Material komposit W dalam Industri Pesawat Terbang dan telah memungkinkan para insinyur untuk mengatasi kendala yang dihadapi saat menggunakan material secara terpisah. Material penyusun mempertahankan identitasnya dalam komposit dan tidak larut atau menyatu sepenuhnya satu sama lain. Bersama-sama, material tersebut menciptakan material 'hibrida' yang memiliki sifat struktural yang lebih baik.
Pengembangan material komposit yang ringan dan tahan suhu tinggi akan memungkinkan terwujudnya desain pesawat terbang generasi berikutnya yang ekonomis dan berkinerja tinggi. Penggunaan material tersebut akan mengurangi konsumsi bahan bakar, meningkatkan efisiensi, dan mengurangi biaya operasi langsung pesawat terbang.
Material komposit dapat dibentuk menjadi berbagai bentuk dan, jika diinginkan, seratnya dapat dililitkan dengan rapat untuk meningkatkan kekuatan. Fitur komposit yang bermanfaat adalah dapat dibuat berlapis-lapis, dengan serat di setiap lapisan berjalan ke arah yang berbeda. Hal ini memungkinkan seorang insinyur untuk merancang struktur dengan sifat yang unik. Misalnya, suatu struktur dapat dirancang agar dapat ditekuk ke satu arah, tetapi tidak ke arah yang lain. [2]
Isi
Sintesis komposit dasar
Pada komposit dasar, satu material bertindak sebagai matriks pendukung, sementara material lain membangun perancah dasar ini dan memperkuat seluruh material. Pembentukan material dapat menjadi proses yang mahal dan rumit. Intinya, matriks material dasar diletakkan dalam cetakan di bawah suhu dan tekanan tinggi. Epoksi atau resin kemudian dituangkan di atas material dasar, menciptakan material yang kuat saat material komposit didinginkan. Komposit juga dapat diproduksi dengan menanamkan serat dari material sekunder ke dalam matriks dasar.
Komposit memiliki kekuatan tarik dan ketahanan terhadap kompresi yang baik, sehingga cocok untuk digunakan dalam pembuatan komponen pesawat terbang. Kekuatan tarik material berasal dari sifatnya yang berserat. Ketika gaya tarik diberikan, serat dalam komposit sejajar dengan arah gaya yang diberikan, sehingga menghasilkan kekuatan tarik. Ketahanan yang baik terhadap kompresi dapat dikaitkan dengan sifat perekat dan kekakuan sistem matriks dasar. Peran resin adalah menjaga serat sebagai kolom lurus dan mencegahnya dari tekukan.
Penerbangan dan komposit
Material komposit penting bagi Industri Penerbangan karena memberikan kekuatan struktural yang sebanding dengan paduan logam, tetapi dengan bobot yang lebih ringan. Hal ini menghasilkan peningkatan efisiensi bahan bakar dan kinerja pesawat terbang. [3] [4]
Peran komposit dalam industri penerbangan
Fiberglass merupakan material komposit yang paling umum, dan terdiri dari serat kaca yang tertanam dalam matriks resin. Fiberglass pertama kali digunakan secara luas pada tahun 1950-an untuk perahu dan mobil. Fiberglass pertama kali digunakan pada jet penumpang Boeing 707 pada tahun 1950-an, yang meliputi sekitar dua persen dari strukturnya. Setiap generasi pesawat baru yang dibuat oleh Boeing memiliki persentase penggunaan material komposit yang meningkat; yang tertinggi adalah 50% penggunaan komposit pada 787 Dreamliner .
