Jurnal Kajian Teknik Mesin Vol 10 No 1 . Halaman 22-31 Available online at JKTM Website : http://journal. id/index. php/jktm/index JURNAL KAJIAN TEKNIK MESIN Vol 10 No 1 Hal 22-31 Jurnal Artikel Peningkatan Sifat Mekanik Material PLA Skin Karbon Menggunakan Proses Fused Deposition Modeling Afifanisa Aulia Rahmah1. Muizuddin Azka2. Rando Tungga Dewa1*. Ida Farida1. Ariyo Nurachman Satiya Permana1. Valentina Diva Putri Santoso1. Ellena Amalia Cahyaningrum1. Muhammad Daffa Agung Pratama1. Kristian Felix Fernandes Purba1. Tryas Putranto Sembali1. Ilan Ramond Awom1 Teknik Mesin. Fakultas Teknik dan Teknologi Pertahanan. Universitas Pertahanan Republik Indonesia. Bogor 15141. Indonesia Pusat Riset Teknologi Proses dan Industri Manufaktur. Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN). Tangerang Selatan 15314. Indonesia rahaulaf0711@gmail. com, 2muizuddin. azka@gmail. *Corresponding author Ae Email : rando. dewa@idu. Artkel Info - : Received : Revised : Accepted: Abstrak PLA banyak digunakan dalam proses Fused Deposition Modeling (FDM), tetapi memiliki beberapa keterbatasan terkait mechanical properties seperti kekuatan, keuletan, dan elastisitas. Untuk mengatasi kekurangan ini, ada kebutuhan untuk mengeksplorasi solusi berkelanjutan untuk meningkatkan kinerja material PLA . Penelitian ini bertujuan untuk menyelidiki dampak karbon skin pada PLA untuk meningkatkan mechanical propertiesnya dalam aplikasi FDM. Pendekatan eksperimental melibatkan variasi penerapan komposit karbon pada PLA dengan membuat dua jenis spesimen: PLA karbon non skin dan PLA karbon skin. Spesimen dicetak menggunakan printer 3D Creality K1C dengan kepadatan pengisi 100%, sementara parameter proses lainnya, seperti kecepatan kipas, suhu pelat, dan kecepatan pencetakan, dijaga konstan. Setelah pencetakan, karbon skin diaplikasikan ke permukaan spesimen PLA . Setiap variasi diuji dengan standar ASTM D638 tipe I. Hasil penelitian menunjukkan bahwa spesimen karbon skin PLA menunjukkan kekuatan dan kekakuan yang jauh lebih tinggi tetapi perpanjangan yang lebih rendah, menunjukkan perilaku yang lebih rapuh dibandingkan dengan karbon non skin PLA . Temuan ini menunjukkan bahwa penggunaan komposit karbon dalam PLA dapat secara signifikan mempengaruhi mechanical propertiesnya, terutama meningkatkan kekuatan dan kekakuan sekaligus mengurangi keuletan. Kata kunci: PLA , fused deposition modeling, mechanical properties, karbon skin Abstract PLA is widely used in Fused Deposition Modeling (FDM) processes, but it has some limitations regarding mechanical properties such as strength, ductility, and elasticity. To address these shortcomings, there is a need to explore sustainable solutions to enhance PLA material performance. This research aims to investigate the impact of skin karbon on PLA to improve its mechanical properties in FDM The experimental approach involved varying the application of karbon composites on PLA by creating two types of specimens: PLA non skin karbon and PLA skin karbon. The specimens were printed using a Creality K1C 3D printer with a 100% infill density, while other process parameters, as well as fan speed, plate temperature, and printing speed, were kept constant. After printing, a skin karbon was applied to the surface of the PLA specimens. Each variation was tested with ASTM D638 type I The results showed that PLA skin karbon specimens exhibited significantly higher strength and rigidity but lower elongation, indicating more brittle behavior compared to PLA non skin karbon. These findings demonstrate that the use of karbon composites in PLA can significantly affect its mechanical properties, particularly