Transcript
7/25/2019 Komposit Open Mould
1/15
TUGAS MATA KULIAH PILIHAN MATERIAL KOMPOSIT
RINGKASAN MODUL OPEN MOULD
Disusun oleh:
Dena Prestia Hallatu 1206202141
Hanifia Wulandari 1206221033
Paramitha Dona Fitria S. 1206263383
Ratri Kirana Prabaningtyas 1206250090
UNIVERSITAS INDONESIA
DEPOK
2015
7/25/2019 Komposit Open Mould
2/15
OPEN MOULD PROCESSES
Komposit adalah suatu material yang terdiri dari campuran atau kombinasi dua atau
lebih material baik secara mikro atau makro, dimana sifat material yang tersebut berbeda
bentuk dan komposisi kimia dari zat asalnya (Smith, 1996). Secara garis besar terdapat dua
kategori metode pembuatan komposit yaitu Open Mould Process (Cetakan Terbuka) dan
Closed Mould Process (Cetakan Tertutup). Pada ringkasan ini, akan dijelaskan lebih lanjut
terkait jenis-jenis dari Open-Mould Processyang dipaparkan pada Handbook of Composite
Fabrication.
Pada open mould process cetakan yang digunakan hanya satu. Terdapat dua jenis
bentuk cetakan yaitu cetakan positif (male plug) dan negatif (female cavity).
Gambar 1. Tipe open mould (a) Positif (b) Negatif
Metode open mould memiliki beberapa kelebihan, yaitu :
1.
Hanya memerlukan satu cetakan sehingga biaya lebih murah
2. Dapat memproduksi struktur yang kompleks
3. Dapat memproduksi produk dalam ukuran besar
4. Material penyusun cetakan yang harganya murah (contoh : besi, plaster, kayu, fiber
reinforced composites)
Metode open mould memiliki beberapa kelemahan, yaitu :
1. Hanya satu permukaan yang tercetak halus (permukaan lain tidak berkontakan dengan
cetakan)
2. Kualitas hasil cetakan tergantung kemampuan pekerja (sudah banyak diatasi dengan
pemanfaatan mesin pencetak otomatis)
3. Periode curing yang lebih lama
Berdasarkan metode pencetakan resin dan reinforcement serta berdasarkan jenis
metode curing, proses opern mould diklasifikasikan sebagai berikut :
1. Wet lay-up processes
a
Hand lay-up
7/25/2019 Komposit Open Mould
3/15
Merupakan metode open-mould paling tua dimana lapisan resin dan
reinforcement dicetak secara manual satu per satu sampai mencapai ketebalan
komposit yang diinginkan.
Cocok untuk digunakan untuk membenruk komponen yang sangat besarnamun dengan kuantitas produksi yang rendah. Umumnya digunakan untuk
membuat tangki kontainer besar, properti panggung, kolam renang, panel,
serta aksesori otomotif.
Keuntungan dari laju produksi rendah pada metode hand lay-up :
o Fleksibilitas dari desain cetakan
o Material cetakan yang lebih murah
o Ukuran cetakan yang tidak terbatas
o Biaya peralatan produksi lain yang lebih murah
o Kemudahan perbaikan bagian yang rusak atau cacat selama periode
produksi
o Cocok untuk pembentukan bagian kompleks karena kemudahan
penggantian desain
Pada dasarnya tahapan proses hand lay-up sama dengan metode open mould
lainnya, hanya berbeda di bagian laying-up dan curing. Tahap-tahap dari
proses hand lay-up diantaranya :
1) Pembersihan permukaan cetakan dan pengaplikasian releasing agent
agar pengambilan komposit setelah dicetak lebih mudah.
2) Pelapisan thin gel coating (yang biasanya berpigmen) di bagian luar
dari cetakan menggunakan spray gun.
3) Setelah gel coat kering, resin dan serat diaplikasikan secara manual
ke cetakan lapisan per lapisan. Setiap lapisan yang diaplikasikan
kemudian di rolling dengan roller untuk memastikan bahwa resin
meng-impregnasi serat dan menghilangkan udara yang masih
terperangkap.
4) Dilakukan proses curing untuk memadatkan laminat yang terbentuk.
5) Komponen diambil dari cetakan lalu dilakukan trimming dan
finishing.
