Teknologi Material Komposit

Perkembangan teknologi material telah melahirkan suatu material jenis baru yang dibangun secara bertumpuk dari beberapa lapisan. Material ini lah yang disebut material komposit. Material komposit terdiri dari lebih dari satu tipe material dan dirancang untuk mendapatkan kombinasi karakteristik terbaik dari setiap komponen penyusunnya. Pada dasarnya, komposit dapat didefinisikan sebagai campuran makroskopik dari serat dan matriks. Serat merupakan material yang (umumnya) jauh lebih kuat dari matriks dan berfungsi memberikan kekuatan tarik. Sedangkan matriks berfungsi untuk melindungi serat dari efek lingkungan dan kerusakan akibat benturan.

Serat kaca (glass fibre) adalah material yang umum digunakan sebagai serat. Namun, teknologi komposit saat ini telah banyak menggunakan karbon murni sebagai serat. Serat karbon memiliki kekuatan yang jauh lebih baik dibanding serat kaca tetapi biaya produksinya juga lebih mahal. Komposit dari serat karbon memiliki sifat ringan dan juga kuat. Komposit jenis ini banyak digunakan untuk struktur pesawat terbang, alat-alat olahraga, dan terus meningkat digunakan sebagai pengganti tulang yang rusak.

Selain serat kaca, polimer yang biasanya menjadi matriks juga dapat dipakai sebagai serat atau penguat. Contohnya, kevlar merupakan serat polimer yang sangat kuat dan dapat meningkatkan toughness dari material komposit. Kevlar dapat digunakan sebagai serat dari produk komposit untuk struktur ringan yang handal, misalnya bagian kritis dari struktur pesawat terbang. Sebenarnya, material komposit bukanlah pengguaan asli dari kevlar. Kevlar dikembangkan untuk pengganti baja pada ban radial dan untuk membuat rompi atau helm antipeluru.

Sedangkan untuk matriks, kebanyakan material komposit modern menggunakan plastik thermosetting, yang biasanya disebut resin. Plastik adalah polimer yang mengikat serat dan membantu menentukan sifat fisik dari material komposit yang dihasilkan. Plastik termosetting berwujud cair teteapi akan mengeras dan menjadi rigid ketika dipanaskan. Plastik ini memiliki tahanan terhadap serangan zat kimia yang baik meskipun berada pada lingkungan ekstrim.

Untuk tujuan khusus, digunakan matriks dari keramik, karbon dan logam. Contohnya, keramik digunakan untuk material komposit yang didesain bekerja pada temperatur sangat tinggi dan karbon digunakan untuk produk yang menerima gaya gesek seperti bearing dan gir.

Pada material komposit dikenal istilah lamina dan laminate. Lamina adalah satu lembar komposit dengan satu arah serat tertentu, sedangkan laminate adalah gabungan beberapa lamina. Laminate dibuat dengan cara memasukkan pre-preg lamina ke dalam autoclave selama selang waktu tertentu dan dengan tekanan serta temperatur tertentu pula. Auroclave adalah suatu alat semacam oven bertekanan untuk menggabungkan lamina.

Dibanding dengan material konvensional keunggulan komposit antara lain yaitu memiliki kekuatan yang dapat diatur (tailorability), tahanan lelah (fatigue resistance) yang baik, tahan korosi, dan memiliki kekuatan jenis (rasio kekuatan terhadap berat jenis) yang tinggi.

Manfaat utama dari penggunaan komposit adalam mendapatkan kombinasi sifat kekuatan serta kekakuan tinggi dan berat jenis yang ringan. Dengan memilih kombinasi material serat dan matriks yang tepat, kita dapat membuat suatu material komposit dengan sifat yang tepat sama dengan kebutuhan sifat untuk suatu struktur tertentu dan tujuan tertentu pula.

Penerbangan modern, baik sipil maupun militer, adalah contoh utamanya. Keduanya akan menjadi sangat tidak efisien tanpa adanya material komposit. Material komposit canggih kini telah umum digunakan pada bagian sayap dan ekor, propeller, bilah rotor, dan juga struktur internal pesawat terbang. Selain aplikasi di industri dirgantara, dewasa ini material komposit telah banyak juga digunakan untuk badan mobil F1, alat-alat olahraga, struktur kapal dan industri migas.

Hambatan dalam aplikasi material komposit umumnya adalah soal biaya. Meskipun sering kali proses manufaktur material komposit lebih efisien, namun material mentahnya masih terlalu mahal. Material komposit masih belum bisa secara total menggantikan material konvensional seperti baja, tetapi dalam beberapa kasus kita memiki kebutuhan akan hal itu. Tidak diragukan, dengan teknologi yang terus berkembang, pengunaan baru dari material komposit akan bermunculan. Kita belum melihat semua yang material komposit dapat lakukan.

