Komposit Open Mould

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


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


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.


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


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


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


7/15

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.


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.


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


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


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 :


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 :


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)


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.


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.

Komposit Open Mould

Documents