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