RRA: Solusi Atasi Stress Corrosion Cracking

Aluminium adalah material yang banyak sekali digunakan untuk konstruksi, mulai dari sepeda, otomotif, kapal laut hingga pesawat udara. Keunggulan material aluminium adalah berat jenisnya yang ringan dan kekuatannya yang dapat ditingkatkan sesuai dengan kebutuhan. Kekuatan aluminium biasanya ditingkatkan dengan cara paduan (alloying) dan memberi perlakuan panas (heat treatment).

Kebanyakan material aluminium ditingkatkan kekuatannya dengan suatu mekanisme penguatan bahan logam yang disebut precipitation hardening. Dalam precipitation hardening harus ada dua fasa, yaitu fasa yang jumlahnya lebih banyak disebut matriks dan fasa yang jumlahnya lebih sedikit disebut precipitate.Mekanisme penguatan ini meliputi tiga tahapan, yaitu solid solution treatment: memanaskan hingga diatas garis solvus untuk mendapatkan fasa larutan padat yang homogen, quenching: didingan dengan cepat untuk mempertahankan struktur mikro fasa padat homogen agar tidak terjadi difusi, dan aging: dipanaskan dengan temperatur tidak terlalu tinggi agar terjadi difusi fasa alpha pada jarak pendek membentuk precipitate.

Paduan aluminium kekuatan tinggi seperti Al-7075, 7050, dan 2024 yang banyak dipakai pada struktur pesawat terbang memiliki kekurangan dan keterbatasan, khususnya pada kombinasi kekuatan dan tahanan retaknya. Al-7075 memiliki tahan yang buruk terhadap korosi jenis exfoliation dan stress-corrosion-cracking (SCC), khususnya jika mengalami perlakuan panas T6. SCC adalah retak merambat yang terjadi pada lingkungan korosif karena adanya tegangan. Pada Al-7075, tahanan terhadap SCC dapat ditingkatkan melalui overaging misalnya dengan memeberi perlakuan panas T73. Perlakuan panas T73 merupakan perlakuan panas dengan two stage aging, yaitu pada temperatur konstan 121 derajat celcius dan konstan 171 derajat celcius. Namun, pemberian perlakuan panas T73 dapat menurunkan kekuatan hingga 10-15 % dari kekuatan maksimum yang dapat dicapai melalui perlakuan panas T6.

Solusi untuk meningkatkan tahanan SCC dan tahanan retak (fracture toughness) dengan tetap mempertahankan kekuatan dari perlakuan panas T6 adalah dengan menerapkan Retrogression dan reaging (RRA). RRA adalah suatu cara baru perlakuan panas (heat treatment) yang diterapkan pada paduan aluminium yang mengalami precipitation hardening . RRA ini dapat dilakukan pada paduan aluminium kekuatan tinggi seri 7xxx (dengan bahan paduan Al-Mg-Zn-Cu ). Melalui RRA maka akan didapatkan paduan aluminium dengan kekuatan pada perlakuan panas T6 dan tahanan SCC sebagaimana perlakuan panas T73.

Retrogression and Reaging dapat dilakukan dengan tahap-tahap berikut :
1. Solution heat treatmment pada suhu 470°C
2. Quenching pada temperatur ruang
3. Artificial aging selama 24 jam pada temperatur 120°C
4. Retrogression, yaitu pemanasan singkat (sekitar 40 menit) pada temperatu tinggi (200-280 °C)
5. Quenching , kemudian Re-aging seperti pada T6, yaitu dengan temperatur 120°C selama 24 jam
Langkah 1 s.d. 3 adalah tahapan pada perlakuan panas T6.

Prosedur diatas menunjukkan bahwa material yang dihasilkan memiliki sifat kekutan tarik dan tahanan retak material sama dengan hasil perlakuan panas T6 namun dengan tahanan stress-corrosion-cracking yang meningkat.

Namun demikian, RRA tidak hanya meningkatkan kekuatan material, tetapi konduktivitas elektrik material juga meningkat seiring bertambahnya waktu retrogression. Hasil eksprerimen menunjukkan konduktivitas elektrik meningkat secara proporsional terhadap tahanan SCC ketika dilakukan aging seperti pada perlakuan panas T6.

RRA heat treatment saat ini dipakai dalam pengembangan beberapa paduan aluminium, antara lain adalah seri 7150 dan 7055. Kedua paduan ini memiliki banyak aplikasi pada struktur pesawat udara. Contohnya adalah struktur upper wing Boeing-777 yang dibuat dari lempengan aluminium 7055-T7751 dan ekstrusi T77511.