7/25/2019 Komposit Open Mould
4/15
Gambar 2. Tahapan proses lay-up
Bentuk-bentuk reinforcement serat yang dapat digunakan pada proses hand
lay-up :
o Chopped strand mats
o Woven roving
o Woven yarns
o
Cloths
Resin biasanya dikatalisasi dengan hardener dan akselerator. Terdapat dua
metode pengaplikasian katalis resin untuk membasahi lapisan serat :
o Brush (Umum dipakai di industri kecil)
o Spray gun dengan pumping system (Untuk pembentukan resin mix
yang lebih cepat dan konsisten)
Material yang digunakan untuk penyusun cetakan pada metode hand lay-up :
o
Logam (produksi kuantitas sangat tinggi, ukuran besar, durabilitas dan
konduktivitas termal yang tinggi)
o Glass fibre reinforced plastics (produksi kuantitas menengah)
o Plaster of paris (produksi kuantitas rendah)
b Automative lay-up
Automasi pada proses lay-up biasanya dilakukan dengan mempercepat proses
laminasi (tahap 3). Perbedaan proses ini dan proses manual terletak pada mesin
tape-laying otomatis. Serat chopped strands, woven roving, dan yarn atau prepreg
7/25/2019 Komposit Open Mould
5/15
tapes yang keseluruhnya berbentuk roll diletakkan di alat lalu dikeluarkan melalui
resin matrix berkatalis untuk dilakukan proses wetting serat untuk kemudian
dilewatkan melalui roller.
Biasanya mesin tape-laying otomatis digunakan untuk pembentukan komposit
berukuran besar dengan geometri yang sederhana, contohnya untuk industri
manufaktur komponen badan pesawat.
Beberapa faktor yang mempengaruhi laju mesin tape-laying otomatis
diantaranya :
o Ketebalan laminat
o Keeratan dari woven forms
o Tipe resin untuk impregnasi serat
Kelebihan penggunaan alat tape-laying otomatis
o Pengontrolan rasio serat./resin yang lebih efisien
o Kualitas produk yang lebih konsisten
o Mengurangi biaya pekerja
Kekurangan penggunaan alat tape-laying otomatis :
o Pengontrolan dengan komputer sehingga membutuhkan waktu untuk
diprogram
c Spray-up
Alternatif dari langkah ketiga pada proses open mould wet lay-up. Ini
membantu untuk automasi aplikasi resin matriks dan penguatan lembaran
serat, sehingga mereduksi waktu yang dibutuhkan pada prosedur lay-up
manual.
Gambar 3. Metodespray-up
7/25/2019 Komposit Open Mould
6/15
Cacahan serat dan resin matriks cari di spray ke permukaan cetakan
terbuka hingga ketebalan yang diinginkan pada laminasi komposit.
Peralatan yang biasanya digunakan adalahspray gun,glass fibre chopper,
dan sistem pompa. Serat pendek yang telag dipotong dengan chopperdanresin matriks dialirkan melaluispray gun nozzle. Pada campuran tipe ini,
serat akan memiliki orientasi yang tidak teratur dimana pada proses hand
lay-upserat-serat akan terorientasi.
Pada manufaktur komposit biasanya menggunakan empat tipe :
o Airless internal mix
Airless internal mixadalah tipe spray gundengan resin matriks dan
katalis mulanya mengalir pada dua aliran yang terpisah ke satu aliran
pada gun head. Selanjutnya resin dan katalis tercampur dan dispray ke
cetakan melalui gun nozzle. Keuntungan dari tipe ini adalah
menghasilkan kualitas produk lebih baik karena resin dan katalis
tercampur dengan baik, serta mengurangi overspraysehingga jumlah
resin yang terbuang juga berkurang. Kekurangan dari metode ini
adalah membutuhkan solvent untuk membersihkan peralatan ketika
produksi mengalami gangguan.
o Internal (Spray Gun) and External mix with air
Ketika udara diinjeksi ke aliran resin atau katalis pada spray gun,
sehingga opersi dapat berjalan lebih simpel. Sedangkan
kelemahannya adalah banyak mengalami overspray, berasap,
penyerapan yang tinggi, dll.
Setelah campuran antara resin dan cacahan serat melalui spray gun ke
permukaan cetakan terbuka, rolling dibutuhkan untuk merapatkan
laminasi seperti pada hand lay-up. Biasanya, manufaktur
menggunakan hand rollers yang cocok untuk bagian kecil atau
automated rolling yang cocok untuk bagian lebih besar dengan
permukaan flat.
o Airless external mix
Airless external mix, dimana resin dan katalis dicampur pada mid-air,
tidak pada ruang tertutup. Pada metode kali ini, spray satu atau dua
gun headyang terpisah dapat digunakan. Sehingga menjadi kelebihan
7/25/2019 Komposit Open Mould
7/15
dimana tidak membutuhkan solvent sebagai sistem flushing dan
operasi tidak begitu kompleks. Solvent dibutuhkan hanya ketika
pembersihan alat setelah periode manufaktur yang lama. Kelemahan
dari metode kali ini adalah tidak dapat mencampur resin dan katalis
sebaik internal mix, sehingga efisiensi penggunaan katalis dan
oversprayjuga menurun.
