Kajian Eksperimental Tensile . (Kosim Abdurohman dan Aryandi Mart. KAJIAN EKSPERIMENTAL TENSILE PROPERTIES KOMPOSIT POLIESTER BERPENGUAT SERAT KARBON SEARAH HASIL MANUFAKTUR VACUUM INFUSION SEBAGAI MATERIAL STRUKTUR LSU (AN EXPERIMENTAL STUDY OF POLYESTER COMPOSITE TENSILE PROPERTIES REINFORCED UNIDIRECTIONAL CARBON FIBER MANUFACTURED BY VACUUM INFUSION FOR LSU MATERIAL) Kosim Abdurohman1 dan Aryandi Marta Pusat Teknologi Penerbangan Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional Jl. Raya LAPAN. Sukamulya. Rumpin. Bogor 16350 Indonesia 1e-mail: kosim. abdurohman@lapan. Diterima 31 Mei 2016. Direvisi 20 Juni 2016. Disetujui 21 Juni 2016 ABSTRACT Vacuum infusion is a manufacturing method to improve mechanical properties of composite. Before apply this in LSU structure, it should be experimented using tensile test to know mechanical properties of the composite. Tensile test is an experimental to know tensile strength, modulus of elasticity, and failure modes of composite. Experimental process of CFRP composite using unidirectional carbon fiber and polyester matrix was done using vacuum infusion technology, strart from specimens preparation until testing steps. Manufacturing results gave the values of composite density and thickness. mass and volume fraction of fiber and matrix materials. Specimens and testing process are refer to ASTM D3039 tensile test standard for composite matrix polymers. The testing results showed 1011. 67 MPa ultimate tensile strength, 59074. 96 MPa modulus of elasticity, and SGV . ong spliting, gage, variou. failure mode . Keywords: VARTM. Tensile strength. Modulus elastisitas. Failure mode Jurnal Teknologi Dirgantara Vol. 14 No. 1 Juni 2016 :61-72 ABSTRAK Vacuum infusion merupakan salah satu metode manufaktur yang digunakan untuk meningkatkan sifat mekanik komposit. Untuk mengaplikasikan metode ini dalam pembuatan struktur LAPAN Surveillance UAV (LSU), perlu diketahui terlebih dahulu sifat mekanik dari komposit hasil metode ini secara eksperimen. Salah satu eksperimen yang dilakukan yaitu pengujian tarik untuk mendapatkan tensile strength, modulus elastisitas, dan failure mode yang terjadi pada komposit. Eksperimen dilakukan terhadap komposit CFRP menggunakan material serat karbon searah (UD) 0A dan matriks poliester dibuat dengan metode vacuum infusion mulai dari tahap preparasi sampai tahap Dari hasil manufaktur didapat nilai densitas dan ketebalan komposit serta fraksi massa dan fraksi volume material penyusun komposit. Spesimen dan proses pengujian mengikuti standar ASTM D3039 yang merupakan standar pengujian tarik untuk komposit dengan matriks polimer. Hasil pengujian menunjukkan nilai ultimate tensile strength 1011,67 MPa, modulus elastisitas 59074,96 MPa, dan failure mode SGV (Long Spliting. Gage. Variou. Kata kunci:VARTM. Tensile strength. Modulus elastisitas. Failure mode PENDAHULUAN Komposit merupakan kombinasi makroskopik dari dua atau lebih material, yang memiliki sifat yang berbeda dari material penyusunnya (Bakir B. Dan Hashem H. , 2. Komposit yang banyak digunakan sebagai struktur pesawat, kapal laut, dengn resin berpenguat sert kontinyu (Yeung dan Rao, 2. Resin yang termasuk kedalam termoseting diantaranya epoxy dan poliester. Material komposit telah banyak digunakan dalam industri penerbangan karena memiliki sifat mekanik yang unggul dan struktur yang ringan, salah satunya adalah Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP). CFRP banyak diteliti untuk dikembangkan, khususnya pada industri pesawat terbang, karena memiliki sifat-sifat