enhancing strength and stiffness while reducing ductility. Keywords: PLA , fused deposition modeling, mechanical properties, skin carbon. Jurnal Kajian Teknik Mesin Vol 10 No 1 . Halaman 22-31 PENDAHULUAN 3D printing adalah proses pembuatan objek 3D dalam bentuk apa pun dari simulasi pemodelan 3D (Gokhare et al. Hal ini diantisipasi menjadi salah satu proses industri revolusioner terkemuka di tahun-tahun mendatang (Jimynez et al. Teknologi ini telah merevolusi berbagai industri, mulai dari manufaktur, arsitektur, dan perawatan kesehatan. printing memungkinkan untuk membuat prototipe produk dengan cepat, secara signifikan mengurangi biaya produksi (Kumar Panda et al. , 2023. Rayna & Striukova, 2. Selain itu, 3D printing memungkinkan untuk membuat desain yang unik, kompleks, sulit atau bahkan tradisional (Algarni & Ghazali, 2. Saat ini, additive manufacturing (AM) atau pencetakan 3D, khususnya melalui penggunaan teknologi fused deposition modeling (FDM), telah menjadi alat yang sangat populer dan telah banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari (Madhu et al. pengembangan dan desain produk. Fused deposition modeling (FDM) merupakan salah satu metode dalam additive manufacturing (AM). Produk yang dibuat dengan FDM memiliki potensi besar untuk bersaing dengan metode manufaktur tradisional seperti injection molding (Setiawan et al. , 2. Ini adalah teknologi terbaru yang digunakan untuk memproduksi komponen yang dirancang secara detail dan rumit untuk berbagai aplikasi yang memungkinkan perusahaan memproduksi barang sesuai permintaan, membangun operasi manufaktur lokal yang lebih kecil, dan memperpendek rantai pasokan mereka (Ahmad et al. , 2023. Prashar et al. , 2023. Tho et al. , 2. Teknologi ini juga membawa peluang baru untuk inovasi, memungkinkan individu dan bisnis untuk mengembangkan produk yang lebih efisien dan kreatif. printing digunakan di banyak bidang aplikasi teknik dan penelitian, termasuk industri biomedis, otomotif, kedirgantaraan, dan desain produk (Rasyid et al. , 2. Dengan keunggulan 3D printing dan meningkatnya tren penggunaan 3D printing dalam pembuatan struktur drone, membuka peluang besar untuk beralih dari pembuatan drone secara konvensional menjadi menggunakan 3D printing (Yap et al. Dengan kemampuan mencetak komponen secara presisi dan efisien, 3D printing memungkinkan pembuatan drone yang lebih ringan, elastis, dan ekonomis. Penggunaan 3D printing dalam pembuatan drone memiliki berbagai keunggulan dibandingkan metode tradisional (ElSayegh et al. , 2. , diantaranya dalam membuat desain yang dapat disesuaikan dengan kebutuhan spesifik, komponen dapat dicetak dalam hitungan jam dan tidak membutuhkan cetakan yang mahal seperti pada metode pembuatan tradisional. Jenis filamen yang paling umum digunakan dalam 3D printing adalah ABS. PLA, dan PETG (StecuCa et al. , 2. PLA adalah pilihan yang baik dengan mempertimbangkan bahan yang ramah lingkungan dan mudah dicetak karena dibuat dari bahan yang berkelanjutan seperti tepung jagung atau tebu yang mudah terurai dan aman bagi lingkungan (Taib et , 2. ABS mungkin lebih cocok digunakan jika produk memerlukan kekuatan dan daya tahan yang lebih kuat. ABS adalah polimer termoplastik yang terbuat dari tiga monomer, yaitu akrilonitril, butadiena, dan stirena, yang dapat mengeluarkan gas berbahaya (VOC) selama proses pencetakan, sehingga kurang ramah lingkungan. Jika keseimbangan antara kekuatan dan kemudahan pencetakan diperlukan. PETG mungkin merupakan pilihan terbaik. Ini tidak menghasilkan racun atau bau yang berbahaya dan tahan terhadap panas dan bahan kimia, tetapi tidak sekuat ABS (Yan et al. , 