Boeing 787 Dreamliner akan menjadi pesawat komersial pertama yang elemen struktural utamanya terbuat dari bahan komposit, bukan paduan aluminium. [1] Akan ada peralihan dari komposit fiberglass kuno ke laminasi karbon dan komposit sandwich karbon yang lebih maju di pesawat ini. Masalah telah ditemukan dengan kotak sayap Dreamliner, yang disebabkan oleh kekakuan yang tidak memadai pada bahan komposit yang digunakan untuk membangun bagian tersebut. [1] Hal ini menyebabkan keterlambatan tanggal pengiriman awal pesawat. Untuk mengatasi masalah ini, Boeing memperkuat kotak sayap dengan menambahkan braket baru ke kotak sayap yang sudah dibangun, sambil memodifikasi kotak sayap yang belum dibangun. [1]
Pengujian bahan komposit
Sulit untuk memodelkan kinerja komponen komposit secara akurat melalui simulasi komputer karena sifat materialnya yang kompleks. Komposit sering kali disusun berlapis-lapis untuk menambah kekuatan, tetapi hal ini mempersulit fase pengujian praproduksi, karena lapisan-lapisan tersebut diarahkan ke arah yang berbeda, sehingga sulit untuk memprediksi bagaimana kinerjanya saat diuji. [1]
Uji tekanan mekanis juga dapat dilakukan pada komponen-komponennya. Uji ini dimulai dengan model skala kecil, kemudian berlanjut ke komponen struktur yang semakin besar, dan akhirnya ke seluruh struktur. Komponen struktural dimasukkan ke dalam mesin hidrolik yang membengkokkan dan memelintirnya untuk meniru tekanan yang jauh melampaui kondisi terburuk yang diperkirakan dalam penerbangan sesungguhnya.
Faktor-faktor penggunaan material komposit
Pengurangan berat merupakan keuntungan terbesar dari penggunaan material komposit dan merupakan salah satu faktor kunci dalam keputusan mengenai pemilihannya. Keuntungan lainnya termasuk ketahanannya terhadap korosi yang tinggi dan ketahanannya terhadap kerusakan akibat kelelahan. Faktor-faktor ini berperan dalam mengurangi biaya pengoperasian pesawat dalam jangka panjang, yang selanjutnya meningkatkan efisiensinya. Komposit memiliki keuntungan karena dapat dibentuk menjadi hampir semua bentuk menggunakan proses pencetakan, tetapi hal ini memperparah masalah pemodelan yang sudah sulit.
Kerugian utama penggunaan komposit adalah karena komposit merupakan material yang relatif baru, dan karenanya harganya mahal. Biaya yang mahal juga disebabkan oleh proses fabrikasi yang padat karya dan seringkali rumit. Komposit sulit diperiksa cacatnya, sementara beberapa di antaranya menyerap kelembapan.
Meskipun lebih berat, aluminium mudah diproduksi dan diperbaiki. Aluminium dapat penyok atau tertusuk tetapi tetap menyatu. Komposit tidak seperti ini; jika rusak, komposit memerlukan perbaikan segera, yang sulit dan mahal.
Hemat bahan bakar dengan bobot yang berkurang
Konsumsi bahan bakar bergantung pada beberapa variabel, termasuk: berat kering pesawat, berat muatan, usia pesawat, kualitas bahan bakar, kecepatan udara, cuaca, dan lain-lain. Berat komponen pesawat yang terbuat dari bahan komposit berkurang sekitar 20%, seperti pada kasus 787 Dreamliner. [4]
Contoh perhitungan total penghematan bahan bakar dengan pengurangan berat kosong sebesar 20% akan dilakukan di bawah ini untuk pesawat Airbus A340-300.
Nilai sampel awal untuk studi kasus ini diperoleh dari sumber eksternal. [5]
Diberikan:
- Berat Kosong Operasional (OEW): 129.300kg
- Berat Nol Bahan Bakar Maksimum (MZFW): 178.000 kg
- Berat Lepas Landas Maksimum (MTOW): 275.000kg
- Jangkauan Maksimum @ Berat Maksimum: 10.458 km
Besaran lain dapat dihitung dari angka-angka yang diberikan di atas:
- Berat Kargo Maksimum = MZFW - OEW = 48.700kg
- Berat Bahan Bakar Maksimum = MTOW - MZFW = 97.000kg
Jadi, kita dapat menghitung lebih lanjut konsumsi bahan bakar dalam kg/km berdasarkan berat bahan bakar maksimum dan jangkauan maksimum = 97.000kg/10.458km = 9,275kg/km
Berikut ini adalah perhitungan untuk penghematan bahan bakar yang diantisipasi dengan pengurangan berat sebesar 20%, yang hanya akan mengurangi nilai OEW sebesar 20%:
- OEW (baru) = 129.300 kg * 0,8 = 103.440 kg, yang setara dengan penghematan berat sebesar 25.860 kg.