khusus yang unggul dan struktur yang keuntungan secara ekonomi (Blas and Fernandez, 2. Kebanyakan komposit komersial menggunakan matriks polimer dengan penguat serat tekstil seperti glass, aramid, dan karbon (Goren dan Atas, 2. Komposit Ada digunakan dalam pembuatan komposit seperti manual hand lay up, vacuum bagging, vacuum infusion, resin transfer Beberapa dekade terakhir, proses resin infusion telah menjadi popular untuk manufaktur struktur komposit dengan matriks polimer. Proses resin infusion merupakan alternatif teknik dengan biaya lebih rendah dibanding teknik manufaktur autoclave. Sebagai contoh, dengan proses resin infusion memungkinkan untuk memproduksi part yang kompleks dan tebal dengan sifat mekanik yang sangat bagus dan waste lebih sedikit dibanding metode tradisional (Wang et al. , 2. Salah satu contoh aplikasi metode ini yaitu suksenya percobaan pembuatan vertical stabilizer pesawat Mitsubishi Regional Jet oleh Mitsubishi Heavy Industries (MHI. Ltd. ) Jepang (Yamashita et al. Pusat Teknologi PenerbanganLAPAN telah menerapkan aplikasi material CFRP pada beberapa bagian struktur LAPAN Surveillance UAV (LSU) menggunakan metode hand lay up manual laminasi Metode ini memiliki kekurangan diantaranya peresapan resin terhadap serat yang kurang sempurna, dan pemberian resin yang tidak dapat terjadinya overweight akibat kelebihan Kajian Eksperimental Tensile . (Kosim Abdurohman dan Aryandi Mart. resin maupun ketebalan yang tidak seragam dari satu produk karena proses laminasi masih manual. Hasil manufaktur dengan metode ini sangat dipengaruhi oleh skill teknisi sehingga hasilnya sering tidak konsisten antara produk pertama dan berikutnya maupun antara produk satu teknisi dengan teknisi Oleh karena itu, maka dipandang perlu untuk meningkatkan metode manufaktur komposit menggunakan vacuum infusion. Akan tetapi, sebelum mengaplikasikan metode ini terhadap struktur LSU, perlu dilakukan karakterisasi sifat-sifat mekanik, khususnya sifat tarik dengan melakukan uji tarik. Pengujian tarik . ensile tes. Pengujian tarik biasa dilakukan dalam dunia mendapatkan nilai tensile strengh, modulus elastisitas, dan failure mode yang terjadi pada komposit (Paiva et al. EKSPERIMENTAL Prosedur yang dilakukan dalam penelitian ini dapat dilihat pada flow chart (Gambar 2-. Gambar 2-1: Prosedur penelitian 1 Pembuatan Panel Komposit dan Spesimen Uji Panel komposit dibuat dengan metode vacuum resin infusion. Proses vacuum infusion merupakan teknik kedalam laminate . apisan-lapisan sera. Material serat diletakkan kedalam cetakan dan dilakukan pemakuman sebelum resin dialirkan. Ketika kondisi vacuum telah tercapai, resin dihisap kedalam laminate lewat pipa yang terpasang pada area vacuum. Skema manufaktur komposit dengan metode ini dapat dilihat pada Gambar 2-2. Gambar 2-2: Proses vacuum infusion (Wang et , 2. Pada penelitian ini komposit dibuat menggunakan material empat lapis serat karbon unidirectional . 0A yang memiliki massa per satuan luas 300 g/m2, densitas 1,42 g/cm3 sebagai reinforcement dengan massa total 96 gram dan resin poliester dengan densitas 1. 