Non destrtructive testing (NDT)

Non destrtructive testing (NDT) adalah aktivitas tes atau inspeksi terhadap suatu benda untuk mengetahui adanya cacat, retak, atau discontinuity lain tanpa merusak benda yang kita tes atau inspeksi. Pada dasarnya, tes ini dilakukan untuk menjamin bahwa material yang kita gunakan masih aman dan belum melewati damage tolerance. Material pesawat diusahakan semaksimal mungkin tidak mengalami kegagalan (failure) selama masa penggunaannya.NDT dilakukan paling tidak sebanyak dua kali. Pertama, selama dan diakhir proses fabrikasi, untuk menentukan suatu komponen dapat diterima setelah melalui tahap-tahap fabrikasi. NDT ini dijadikan sebagai bagian dari kendali mutu komponen. Kedua, NDT dilakukan setelah komponen digunakan dalam jangka waktu tertentu. Tujuannya adalah menemukan kegagalan parsial sebelum melampaui damage tolerance-nya.

Metode utama Non Destructive Testing meliputi:

Visual Inspection

Sering kali metode ini merupakan langkah yang pertama kali diambil dalam NDT. Metode ini bertujuan menemukan cacat atau retak permukaan dan korosi. Dalam hal ini tentu saja adalah retak yang dapat terlihat oleh mata telanjang atau dengan bantuan lensa pembesar ataupun boroskop.

 

 Visual inspection dengan boroskop

Liquid Penetrant Test

Metode Liquid Penetrant Test merupakan metode NDT yang paling sederhana. Metode ini digunakan untuk menemukan cacat di permukaan terbuka dari komponen solid, baik logam maupun non logam, seperti keramik dan plastik fiber. Melalui metode ini, cacat pada material akan terlihat lebih jelas. Caranya adalah dengan memberikan cairan berwarna terang pada permukaan yang diinspeksi. Cairan ini harus memiliki daya penetrasi yang baik dan viskousitas yang rendah agar dapat masuk pada cacat dipermukaan material. Selanjutnya, penetrant yang tersisa di permukaan material disingkirkan. Cacat akan nampak jelas jika perbedaan warna penetrant dengan latar belakang cukup kontras. Seusai inspeksi, penetrant yang tertinggal dibersihkan dengan penerapan developer.

 

Kelemahan dari metode ini antara lain adalah bahwa metode ini hanya bisa diterapkan pada permukaan terbuka. Metode ini tidak dapat diterapkan pada komponen dengan permukaan kasar, berpelapis, atau berpori.

Magnetic Particle Inspection

Dengan menggunakan metode ini, cacat permukaan (surface) dan bawah permukaan (subsurface) suatu komponen dari bahan ferromagnetik dapat diketahui. Prinsipnya adalah dengan memagnetisasi bahan yang akan diuji. Adanya cacat yang tegak lurus arah medan magnet akan menyebabkan kebocoran medan magnet. Kebocoran medan magnet ini mengindikasikan adanya cacat pada material. Cara yang digunakan untuk memdeteksi adanya kebocoran medan magnet adalah dengan menaburkan partikel magnetik dipermukaan. Partikel-partikel tersebuat akan berkumpul pada daerah kebocoran medan magnet.

Kelemahannya, metode ini hanya bisa diterapkan untuk material ferromagnetik. Selain itu, medan magnet yang dibangkitkan harus tegak lurus atau memotong daerah retak serta diperlukan demagnetisasi di akhir inspeksi.

Eddy Current Test

Inspeksi ini memanfaatkan prinsip elektromagnet. Prinsipnya, arus listrik dialirkan pada kumparan untuk membangkitkan medan magnet didalamnya. Jika medan magnet ini dikenakan pada benda logam yang akan diinspeksi, maka akan terbangkit arus Eddy. Arus Eddy kemudian menginduksi adanya medan magnet. Medan magnet pada benda akan berinteraksi dengan medan magnet pada kumparan dan mengubah impedansi bila ada cacat.

 

Keterbatasan dari metode ini yaitu hanya dapat diterapkan pada permukaan yang dapat dijangkau. Selain itu metode ini juga hanya diterapkan pada bahan logam saja.