2. antara jenis-jenis filamen 3D printing. PLA adalah yang paling banyak dan umum digunakan karena ramah lingkungan Jurnal Kajian Teknik Mesin Vol 10 No 1 . Halaman 22-31 (Casalini et al. , 2019. Suteja et al. , 2023. Taib et al. , 2. Namun. PLA memiliki kekuatan tarik dan ketahanan panas yang lebih rendah dibandingkan dengan ABS dan PETG. Oleh karena itu. PLA yang lebih baik seperti PLA diciptakan dengan memasukkan aditif yang meningkatkan sifat mekanik PLA. PLA adalah bahan biodegradable terbaru yang merupakan variasi dari PLA murni (Abd-El Nabi et al. , 2. Ini adalah versi yang disempurnakan dari PLA standar, dengan tambahan modifikasi aditif tertentu untuk meningkatkan sifat mekanik, termal, dan kinerja sehingga memiliki ketahanan benturan dan daya rekat yang lebih baik antar lapisan yang dicetak (Kadhum et al. , 2. Namun, untuk beberapa aplikasi seperti drone dan mekaniknya masih lebih rendah daripada jenis plastik lainnya. Jadi, perlu dilakukan peningkatan sifat mekanik PLA. Berdasarkan karya ilmiah yang dikutip, mengoptimalkan kualitas material pada PLA, pada penelitian ini penggunaan PLA dipilih karena PLA dianggap memiliki dibandingkan PLA standar, sehingga diharapkan dapat dioptimalkan lebih lanjut. Optimasi material dilakukan dengan menambahkan skin karbon pada PLA yang kemudian akan diuji menggunakan uji tarik dan karakterisasi menggunakan Scanning Electron Microscope (SEM). Pada pengujian ini diharapkan terjadi peningkatan sifat dan karakteristik PLA sehingga dapat diaplikasikan pada berbagai bidang yang membutuhkan sifat mekanik yang sesuai. II. TINJAUAN PUSTAKA Polilatic Acid (PLA) Polylactic Acid (PLA) merupakan biopolimer yang berasal dari sumber daya alam terbarukan seperti pati jagung dan tebu, melalui proses fermentasi asam laktat. Dalam satu dekade terakhir. PLA menjadi salah satu kandidat utama dalam pengembangan material ramah lingkungan karena sifat biodegradabelnya dan proses produksi yang relatif bersih. Tidak hanya itu. PLA juga menunjukkan karakteristik mekanik yang cukup baik, sehingga banyak dimanfaatkan dalam bidang kemasan, medis, hingga sebagai matriks dalam material komposit (Aida, 2. Meski demikian. PLA masih memiliki beberapa kelemahan, seperti sifat yang rapuh, stabilitas termal yang terbatas, dan proses degradasi yang lambat pada kondisi lingkungan tertentu. Untuk mengatasi keterbatasan ini, berbagai studi telah menambahkan material penguat seperti serat alami, nanopartikel, hingga serat Pendekatan ini bertujuan untuk meningkatkan performa mekanik dan ketahanan termal PLA (Hidayanti, 2. Bahkan, kombinasi PLA dengan material berperforma tinggi seperti serat karbon atau graphene kini tengah dikembangkan untuk menghasilkan komposit ringan namun kuat, yang cocok untuk aplikasi struktural. Serat Karbon Serat karbon dikenal sebagai material penguat yang unggul karena kombinasi antara bobot yang ringan dan kekuatan mekanik yang sangat tinggi. Material ini umumnya diperoleh dari proses pirolisis terhadap prekursor seperti polyacrylonitrile (PAN). Berkat sifatnya yang luar biasa, serat karbon telah lama digunakan dalam industri-industri kedirgantaraan dan otomotif. Dalam pengembangan komposit berbasis PLA, penambahan serat karbon terbukti dapat meningkatkan kekakuan dan kekuatan tarik secara signifikan, sekaligus mengurangi deformasi akibat beban mekanik. Meski demikian, untuk mencapai interaksi antarmuka yang optimal antara PLA dan serat karbon, sering kali dibutuhkan modifikasi permukaan atau penambahan Jurnal Kajian Teknik Mesin Vol 10 No 1 . Halaman 22-31 bahan penghubung . oupling agen. agar kedua komponen dapat berpadu dengan Dengan optimalisasi