07 g/cm3, viskositas 155,92 cPs sebagai matriks. Komposit dibuat pada kondisi vacuum dengan tekanan -100 kPa. Proses manufaktur panel komposit dapat dilihat pada Gambar 2-3. Berbeda dengan hand layup manual, pada proses vacuum infusion semua ply serat ditumpuk terlebih dahulu pada cetakan dengan diberi perekat spray aerosil pada tiap lapis serat agar serat tidak bergeser saat divacuum. Di atas lapisan serat ditutup dengan peel ply yang telah diolesi release agent kemudian di atasnya ditaruh flow mesh sebagai media alir resin kemudian ditutup dengan bagging Jurnal Teknologi Dirgantara Vol. 14 No. 1 Juni 2016 :61-72 maupun cair secara otomatis dengan menggunakan prinsip hukum archimedes sebagai berikut. Ac = . Keterangan: Ac = densitas komposit . /cm. , wc = massa komposit . , wi = massa komposit saat tenggelam di air . , dan Aw = densitas cairan yang digunakan . /cm. resin mulai mengalir Gambar 2-4: Pengukuran densitas Gambar 2-3: Proses menggunakan metode vacuum Gambar 2-3 . menunjukkan seting area laminasi panel komposit dalam kondisi vacuum dengan tekanan -100 kPa (-1 ba. seperti ditunjukkan Gambar 2-3. Gambar 2-3. menunjukkan resin mulai mengalir membasahi area laminasi dan Gambar 2-3. menunjukkan area laminasi serat sudah terbasahi semua oleh resin. Hasil manufaktur panel komposit ini dapat dilihat pada Gambar 2-3. dengan berat 127,58 g. Ada beberapa parameter yang perlu ditentukan untuk mengetahui sifat fisik komposit hasil manufaktur vacuum infusion ini. Parameter tersebut meliputi massa jenis komposit, ketebalan komposit, fraksi massa serat dan resin, serta fraksi volume serat dan resin. 1 Densitas dan Ketebalan Komposit Massa jenis ditentukan secara eksperimental menggunakan densitometer Alat ini digunakan untuk menentukan densitas benda padat Gambar 2-4. penimbangan komposit di udara dan Gambar 2-4. menunjukkan penimbangan komposit di dalam air. Dari hasil eksperimental diperoleh nilai densitas komposit serat karbon UD 00/poliester hasil vacuum infusion 1,25 g/cm3. Untuk menentukan ketebalan laminate komposit dapat dihitung secara teoritis maupun diukur secara langsung. Untuk perhitungan ketebalan secara teoritis dapat menggunakan persamaan 2-2 dan 2-3 (Quinn, 2. Keterangan: t = ketebalan laminate komposit . , mf = massa serat . g/m. Af = densitas serat . /cm. Vf = fraksi volume serat (%). Fraksi volume serat dapat dihitung berdasarkan tekanan yang diberikan pada saat manufaktur. Keterangan: K1,2 = konstanta dan P = tekanan . Kajian Eksperimental Tensile . (Kosim Abdurohman dan Aryandi Mart. Berikut daftar persamaan fraksi volume untuk beberapa material serat. Tabel 2-1: PERSAMAAN FRAKSI VOLUME UNTUK BEBERAPA SERAT (Quinn, 2. Material ketebalan komposit serat tiap lapis berbeda-beda untuk laminate serat yang berbeda dengan nilai rata-rata ketebalan tiap lapisnya 0,29 mm (Abdurohman. Persamaan E-glass . 2 Fraksi Massa dan Fraksi Volume Fraksi massa serat (W. dan matriks (W. didefinisikan sebagai berikut (Jweeg et al. , 2. strand mat E-glass chopped . strand mat E-glass roving . E-glass . Kevlar fabric . Unidirectional . Vf = 34 25. carbon cloth /-45 Carbon fibre fabric . Keterangan: wf = massa serat . , wm=massa matriks . , dan wc = wm wf = massa komposit . Untuk serat karbon yang digunakan dalam penelitian ini maka perhitungan ketebalan teoritis tiap lapis serat dapat menggunakan persamaan . sehingga persamaan 2-2 menjadi: Sedangkan fraksi volume serat (V. , dan fraksi volume matriks (V. , didefinisikan sebagai berikut (Jweeg et al. , 2. Keterangan: vf = volume serat . , vm = volume matriks . , dan vc = volume komposit . Karena dalam penelitian ini menggunakan 4 lapis serat maka total ketebalan laminate dikalikan empat menjadi 1,4 mm. Sedangkan untuk hasil pengukuran ketebalan komposit secara langsung didapat ketebalan komposit sebesar 1,146 mm. Perbedaan nilai ketebalan teoritis dan aktual ini bisa dikarenakan perbedaan jenis serat karbon yang digunakan saat penelitian dengan database serat karbon pada Tabel 2-1. Perbedaan ini juga