Perbedaan antaraspray-updan hand lay-upadalah kekuatan produk yang
dihasilkan. Pada metodehand lay-up akan dihasilkan produk yang lebih
kuat karena serat pendek akan menyatu hingga lurus. Selain itu, hand lay-
updapat memproses serat hingga 65-70%, sedangkan spray-uphanya 30-
35%
Spray-up lebih cepat diproses, membutuhkan lebih sedikit tenaga kerja,
simpel, lebih murah, dan peralatannya lebih banyak digunakan bila
dibandingkan metode hand lay-up.
d Automation in spray-up
Pada proses spray-up, operator melakukan spray dengan manual ke permukaan
cetakan terbuka dengan menggunakan spray gun portable. Namun, terbatasnya
operator yang kompeten untuk melakukan proses spray-up, komponen yang
dihasilkan akan lebih berat dan memiliki kualitas yang kurang. Sehingga mucul
metode otomatisspray-upuntuk mencegah dapatspray-upsecara manual.
Spray-up secara otomatis dilakukan oleh mesin komputer atau robot, sehingga
mengurangi jumlah tenaga kerja dan menghasilkan konsistensi dan kualitas yang
lebih baik dibandingkanspray-upmanual. Selain itu,spray-upsecara otomatis juga
ramah lingkungan dan dapat mencegah kecelakaan yang diakibatkan tenaga kerja.
2.
Bag Moulding dan Curing Process
Tujuan utama dari proses bag moulding adalah untuk memampatkan proses laminasi
pada bagian permukaan cetakan terbuka. Terdapat dua proses bag moulding yaitu vacuum
bag moulding danpressure bag moulding.
7/25/2019 Komposit Open Mould
8/15
Gambar 4.(a) vacuum bag moulding(b)pressure bag moulding
a Vacuum Bag Moulding
Pada vacuum bag moulding komponen yang akan dilaminasi dilapisi oleh
polymetric sheet. Sifatpolymetric sheet adalah fleksibel dan tidak mudah lengket,
yang biasa digunakan sebagai polymetric shee tadalah polyvinyl alcohol atau
nylon.
Seluruh bagian plastic atau bag yang melapisi cetakan di rekatkan dengan bantuan
seal untuk mencegah adanya udara masuk. Dengan menggunakan vakum tekanan
dalamplastic bag dimampatkan.
Penggunaan vacuum bag moulding memberikan sifat penguat yang lebih tinggi dan
memiliki gaya adhesi yang baik antara setiap materialnya. Apabila dibandingkan
dengan pressure bag moulding, tekanan dengan menggunakan vacuum bag
moulding terbatas hanya hingga 98 kPa.
b Pressure Bag Moulding
Yang membedakan vacuum bag moulding dengan pressure bag moulding adalah
tekanan yang diaplikasikannya. Pada proses pressure bag moulding tekanan udara
dialirkan untuk memompa elastomer bag yang melapisi permukaan cetakan.Dengan menggunakan pressure bag moulding tekanan yang bisa diaplikasikan
mencapai 300 kPa.Pressure bag moulding cocok digunakan untuk komponen yang
kompleks.
c Curing
Proses curing adalah proses pengerasan resin, dimana fase liquid ataubentuk
viscous dari resin akan bertransformasi menjadibentuk yang lebih keras dan kaku
sebagai akibat adanya cross linking dari struktur polytmetricnya.
7/25/2019 Komposit Open Mould
9/15
Waktu, tekanan dan suhu merupakan parameter utama yang mempengaruhi cross
linking pada proses curing. Untuk resin yang bersifat termosetting proses curing
dapat dilakukan pada suhu ruang. Penambahan panas pada proses curing akan
mempercepat waktu curing itu sendiri.
Ada beberapa teknik yang dapat digunakan dalam proses curing antara lain adalah
oven curing, infrared curing dan autoclave curing. Pada proses oven curing panas
diaplikasikan pada suhu control tertentu. Tipe vacuum curing oven yaitu vessel
dengan panas konveksi adalah logam besar, insulasi panas, sirkulasi udara pada
bagian pintu di awal atau diakhir. Pemanasan dengan infrared merupakan
penggunaan khusus untuk cetakan terbuka yang besar dan tidak dapat dilakukan
dalam oven. Pada proses autoclave curing, panas diberikan pada ruang tertutup
berada dibawah suhu dan tekanan kontrol. Autcolave merupakan vessel bertekanan
dengan logam silinder dengan udara atau CO2. Autoclave terinsulasi secara panas
dengan sirkulasi udara panas dan pintu sirkular yang besar.