ini. PLAAeserat karbon berpotensi besar menjadi material komposit ringan yang berkelanjutan untuk berbagai kebutuhan teknik. Resin Dalam sistem material komposit, resin berperan sebagai matriks yang menyatukan dan melindungi serat penguat, serta mendistribusikan beban ke seluruh struktur. Resin PLA sebagai bahan termoplastik kini semakin banyak dikembangkan untuk menggantikan resin termo-set konvensional seperti epoksi dan poliester karena keunggulannya dalam hal keberlanjutan dan kemudahan daur ulang. Namun. PLA sebagai resin tidak lepas dari tantangan, terutama terkait kompatibilitasnya dengan serat penguat seperti serat karbon. Oleh karena itu, berbagai metode telah dicoba untuk meningkatkan daya ikat antara PLA dan serat, seperti penggunaan agen kopling, penggabungan PLA dengan resin lain yang lebih reaktif. Dengan pemilihan jenis resin dan teknik pemrosesan yang tepat, performa akhir dari material komposit dapat ditingkatkan secara signifikan, baik dari sisi kekuatan, ketahanan, maupun i. METODOLOGI Penelitian mengoptimalkan material PLA dengan menambahkan lapisan skin karbon untuk meningkatkan karakteristik mekanik dan daya tahannya. Metode yang digunakan meliputi proses fabrikasi dengan teknik 3D printing dan pelapisan karbon dengan metode hand layup. (NKK) dengan sifat-sifat yang ditunjukkan pada gambar 1. PLA merupakan variasi dan pengembangan dari PLA dengan penambahan zat aditif tertentu untuk meningkatkan sifat mekanik dan termalnya. Gambar 1 Contoh gambar PLA non skin ((NK) dan PLA skin karbon (NKK) Tabel 1. Ukuran spesimen Dimensi Panjang Penuh Ketebalan Panjang Paralel Panjang Pengukur Lebar Bagian Paralel Lebar Bagian Genggaman Jarak Antar Genggaman Proses pembuatan sampel uji diawali dengan proses pemodelan spesimen uji dengan menggunakan perangkat lunak CAD Seluruh diproduksi menggunakan mesin cetak 3D merek Creality tipe K1C. Untuk sampel dengan tambahan skin karbon, ketebalan sampel yang dicetak 3D dikurangi sebesar ketebalannya yaitu 3 mm. Pengaturan mesin cetak 3D sesuai dengan variabel terikat yang telah ditentukan sebelumnya dengan parameter pencetakan dirangkum dalam Tabel 2. Lapisan skin karbon dibuat dengan metode hand lay-up menggunakan resin epoksi dengan rasio resin 1:2. Tabel 2 Parameter mesin cetak 3D Parameter Pembuatan Spesimen Penelitian ini dilakukan dengan membuat sampel uji tarik sesuai dengan standar ASTM D638 tipe I, meliputi PLA non skin karbon (NK). PLA skin karbon Ukuran . Pengaturan Printing Deposition Temp (AC) Nozzle Diameter . Layer Height . Bed Temp (AC) Infill Density (%) Jurnal Kajian Teknik Mesin Vol 10 No 1 . Halaman 22-31 Fan Speed (%) Nozzle Temp (AC) Prosedur Pengujian Pengujian menggunakan Mesin Uji Universal Shimadzu AG-X plus 50 kN dengan jarak cengkeraman 115 mm, panjang pengukur 50 mm, laju kepala bab 5 mm/menit, pada suhu 23 A 2EE dan RH 50 A 10%. Semua sampel disimpan di ruang pendingin . A 2 EE dan 50 A 5% RH) selama >40 jam sebelum pengujian. Hasil pengujian ini ditampilkan dalam grafik tegangan versus regangan dengan karakteristik pembebanan dan deformasi yang bergantung pada geometri spesimen. Dalam pengujian ini, bagian patahan dari sampel uji dipotong secara melintang pada penampang Pengujian SEM diamati menggunakan JSM-6510LA JEOL SEM SCAN ELECTRON MICROSCOPE dengan preparasi pelapisan Au . 