dapat dikarenakan perhitungan secara teoritis hanya memperhitungkan ketebalan tiap lapis serat, padahal pada kenyataannya Volume fiber dan serat dapat dihitung berdasarkan perbandingan massa dan . Keterangan Af = densitas serat . /cm. , dan Am = densitas matriks . /cm. Volume komposit dapat dihitung secara aktual menggunakan densitas eksperimental Ace dan teoritis menggunakan densitas teoritis Act. Jurnal Teknologi Dirgantara Vol. 14 No. 1 Juni 2016 :61-72 . Untuk komposit yang mengandung void, fraksi volume void (V. dapat dihitung menggunakan persamaan berikut. Dari hasil manufaktur vacuum infusion diketahui fraksi massa dan fraksi volume material penyusun komposit sebagai berikut. karbon/poliester gunakan adesif. dan ditempel meng- 4 Persiapan Pelaksanaan Pengujian Dalam pengujian ini properti yang diambil adalah tensile stress, ultimate tensile strength, dan modulus elastisitas. Dari hasil pengujian juga dapat diketahui failure mode yang terjadi setelah mengalami kegagalan. Pengujian tarik dilakukan menggunakan Universal Testing Machine (UTM) tensilon RTF 2410 kapasitas 100 kN menggunakan grip hdrolik dengan mm/menit. Pengujian dilakukan pada temperatur ruang (Pegoretti et al. , 2. 24A C dan RH 54%. Tabel 2-2: FRAKSI MASSA DAN FRAKSI VOLUME Parameter Fraksi massa Fraksi Konstituen Serat Matriks Serat Matriks Void Nilai 3 Spesimen Uji Tarik Spesimen uji tarik dibuat berdasarkan Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials (ASTM) D3039 (Murugan et ,2. Spesimen uji tarik dipotong dari laminate komposit pada arah fiber . (Torabizadeh, 2. Gambar 2-8: Pemasangan spesimen pada UTM HASIL DAN PEMBAHASAN Spesimen diuji sampai mengalami failure untuk mendapatkan nilai ultimate Gambar 3-1 menunjukkan spesimen telah mengalami failure saat dilakukan uji tarik. Gambar 2-5: Spesimen uji tarik Gambar 3-1: Spesimen uji tarik telah mengalami Spesimen dibuat lima buah dengan tiga spesimen menggunakan tab dan 2 spesimen tanpa tab. Material tab Gambar 3-2 menunjukkan kurva stress-strain hasil uji tarik komposit karbon UD 00/poliester hasil vacuum infusion untuk kelima spesimen. Kajian Eksperimental Tensile . (Kosim Abdurohman dan Aryandi Mart. Gambar 3-2: Kurva stress-strain komposit karbon UD 00/poliester hasil vacuum infusion Dari kurva ini dapat diketahui nilai stress pada tiap point strain. Spesimen 1, 3, dan 4 merupakan spesimen yang menggunakan tab sedangkan spesimen 2 dan 5 tanpa menggunakan tab. Hasil pengujian menunjukkan perbedaan yang signifikan antara spesimen yang diuji menggunakan tab dengan tanpa tab. Spesimen tanpa tab menunjukkan ada area yield pada area A0,005 strain dan nilai yield strength A200 MPa. Nilai ultimate strength spesimen tanpa tab juga berbeda jauh dengan spesimen yang menggunakan tab. Spesimen tanpa tab memiliki nilai ultimate strength 500 dan 650 MPa sedangkan nilai ultimate spesimen dengan tab mencapai 1000 MPa lebih. Dari kedua grafik juga diketahui bahwa spesimen tanpa tab memiliki dua nilai modulus elastisitas yaitu modulus yield . lope antara titik nol dan titik yiel. dan post-yield modulus . lope antara titik yield dan titik failur. Hal ini berbeda dengan referensi ASTM D3039 dimana tipikal kurva stress-strain komposit berpenguat serat sintetis . lass atau karbo. seharusnya berbentuk linier tanpa yield kecuali ada titik transisi . ransition poin. seperti dapat dilihat pada Gambar 3-3. Gambar 3-3: Tipikal kurva stress-strain komposit untuk komposit (ASTM D3. Dari beberapa literatur yang dipelajari seharusnya komposit yang memiliki nilai yield adalah komposit