Dengan asumsi bahwa berat kargo dan bahan bakar tetap konstan:
- MZFW(baru) = MZFW - 25.680kg = 152.320kg
- MTOW (baru) = MTOW - 25.680 kg = 249.320 kg
Massa bahan bakar seberat 97.000 kg memiliki MTOW yang lebih rendah untuk ditangani, dan dengan demikian akan meningkatkan jangkauan karena berat maksimum dan jangkauan maksimum merupakan besaran yang berbanding terbalik.
Menggunakan rasio sederhana untuk menghitung rentang baru:
249Bahasa Indonesia:320akuG275Bahasa Indonesia:000akuG=10Bahasa Indonesia:458akuMXakuM{\displaystyle {\frac {249.320kg}{275.000kg}}={\frac {10.458km}{Xkm}}}
Memecahkan X memberikan rentang baru:
- X = 11.535,18 km
Ini memberikan nilai baru untuk konsumsi bahan bakar dengan berat yang dikurangi = 97.000kg/11.535,18km = 8,409kg/km
Sebagai perbandingan, dalam perjalanan sejauh 10.000 km , akan ada penghematan bahan bakar sekitar 8.660 kg dengan pengurangan berat kosong sebesar 20%.
Dampak lingkungan
Terjadi pergeseran yang lebih menonjol ke arah Rekayasa Hijau . Lingkungan kita semakin diperhatikan dan dipikirkan oleh masyarakat saat ini. Hal ini juga berlaku untuk pembuatan material komposit.
Seperti yang disebutkan sebelumnya, komposit memiliki bobot yang lebih ringan dan nilai kekuatan yang sama dengan material yang lebih berat. Ketika komposit yang lebih ringan diangkut, atau digunakan dalam aplikasi pengangkutan, beban lingkungannya lebih rendah dibandingkan dengan alternatif yang lebih berat. Komposit juga lebih tahan korosi daripada material berbasis logam, yang berarti komponennya akan bertahan lebih lama. [7] Faktor-faktor ini berpadu menjadikan komposit sebagai material alternatif yang baik dari perspektif lingkungan.
Bahan komposit yang diproduksi secara konvensional terbuat dari serat dan resin berbasis minyak bumi, dan secara alami tidak dapat terurai secara hayati. [8] Hal ini menimbulkan masalah yang signifikan karena sebagian besar komposit berakhir di tempat pembuangan sampah setelah siklus hidup komposit berakhir. [8] Ada penelitian signifikan yang sedang dilakukan pada komposit biodegradable yang terbuat dari serat alami. [9] Penemuan bahan komposit biodegradable yang dapat dengan mudah diproduksi dalam skala besar dan memiliki sifat yang mirip dengan komposit konvensional akan merevolusi beberapa industri, termasuk industri penerbangan.
Pilihan alternatif untuk membantu upaya pelestarian lingkungan adalah dengan mendaur ulang suku cadang bekas dari pesawat yang sudah tidak beroperasi. 'Pembongkaran' pesawat adalah proses yang rumit dan mahal, tetapi dapat menghemat biaya perusahaan karena tingginya biaya pembelian suku cadang langsung. [6]
Material komposit masa depan
Komposit matriks keramik
Upaya besar sedang dilakukan untuk mengembangkan material komposit yang ringan dan tahan suhu tinggi di Badan Penerbangan dan Antariksa Nasional (NASA) untuk digunakan pada komponen pesawat terbang. Berdasarkan perhitungan awal, suhu setinggi 1650°C diantisipasi untuk saluran masuk turbin mesin konseptual. [3] Agar material dapat menahan suhu tersebut, diperlukan penggunaan Komposit Matriks Keramik (CMC). Penggunaan CMC pada mesin canggih juga akan memungkinkan peningkatan suhu saat mesin dapat dioperasikan, yang menghasilkan peningkatan hasil. [10] Meskipun CMC merupakan material struktural yang menjanjikan, aplikasinya terbatas karena kurangnya material penguat yang sesuai, kesulitan pemrosesan, masa pakai, dan biaya.