30mA). Accelerate Voltage 20 kV, dan perbesaran 20X hingga 200X. Semua sampel dilapisi dengan platinum untuk mengurangi pengisian daya. Pengamatan dilakukan pada penampang melintang dari area yang patah setelah uji tarik. pemanjangan dan beban dinormalisasi menggunakan parameter tegangan teknis dan parameter tarik teknik. Tegangan teknik E didefinisikan melalui hubungan: F dalam newton (N) adalah beban yang bekerja tegak lurus terhadap penampang spesimen dan A adalah luas penampang awal sebelum beban diberikan . Satuan tegangan teknik adalah megapascal atau MPa (SI). Teknik Regangan ditentukan oleh hubungan: LCA menunjukkan panjang awal sebelum penerapan beban, sedangkan iL menunjukkan perubahan panjang yang terjadi setelah beban diterapkan. Regangan tidak seragam dan biasanya regangan dibuat dalam persen dengan mengalikan nilai regangan dengan 100%. IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Uji Tarik Gambar 3. Kurva tegangan-regangan dari semua Gambar 2. Sampel uji tarik Hasil pengujian ini ditampilkan dalam kurva beban versus perpanjangan dengan karakteristik pembebanan dan deformasi yang bergantung pada geometri spesimen. Dalam meminimalkan faktor geometris. Gambar 4. Sampel PLA non skin ((NK) dan PLA skin karbon (NKK) setelah pengujian Jurnal Kajian Teknik Mesin Vol 10 No 1 . Halaman 22-31 Tabel 3. Hasil rata-rata uji tarik Sample Name Tensile Modulus (MP. Tensile Strength Elongation at Break (MP. (%) NKK Gambar 3 menunjukkan kurva tegangan-regangan komposit NK dan NKK. Sampel NK menunjukkan tegangan maksimum yang lebih rendah daripada NKK yaitu sekitar 30 MPa. Setelah mencapai tegangan luluh, sampel ini mempertahankan tegangan sedikit lebih lama sebelum patah yang berarti sampel NK memiliki sifat ulet. Sementara itu. NKK maksimum 110-120 MPa pada regangan yang sangat rendah. NKK memiliki kemiringan yang curam, menunjukkan . aterialnya sangat kak. Setelah mencapai tegangan luluh maksimum, sampel NKK mengalami penurunan mengindikasikan sifat getas. Nilai Ultimate Tensile Strength (UTS) untuk masing-masing spesimen dapat dilihat pada Gambar 5. Gambar 5 SEM permukaan patahan sampel . PLA karbon non- skin . PLA skin karbon Density . /cmA) Specific Strength Gambar 6 Rata-rata Ultimate Tensile Strength (UTS) Tabel 3 dan gambar 6 menunjukkan nilai rata-rata sifat tarik sampel NK dan NKK. Tabel tersebut menunjukkan bahwa modulus tarik NKK lebih tinggi (>278%) dibandingkan NK yang mengindikasikan bahwa NKK memiliki kekakuan yang lebih tinggi dibandingkan NK. Sementara itu, kekuatan luluh NKK lebih tinggi (>258%) daripada NK menunjukkan bahwa sampel NK lebih mudah mengalami deformasi plastis daripada sampel NKK. Tabel tersebut juga menunjukkan bahwa regangan luluh NK lebih tinggi daripada NKK, yang mengindikasikan bahwa NK mengalami deformasi yang lebih besar sebelum material terdeformasi secara Sampel NK juga memiliki perpanjangan putus yang lebih tinggi NKK, menunjukkan bahwa sampel NK lebih ulet dan dapat meregang lebih banyak sebelum putus dibandingkan dengan NKK. Jurnal Kajian Teknik Mesin Vol . Halaman Scanning Electron Microscope (SEM) Gambar 7. SEM permukaan patahan sampel . PLA non skin karbon . PLA skin karbon Permukaan ditunjukkan pada Gambar 5. Gambar diambil pada permukaan patahan sampel setelah uji tarik. Pola infill 3D printing terlihat jelas dengan lapisan yang tersusun rapi pada permukaan PLA non skin. Retakan terjadi di sepanjang batas lapisan pengisi yang mencerminkan sifat PLA yang relatif rapuh, di mana retakan menyebar dengan cepat di sepanjang jalur Struktur ini menunjukkan bahwa PLA non skin memiliki keterbatasan dalam menyerap energi ketika menerima beban tarik, sehingga cenderung patah dengan pola yang teratur. Sebaliknya, pola pengisian PLA skin karbon tidak lagi terlihat, menunjukkan infiltrasi epoksi ke dalam celah di antara lapisan selama pembuatan skin karbon menggunakan lay-up tangan. Epoksi yang disusupi meningkatkan kekuatan rekat antar lapisan. Skin karbon juga berperan dalam