3. Autoclave moulding process
Autoclavecure system
Autoclave moulding process biasanya digunakan pada industri pesawat terbang,
manufaktur bagian komposit, vulkanisasi produk karet. Sistem autoclave adalah vessel
bertekanan dimana reaksi kimia kompleks terjadi didalamnya sesuai dengan jadwal yang
ditentukan (siklus curing) untuk memproses beberapa material. Untuk pengembangan
material dan proses, kondisi operasi autoclave berada pada 700 C dan 15 Mpa. Material
yang diproses pada autoclave termasuk ikatan adesif logam, laminasi termoplastik, logam,
keramik, dan material matriks karbon, seperti komponen pada pesawat terbang dan
elektronik. Sistem autoclavedigambarkan sebagai berikut :
Gambar 5.SistemAutoclave
7/25/2019 Komposit Open Mould
10/15
Elemen yang penting pada sebuah sistem autoclaveadalah bejana bertekanan, sumber
panas, kipas untuk sirkulasi gas dalam bejana, sistem untuk menekan bejana, sistem untuk
memberi vakum pada bagian yang ditutupi dengan vacuum bag, sistem untuk mengatur
parameter operasi, dan sistem untuk mengangkat cetakan ke autoclave.
Autoclave biasanya ditekan dengan nitrogen dan karbon dioksida dari tanki
penyimpan cairan dan diuapkan sebelum digunakan. Autoclave ditekan dengan plant air
sebelumnya, namun hal ini memiliki risiko timbulnya api. Sehingga, saat ini autoclave
ditekan dengan udara dan nitrogen karena pertimbangan aspek ekonomi. Autoclavedidesain
dan fabrikasi mengacu padaAmerican Society of Mechanical Engineers(ASME).Autoclave
dipanaskan melalui heat exchanger atau sistem pemanasan elektrik. Pada sistem kontrol,
digunakan pengaturan otomatis melalui komputer dan manual sebagai back up. Dengan
sistem kontrol melalui komputer pada produksi, autoclave menghasilkan siklus cure lebih
baik dan optimum.
Analisis Proses
Gambar 6.Perbandingan kelebihan matrix untuk autoclave moulding dan contoh pengaplikasiannya
Starting mterial untuk autoclave moulding adalah prepreg yang mengandung serat
dalam resin stage B.. Standar kandungan serta pada produk hasil curing adalah sekitar 60%
volume, dengan sudah mengasumsikan 10% wt resin loss terjadi selama pencetakan. Resin
loss ini terjadi karena terjadi flowing out excess resin dari prepreg yang sebenarnya
memberikan manfaat untuk menghilangkan udara terperangkap, komponen volatil, dan residu
solvent sehingga mengurangi jumlah ruang kosong (void content) pada lapisan yang
terbentuk.
Proses Lay-Up
7/25/2019 Komposit Open Mould
11/15
Dilakukan pada ruangan yang bersih, dengan beberapa kelas kebersihan
berdasarkan parameter jumlah partikel maksimum yang terkandung (umumnya
digunakan kelas 100.000 atau 400.000), temperatur, dan kelembaban (humidity).
Untuk produksi komponen penerbangan kualitas tinggi, biasanya digunakan vacuumbag lay up.
Gambar 7. Vacuum bag lay-up
Pada vacuum bag lay up material prepreg diambil dari freezer setelah itu dipotong
dalam bentuk lapisan untuk dicetak menjadi bentuk, ukuran, dan orientasi yang
diinginkan dan di layer dengan lapisan dari material lain dalam vacuum bag. Masing-
masing layer dan kegunaannya dijelaskan pada tabel X.X.
Gambar 8. Jenis material vacuum bag yang umum
Proses Curing
Setelah penyusunan vacuum bag selesai, lay-up dimasukkan ke dalam autoklaf untuk
kemudian dilakukan siklus curing secara otomatis.
Siklus curing :
7/25/2019 Komposit Open Mould
12/15
Gambar 9.Siklus two-stage cure yang umum pada prepreg serat carbon/epoksi
o
Penaikkan temperatur autoklaf sampai 125oC lalu didiamkan selama 60
menit (dwelling) sampai viskositas minimum resin tercapai dengan pemberian
tekanan pada prepreg stack agar excess resin keluar ke bleeder plies.
o Setelah proses dwelling selesai temperatur autoklaf meningkat ke temperatur
curing lalu didiamkan lagi sampai 2 jam atau lebih sampai level curing yang
ditentukan. Viskositas resin meningkat secara cepat (gels) selama proses
curing (cross-linking) terjadi sampai selesai.
o
Laminat dikeluarkan dari vacuum bag.
o Dilakukan post-curing pada temperatur yang lebih tinggi di air-circulated
oven (opsional)
Terdapat dua jenis proses bleeding resin, yaitu :
Edge bleeding : Mengalirnya resin melalui bagian ujung laminat dibawah
pemanasan dan tekanan.