Serat sutra laba-laba
Spider silk is another promising material for composite material usage. Spider silk exhibits high ductility, allowing stretching of a fibre up to 140% of its normal length.[11] Spider silk also holds its strength at temperatures as low as -40°C.[11] These properties make spider silk ideal for use as a fibre material in the production of ductile composite materials that will retain their strength even at abnormal temperatures. Ductile composite materials will be beneficial to an aircraft in parts that will be subject to variable stresses, such as the joining of a wing with the main fuselage. The increased strength, toughness and ductility of such a composite will allow greater stresses to be applied to the part or joining before catastrophic failure occurs. Synthetic spider silk based composites will also have the advantage that their fibres will be biodegradable.
Many unsuccessful attempts have been made at reproducing spider silk in a laboratory, but perfect re-synthesis has not yet been achieved.[12]
Hybrid composite steel sheets
Another promising material can be stainless steel constructed with inspiration from composites and nanontech-fibres and plywood. The sheets of steel is made of same material and is able to handle and tool exactly the same way as conventional steel. But is some percent lighter for the same strengths. This is especially valuable for vehicle manufacturing. Patent pending, swedish company Lamera is a spinoff from research within Volvo Industries.
Conclusion
Due to their higher strength-to-weight ratios, composite materials have an advantage over conventional metallic materials; although, currently it is expensive to fabricate composites. Until techniques are introduced to reduce initial implementation costs and address the issue of non-biodegradability of current composites, this relatively new material will not be able to completely replace traditional metallic alloys.
References
- ↑ Jump up to: 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Surface Modelling for Composite Materials - SIAG GD - Retrieved at http://www.ifi.uio.no/siag/problems/grandine/
- ↑ A to Z of Materials - Composites: A Basic Introduction - Retrieved at http://web.archive.org/web/20080806113558/http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=962
- ↑ Jump up to: 3.0 3.1 INI International - Key to Metals - Retrieved at http://www.keytometals.com/Article103.htm
- ↑ Jump up to: 4.0 4.1 Boeing's 787 Dreamliner Has a Composite Problem - Zimbio - Retrieved at http://web.archive.org/web/20101002101128/http://www.zimbio.com:80/Boeing+787+Dreamliner/articles/18/Boeing+787+Dreamliner+composite+problem
- ↑ Peeters, PM et al. - Efisiensi bahan bakar pesawat komersial (hlm. 16) - Diperoleh di http://www.transportenvironment.org/docs/Publications/2005pubs/2005-12_nlr_aviation_fuel_efficiency.pdf
- ↑Lompat ke:6.0 6.1 National Geographic Channel - Buatan Manusia: Pesawat - Diperoleh dari http://channel.nationalgeographic.com/series/man-made/3319/Photos#tab-Videos/05301 00
- ↑ Sebuah studi tentang dampak komposit terhadap lingkungan - Diperoleh di http://web.archive.org/web/20060923103650/http://www.plastkemiforetagen.se/Publikationer/PDF/Composite_materials_in_an_environmental_perspective.pdf
- ↑Lompat ke:8.0 8.1 Textile Insight - Komposit Tekstil Hijau - Diperoleh di http://www.textileinsight.com/articles.php?id=453
- ↑ A to Z of Materials - Material Komposit Berkinerja Tinggi yang Diproduksi dari Plastik Bertulang Serat Alami yang Dapat Terurai Secara Hayati - Diperoleh di http://www.azom.com/news.asp?newsID=13735
- ↑ R. Naslain - Universite Bordeaux - Komposit Matriks Keramik - Diperoleh di http://web.archive.org/web/20101122114453/http://www.mpg.de/pdf/europeanWhiteBook/wb_materials_213_216.pdf
- ↑Lompat ke:11.0 11.1 Departemen Kimia - Universitas Bristol - Diperoleh di http://www.chm.bris.ac.uk/motm/spider/page2.htm
- ↑ Wired Science - Laba-laba Membuat Sutra Emas - Diambil di http://www.wired.com/wiredscience/2009/09/spider-silk/