Ultrasonic Inspection

Prinsip yang digunakan adalah prinsip gelombang suara. Gelombang suara yang dirambatkan pada spesimen uji dan sinyal yang ditransmisi atau dipantulkan diamati dan interpretasikan. Gelombang ultrasonic yang digunakan memiliki frekuensi 0.5 – 20 MHz. Gelombang suara akan terpengaruh jika ada void, retak, atau delaminasi pada material. Gelombang ultrasinic ini dibnagkitkan oleh tranducer dari bahan piezoelektri yang dapat menubah energi listrik menjadi energi getaran mekanik kemudian menjadi energi listrik lagi.

 

Radiographic Inspection

Metode NDT ini dapat untuk menemukan cacat pada material dengan menggunakan sinar X dan sinar gamma. Prinsipnya, sinar X dipancarkan menembus material yang diperiksa. Saat menembus objek, sebagian sinar akan diserap sehingga intensitasnya berkurang. Intensitas akhir kemudaian direkam pada film yang sensitif. Jika ada cacat pada material maka intensitas yang terekam pada film tentu akan bervariasi. Hasil rekaman pada film ini lah yang akan memeprlihatkan bagian material yang mengalami cacat.

Diffusion Bonding and Super Plastic Forming

Diffusion bonding adalah suatu mekanisme penyambungan logam maupun paduan logam pada keadaan padat untuk mendapatkan ikatan pada tingkat atomik. Ikatan yang terbentuk ini merupakan hasil dari bersatunya kedua permukaan yang terjadi karena ada deformasi plastis lokal pada temperatur tinggi. Deformasi plastis ini memicu interdifusi di lapisan permukaan dari kedua material yang digabungkan.

Mekanisme dari diffusion bonding :

(a) Terbentuk titik kontak awal antara kedua bahan.

(b) Terjadi deformasi plastis lokal dan creep, memicu berkurangnya rongga.

(c) Deformasi dan creep selesai, masih ada rongga dengan lapisan kontaminan yang sangat tipis.

(d) Berlanjutnya difusi vacancy, hilangnya lapisan oksida, masih ada beberapa rongga kecil.

(e) Diffusion bonding selesai.

Super Plastic Forming

Super Plastic Forming adalah suatu proses yang didesain untuk material lembaran dimana ductility ditingkatkan sehingga elongasinya meningkat beberapa ratus persen.

(a) Komponen kompleks dengan penyambungan konvensional

(b)Komponen yang dibuat dengan Super Plastic Forming.

Super Plastic Forming and Diffusion Bonding (SPF/DB) merupakan suatu teknik pemrosesan material yang dikembangkan dan banyak dipakai pada industri dirgantara. Proses ini  diterapkan pada titanium dan paduannya, dimana material ini menunjukan sifat superplastik pada kondisi temperatur tinggi dan tekanan tertentu. Kondisi temperatur dan tekanan yang dimaksud disini adalah kondisi yang dibutuhkan atom untuk berikatan. Sehinnga, dua proses ini (SPF dan DB) dapat dikombinasikan dalam satu operasi pabrikasi (manufaktur) yang bersamaan atau pun berurutan.

Proses SPF/DB digunakan untuk memproduksi struktur sandwich kaku untuk komponen airframe atau chord yang lebar dan blade turbin untuk mesin pesawat udara. Keuntungannya adalah, dengan proses SPF/DB kita dapat membuat komponen dengan bentuk kompleks secara lebih cepat dan efisien. Selain itu, jika dibandingkan dengan teknologi konvensional, maka metode ini dapat memberikan kontribusi saving cost hingga 20-30 %.

Aplikasi khusus dari produk SPF/DB antara lain:

1. Titanium alloy, Civil Aircraft.

Antara lain digunakan pada komponen temperatur tinggi disekitar mesin atau yang berhubungan langsung dengan udara panas, seperti : panel pylon, panel nacelle, dan wing access panels. Selain itu juga pada fan blades mesin jet.

2. Titanium alloy, Military Aircraft.

Antara lain digunakan pada komponen temperatur tinggi disekitar mesin seperti heat shields. Selain itu juga pada komponen aerodinamic yang menahan beban tinggi seperti leading edge dan foreplanes.

Retrogression and Reaging (RRA) Treatment

Retrogression and reaging (RRA) adalah suatu cara baru perlakuan panas (heat treatment) yang diterapkan pada paduan aluminium yang mengalami precipitation hardening. RRA ini dapat dilakukan pada paduan aluminium kekuatan tinggi seri 7xxx ( Al-Mg-Zn-Cu ).Perlakuan panas T6 bermasalah pada tahanan retak akibat tegangan di lingkungan korosi (stress-corosion-cracking/SCC resistance). Untuk meningkatkan tahanan SCC diperlukan perlakuan panas T7x. Namun, sayangnya perlakuan panas T7x ini mengakibatkan turunnya kekuatan antara 10 hingga 15 persen. Untuk mengatasi permasalahan ini maka RRA adalah solusinya. Hasil yang diperoleh dari metode RRA adalah kombinasi antara kekuatan dan tahanan SCC yang baik tanpa mengurangi sifat kekuatan bahan yang diperoleh dari T6 heat treatment.