menahan deformasi plastis, mendistribusikan tegangan secara lebih merata, sehingga pola retakan menjadi lebih terkontrol dan tidak mengikuti pola infill seperti pada PLA non skin karbon. Skin karbon berperan sebagai penguat dan menahan retakan atau deformasi pada jalur tertentu, sehingga batas-batas pola infill tidak lagi teridentifikasi dengan jelas. Gambar 8. SEM menangkap efek deformasi plastis pada PLA skin karbon Hilangnya pola pengisian permukaan pada skin karbon PLA juga terkait dengan redistribusi tegangan selama uji PLA skin karbon menghasilkan deformasi plastis yang lebih terkendali dengan menyebarkan tegangan yang sebelumnya terfokus pada batas lapisan ke seluruh matriks material. Selain itu, skin karbon menambah kekuatan mekanik pada material, sehingga patahan tidak lagi terfokus pada area tertentu, melainkan menyebar secara acak ke seluruh struktur. Jadi, hilangnya pola pengisi pada lapisan PLA skin karbon terkait dengan beban tarik yang ditahan oleh lapisan karbon yang mengelilingi permukaan sampel cetak 3D. Hal ini menjelaskan bagaimana penambahan skin karbon pada suatu material mengubah mekanisme fraktur dan meningkatkan kekuatan tarik, membuatnya lebih kuat dan mampu mendistribusikan tegangan secara lebih efektif. Gambar 9. Gambar SEM dari permukaan patahan PLA skin karbon . Gambar 9 menunjukkan permukaan patahan PLA skin karbon dengan Jurnal Kajian Teknik Mesin Vol perbesaran 200 kali dan skala 100 m. Pada permukaan terlihat rongga-rongga besar antara komposit PLA dan serat karbon, disana juga terlihat serat karbon yang terlepas dari matriks PLA yang delaminasi atau lepasnya ikatan antara serat dan matriks. Serat karbon yang menonjol mengindikasikan bahwa adhesi antara PLA dan serat karbon belum sempurna, hal ini dapat terjadi karena ketidaksempurnaan proses fabrikasi atau distribusi resin yang kurang maksimal sehingga berpotensi mengurangi kekuatan mekanik dan ketahanan impak material. Adanya void antara lapisan PLA dan lapisan komposit serat karbon disebabkan oleh metode hand lay-up. Hal ini menunjukkan bahwa meskipun terdapat void antara lapisan PLA dengan lapisan komposit karbon, namun nilai mechanical properties material tetap meningkat, sehingga jika kekosongan antar lapisan tersebut dapat dihilangkan maka nilai mechanical propertiesnya akan semakin KESIMPULAN Berdasarkan hasil uji tarik, modulus tarik PLA skin karbon lebih tinggi (>278%) daripada PLA karbon non Sementara itu, kekuatan luluh PLA skin karbon lebih tinggi (>258%) dibandingkan dengan PLA karbon non skin. Namun, pada nilai regangan luluh, sampel karbon non skin PLA memiliki perpanjangan putus yang lebih tinggi daripada skin karbon PLA , yang mengindikasikan bahwa karbon non skin PLA lebih elastis dan dapat meregang lebih banyak sebelum putus dibandingkan dengan skin karbon PLA . Oleh karena itu, ini cocok untuk aplikasi yang membutuhkan kekuatan, kekakuan, dan stabilitas struktural yang tinggi, tetapi tidak memerlukan fleksibilitas atau deformasi yang besar. Halaman Hasil pengamatan menggunakan SEM (Scanning Electron Microscop. menunjukkan adanya void dan cacat atau ketidaksempurnaan material akibat proses laminasi berupa hand lay-up sehingga laminasi skin karbon merupakan langkah yang tepat untuk meningkatkan sifat dan karakteristik PLA , apalagi jika skin karbon pada PLA dapat diimplementasikan secara sempurna, maka sifat dan karakteristik PLA yang diberikan laminasi skin karbon semakin meningkat. ACKNOWLEDGEMENT Kami mengucapkan terima kasih atas dukungan yang diterima dari Lembaga Pengelola Dana Pendidikan (LPDP) di bawah Program Riset dan Inovasi untuk Indonesia Maju (RIIM). DAFTAR PUSTAKA