polimer yang berpenguat serat plainweave-woven fabric atau serat anyaman. Hal ini bisa terjadi karena kemungkinan terjadi kegagalan di area yield pada serat anyaman arah 90A, baru kemudian terjadi kegagalan katastropik pada titik Jurnal Teknologi Dirgantara Vol. 14 No. 1 Juni 2016 :61-72 Gambar 3-4: Plain-weave-woven fabric (Faizal, et al. Grafik 3-2 dan 3-5 juga menunjukkan nilai strain yang lebih tinggi daripada grafik lainnya, hal ini terjadi karena pergeseran grip pada spesimen tanpa tab saat dilakukan pengujian karena grip langsung menjepit bagian spesimen uji. Spesimen hasil uji tanpa tab juga menunjukkan spesimen tidak mengalami kegagalan katastropik secara visual berbeda dengan spesimen yang menggunakan tab seperti dapat dilihat pada Gambar 3-5 dan 3-6. Hal ini terjadi karena saat spesimen menerima beban yang semakin besar sampai terjadi kegagalan pada resin di bagian grip yang mengakibatkan grip bergeser. Pada saat terjadi pergeseran ini terjadi penurunan beban yang cukup signifikan yang dibaca oleh UTM sehingga spesimen dianggap telah gagal meskipun belum terjadi kerusakan katastropik. Dari beberapa alasan ini maka dapat dikatakan hasil uji spesimen tanpa tab tidak dapat dijadikan sebagai nilai kekuatan material komposit karbon UD 00/poliester karena maksimum komposit sehingga hasil yang dapat diterima adalah spesimen yang menggunakan tab. Gambar 3-5 merupakan spesimen tanpa tab setelah dilakukan pengujian. Gambar ini secara visual menunjukkan katastropik sehingga belum merepresentasikan kekuatan materialnya. Gambar 3-6. menunjukkan tampak depan sedangkan Gambar 3-6. menunjukkan tampak samping spesimen menggunakan tab. Gambar 3-5: Spesimen tanpa tab setelah diuji tarik tidak mengalami kerusakan . Gambar 3-6: Spesimen ber-tab setelah diuji Dari Gambar 3-6 . ,b,c,. dapat dilihat terjadi kerusakan katastropik secara visual untuk spesimen menggunakan tab. Kajian Eksperimental Tensile . (Kosim Abdurohman dan Aryandi Mart. Ketiga kurva stress-strain spesimen dengan tab menunjukkan adanya vibrating katastropik (Chen, 2. Hal ini menunjukkan kerusakan yang terjadi secara bertahap untuk masing-masing bundle serat searah sampai akhirnya spesimen benar-benar tidak dapat menahan lagi beban yang diberikan dan terjadi kerusakan katastropik yang ditandai dengan turunnya nilai stress setelah mencapai titik maksimum. Dari ketiga spesimen didapat nilai tensile properties rata-rata untuk ultimate tensile strength 1011,67 MPa dan modulus elastisitas 59074,96 MPa. Pada masingmasing spesimen memiliki nilai ultimate tensile strength berbeda-beda sebesar 1060 MPa pada spesimen 1, 1070 MPa pada spesimen 2, dan 906 MPa pada Hal ini dapat terjadi karena adanya residual stress yang berbeda pada masing-masing spesimen akibat proses preparasi sampel. Proses preparasi sampel uji dilakukan secara manual menggunakan gergaji tangan tanpa conditioning sehingga sangat memungkinkan terjadinya residual stress. Sedangkan untuk total kelima spesimen memiliki nilai rata-rata untuk maximum tensile strength 842,17A245,56 MPa dan modulus elastisitas 51836,61A11480,69 MPa. Untuk menentukan jenis kerusakan yang terjadi secara visual dapat menggunakan acuan dari ASTM D3039 . abel 3-1 sampai 3-. Gambar 3-7: Beberapa tipe failure modes pada uji tarik komposit (ASTM D3039. Tabel 3-1: KODE UNTUK KARAKTERISTIK PERTAMA DARI FAILURE MODE Failure Type Angled Edge Delamination Grip/tab Lateral Multi-mode Long Spliting Explosive Other Code M . Tabel 3-2: KODE UNTUK KARAKTERISTIK KEDUA DARI FAILURE MODE Failure Type Inside grip/tab At grip/tab