Langkah-langkah retrogression and reaging (RRA) adalah sebagai berikut :

1. Solution heat treatmment pada suhu 470°C
2. Quenching pada temperatur ruang
3. Artificial aging  selama 24 jam pada temperatur 120°C
4. Retrogression, yaitu pemanasan singkat (sekitar 5 menit) pada temperatu tinggi (200-280 °C)
5. Re-aging seperti pada T6, yaitu dengan temperatur 120°C selama 24 jam.

RRA heat treatment saat ini dipakai dalam pengembangan beberapa paduan aluminium, antara lain adalah seri 7150 dan 7055. Kedua paduan ini memiliki banyak aplikasi pada struktur pesawat udara. Contohnya adalah struktur upper wing Boeing-777 yang dibuat dari lempengan aluminium 7055-T7751 dan ekstrusi T77511.

Aluminum Alloy for Aerostructure

Paduan aluminium merupakan material utama yang saat ini digunakan industri pesawat terbang komersial. Aluminium dipilih karena memiliki sifat ringan dan kekuatannya dapat dibentuk dengan cara dipadu dengan unsur lain. Permasalahan yang dihadapi adalah pemilihan jenis unsur apa yang akan dipadu dengan aluminium untuk mendapatkan karakteristik material yang dibutuhkan. Unsur paduan yang ditambahkan dan perlakuan panas (heat treatment) yang diberikan pada aluminium selama pemrosesan sangat mempengaruhi sifat paduan aluminium yang dihasilkan.

Awalnya paduan aluminium dikembangkan dengan tujuan mendapatkan material yang kuat dan ringan. Namun, seiring dengan berkembangnya kebutuhan struktur pesawat udara komersial dengan ukuran yang semakin besar, material yang dibutuhkan tidak hanya kuat dan ringan saja. Dewasa ini paduan aluminium dikembangkan untuk mendapatkan material yang kuat, ringan, usia pakai yang lama, biaya produksi rendah, toleransi kegagalan tinggi, dan tahanan korosi yang baik.

Sekitar tahun 1900 duralium, paduan aluminium dengan tembaga, magnesium, dan mangan, petama kali diperkenalkan di Jerman. Jenis ini merupakan paduan aluninium yang dapat diberi perlakuan panas (heat treatment) dan menghasilkan kombinasi kekuatan dan keuletan yang baik. Saat ini paduan ini dikenal dengan nama aluminium 2017-T4. Pesawat udara yang pertama kali memakai struktur rangka aluminium adalah Junkers F13 yang diproduksi di Jerman pada tahun 1920 dan kemudian disusul Douglas DC3 yang memakai aluminium 2024-T3. Keunggulan aluminium 2024-T3 adalah memiliki tahanan fatik yang lebih baik dari versi sejenisnya.

Selama Perang Dunia II, Paduan Aluminium dengan dengan kekuatan tinggi diperkenalkan. Paduan ini disebut aluminium 7075-T6 yang merupakan paduan aluminium, seng, magnesium, dan timah. Karena kekuatannya yang tinggi, paduan ini banyak dipakai pada struktur pesawat tempur saat itu. Versi modifikasinya, alumunium 7178-T6, berhasil dikembangkan dan diterapkan pada pesawat terbang komersial Boeing-707. Namun, pemakain aluminium 7178-T6 ini tidak dilanjutkan oleh Boeing karena bermasalah pada daya tahan dan toleransi kegagalan.

Boeing-777 merupakan pesawat udara komersial terbesar dengan dua mesin propulsi yang menggunakan material struktur utama dari aluminium. Sekitar 70 persen struktur Boeing-777 dibuat dari material paduan aluminium. Struktur upper wing Boeing-777 dibuat dari lempengan dan ekstrusi aluminium 7055-T7751. Paduan ini dipilih karena memiliki kekuataan dan tahanan retak yang lebih baik dari aluminium 7150-T7. Sedangkan struktur fuselage dibuat dari aluminium 2524-T3 yang merupakan modifikasi dari aluminium 2024-T3. modofikasi ini dilakukan untuk meningkatkan tahanan retak (fracture toughness) dan kemampuan menghambat kelelahan struktur akibat pertumbuhan retak (fatigue crack growth resistance). Pengembangan paduan aluminium untuk struktur Boeing-777 ini dilakukan oleh Alcoa.