalah spesimen lubang dibor dankekuatan tertinggi yaitu spesimenkomposit pada lubang dicetakdiperbesar 5%. Pada lubang bordan cetak setelah diberikanpenambahan serat 5% kekuatantariknya terjadi peningkatan halini dikarenakan semakinbanyaknya serat (fiber)berpengaruh dengan tegangantarik pada saat pengujian. Darihasil yang didapatkan kekuatanpembuatan lubang dicetak lebihbaik dibandingkan denganpembuatan lubang yang dibor. Halini disebabkan karena tidakadanya kerusakan delaminasipada spesimen pembuatan lubangdicetak seperti yang terjadi padasaat pembuatan lubang dibordan pada daerah sekitar lubangdicetak tidak terjadi daerah miskinserat (rich matrix) Sehinggakekuatan tariknya tinggi.

Lubang TEGANGAN σ N/mm² REGANGAN % MODULUS ELASTISITAS Ecetak 15,375 3,0 5,125bor 15,263 3,0 5,088

cetak diperbesar 5% 16,975 3,0 5,658bor diperbesar 5% 15,475 3,9 3,968

Hasil Foto makro Patahan

Foto patahan pada spesimen lubangdicetak

Foto patahan pada spesimen lubangdibor

Foto patahan pada spesimen lubangcetak diperbesar 5%

Foto patahan pada spesimen lubangbor diperbesar 5%

Keterangan penomeran:1. Resin polyester.2. Pull-out fiber.3. Void (lubang udara).

Pembahasan Foto MakroFoto patahan pada spesimen

lubang dicetak. Adanya pull-out fiberpada patahan sangat sedikit, iniberarti distribusi kekuatan seratmerata diseluruh permukaan patahankomposit. Terlihat adanya void tidakterlalu banyak dengan ukuran kecil,yang artinya kekuatan tarik padakomposit tersebut akan tinggi.

Foto patahan pada spesimenlubang dibor terlihat terjadi pull-outfiber karena tidak terikat sempurnaantar serat dengan resin (debonding).Pull-out fiber adalah serat keluar daripatahan komposit yang disebabkanikatan antara matrik dengan serattidak berlangsung secara sempurna.Terlihat adanya void cukup banyakdengan ukuran kecil sehinggakekuatan tariknya rendah.

Foto patahan pada spesimenlubang cetak diperbesar 5% terdapatvoid (lubang udara) kecil dan sedikityang mengakibatkan kekuatan tarikspesimen komposit menjadi tinggi.

Foto patahan pada spesimenlubang bor diperbesar 5% prosespengikatan antara serat dengan resin(bonding) cukup sempurna, sehinggapada saat pengujian tarik transferkekuatan antara resin dengan seratterdistribusi merata dan karenaadanya penambahan serat 5% yangmembuat kekuatan tarik padakomposit tersebut tinggi.

21

3

1

1

2 3

1

2

3

123

KesimpulanDari hasil analisa pengujian

komposit dan pembahasan datayang diperoleh, maka dapat ditarikkesimpulan yaitu:

1. Pada pengujian tarik spesimenkomposit dengan lubangdicetak mempunyai kekuatantarik tertinggi sebesar 15,375N/mm², dibor 15,263 N/mm²,bor serat diperbesar 5% yaitu15,475 N/mm², dan cetak seratdiperbesar 5% adalah 16,975N/mm²

2. Kekuatan tarik pembuatanlubang dicetak lebih baikdibandingkan denganpembuatan lubang yang dibor.Karena adanya kerusakandelaminasi yang terjadi padasaat pembuatan lubang dibordan pada daerah sekitarlubang dicetak tidak terjadidaerah miskin serat (richmatrix)

3. Pada lubang bor dan cetaksetelah diberikan penambahanserat 5% kekuatan tariknyaterjadi peningkatan hal inidikarenakan semakinbanyaknya serat (fiber)berpengaruh dengan tegangantarik pada saat pengujian

DAFTAR PUSTAKA

Adi, D, S., 2007, Analisis Karakteristik Komposit Serat Nylon DenganResin Polyester Menggunakan Pola Laminates Composites (5Layers) Susunan Sudut Serat 00, -600, -600, 600, 600 DenganMetode Hand Lay up, Tugas Akhir S-1, UniversitasMuhammadiyah Surakarta, Surakarta

Diharjo Kuncoro, 2006. Kajian Pengaruh Teknik Pembuatan LubangTerhadap Kekuatan Tarik Komposit Hibrid Serat Gelas dan SeratKarung Plastik, Universitas Negeri Sebelas Maret Surakarta.

Kurniawan, K., 2012, Uji Karakteistik Sifat Fisis Dan Mekanis Serat AgaveCantula Roxb (Nanas) Anyaman 2D Pada Vraksi Berat (40%,50%, 60%), Tugas Akhir S-1, Universitas MuhammadiyahSurakarta, Surakarta.

Lokantara, I, P., 2010, Pengaruh Panjang Serat Pada Temperatur UjiYang Berbeda Terhadap Kekuatan Tarik Komposit PolyesterSerat Tapis Kelapa, Jurnal Ilmiah Teknik Mesin, UniversitasUdayana, Bali.

Putro Sugiyanto, 2013. Pengaruh Kekuatan Sambungan Komposit SeratNanas Terhadap Kekuatan Tarik Dan Geser Dengan AdhesiveEpoksi, Jurusan Teknik Mesin – Fakultas Teknik, UniversitasSurakarta.

R. M. Jones., 1975, Mechanics of Composite Materials, McGraw-HillKogakusha, LTD, Wasingthon D.C.

Venkateswarlu, S. Rajasekhar, K. 2013. Modelling and Analysis ofHybrid Composite Joint Using Fem in Ansys, Srikalahasthi

Wibowo Rendi Dwi, 2014. Sifat Fisis dan Mekanis Akibat PerubahanTemperatur Pada Komposit Polyester Serat Batang Pisang YangDi Treatment Menggunakan KmnO4, Teknik Mesin, UniversitasMummadiyah Surakarta.