Face bleeding : Mengalirnya resin melalui permukaan atas atau bawah
laminat.Face bleeding lebih efektif karena jarak alirannya lebih pendek sehingga
penghilangan udara dan volatil dari bagian tengah lapisan lebih mudah dan waktu
yang dibutuhkan sebelum terjadinya gelation lebih cepat.
Temperatur maximum pada lay-up (layer prepreg di vacuum bag) dipengaruhi oleh :
Temperatur maximum curing
Heating rate
Initial lay-up thickness
Laju alir excess resin di lay-up dipengaruhi oleh :
7/25/2019 Komposit Open Mould
13/15
Tekanan maximum
Lay-up thickness
Pressure application rate
Temperatur dan tekanan curing ditentukan dengan persyaratan :
Resin harus ter-curing secara menyeluruh
Dapat mencapai degree of cure yang telah ditentukan dalam waktu sesingkat
mungkin.
Temperatur di seluruh lokasi pada prepreg saat curing tidak melebihi batasan.
Tekanan curing dapat mengeluarkan seluruh excess resin dari tiap lapisan
sebelum resin mengalami gelation di seluruh lokasi pada prepreg.
Beberapa kecacatan lapisan hasil autoclave-moulding yang dapat terjadi :
Adanya voids (void content)
Curing yang tidak merata (Improper cure)
Gap satu layer dan anter layer yang terlalu besar (Filament gap pada satu layer
tidak boleh lebih dari 0,76 mm dan jarak antara gap tidak boleh lebih dari 38
mm)
Filament crossover
Kerusakan filamen
Impregnasi oleh material luar
Moisture pick-up
Perkembangan Cure Cycle dan Quality Control
Beberapa uji yang dilakukan sebelum curing :
1. Uji mekanis pada suatu panel
Tensile test
Flexure test
Short beam shear test
2.
Uji kandungan dan pengaliran resin
Resin content
Resin flow
Volatile content
3. Uji kimia
HPLC
Thermogravimetric analysis (TGA)
7/25/2019 Komposit Open Mould
14/15
Differential scanning calorimetry (DSC)
Rheology
IR spectroscopy
Informasi yang diindikasikan dari uji sebelum curing :
Karakterisasi sifat-sifat material sistem resin
Penentuan stage resin (apakah sudah sampai tahap minimal proses curing)
Rasio reaktan dan produk
Temperatur batasan perubahan fasa untuk komponen volatil
Viskositas
Pencocokan jenis material yang dikirim oleh supplier dan yang dipesan
Beberapa metode uji non- destruktif (NDI) yang dilakukan untuk memastikan kualitas
laminat setelah proses curing (quality control) :
1.
Metode ultrasonik (untuk bagian komposit)
Transmisi
Pulse echo
2.
Metode thermographic dan tomographic (untuk bagian yang lapisannya
berkontur, kompleks, dan bagian-bagian penting seperti baling-baling
helikopter)
3.
X-ray (untuk sandwichstructure - struktur dengan banyak lapisan)
Tooling
Untuk memberikan konfigurasi kontur setelah proses curing dan perpindahan panas
ke bagian lay-up. Tools biasanya dibuat dari material berikut
Gambar 10. Sifat material penyusun tool
CTE dari tool sebisa mungkin disamakan dengan CTE bagian yang di tooling. Untuk
bagian berbahan komposit biasanya tool terbuat dari baja atau high temperature
carbon-epoxy, untuk bagian berukuran kecil biasanya digunakan tool dari alumunium
atau plat baja, untuk bagian berukuran besar atau yang lebih kompleks biasanya
digunakan electroless nickel-plated tools atau high-temperature epoxy dengan
reinforcement carbon.
7/25/2019 Komposit Open Mould
15/15
Tool dapat tersusun dari fitur tambahan seperti inserts, stops, atau guides untuk
membantu konstruksi. Contoh dari fitur tambahan adaah static parts (vacuum
transducer) untuk menghitung vacuum yang diberikan ke vacuum bag.
Tooling biasanya dipanaskan di dalam autoklaf secara konveksi oleh udara, namundapat juga menggunakan oven atau pemanas yang dipanaskan oleh listrik.
top related