Komposit di Industri Pesawat Terbang

Ini adalah halaman topik . Fokus Appropedia adalah pada penelitian asli , namun halaman ini memberikan konteks yang berguna dan membantu menavigasi situs. Anda dapat membantu Appropedia dengan memperbaiki halaman ini .Baca selengkapnya...

Material komposit ^W banyak digunakan di Industri Pesawat Terbang dan memungkinkan para insinyur mengatasi kendala yang dihadapi saat menggunakan material tersebut secara individual. Bahan penyusunnya 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 berkinerja tinggi dan ekonomis. Penggunaan material tersebut akan mengurangi konsumsi bahan bakar, meningkatkan efisiensi dan mengurangi biaya pengoperasian langsung pesawat.

Bahan komposit dapat dibentuk menjadi berbagai bentuk dan jika diinginkan, serat dapat digulung rapat untuk meningkatkan kekuatan. Fitur yang berguna dari komposit adalah bahwa mereka dapat berlapis, dengan serat di setiap lapisan berjalan dalam arah yang berbeda. Hal ini memungkinkan seorang insinyur untuk merancang struktur dengan sifat unik. Misalnya, suatu struktur dapat dirancang sedemikian rupa sehingga dapat ditekuk ke satu arah, tetapi tidak ke arah lain. ^[2]

Sintesis komposit dasar

Dalam komposit dasar, satu material bertindak sebagai matriks pendukung, sementara material lain membangun perancah dasar ini dan memperkuat keseluruhan material. Pembentukan material bisa menjadi proses yang mahal dan rumit. Intinya, matriks bahan dasar diletakkan dalam cetakan di bawah suhu dan tekanan tinggi. Epoksi atau resin kemudian dituangkan di atas bahan dasar, menghasilkan bahan yang kuat ketika bahan komposit didinginkan. Komposit juga dapat diproduksi dengan menyematkan serat bahan sekunder ke dalam matriks dasar.

Komposit mempunyai kekuatan tarik dan ketahanan terhadap kompresi yang baik sehingga cocok digunakan pada pembuatan komponen pesawat terbang. Kekuatan tarik suatu bahan berasal dari sifat seratnya. Ketika gaya tarik diterapkan, serat-serat di dalam komposit sejajar dengan arah gaya yang diberikan, sehingga memberikan kekuatan tariknya. Ketahanan yang baik terhadap kompresi dapat dikaitkan dengan sifat perekat dan kekakuan sistem matriks dasar. Resin berperan untuk menjaga serat tetap lurus dan mencegahnya melengkung.

Penerbangan dan komposit

Material komposit penting bagi Industri Penerbangan karena memberikan kekuatan struktural yang sebanding dengan paduan logam, namun dengan bobot yang lebih ringan. Hal ini mengarah pada peningkatan efisiensi bahan bakar dan kinerja pesawat terbang. ^{[3] [4]}

Peran komposit dalam industri penerbangan

Fiberglass adalah material komposit yang paling umum, dan terdiri dari serat kaca yang tertanam dalam matriks resin. Fiberglass pertama kali digunakan secara luas pada tahun 1950an untuk kapal dan mobil. Fiberglass pertama kali digunakan pada jet penumpang Boeing 707 pada tahun 1950-an, yang mana bahan ini mencakup sekitar dua persen dari strukturnya. Setiap generasi pesawat baru yang dibuat oleh Boeing mengalami peningkatan persentase penggunaan material komposit; yang tertinggi adalah penggunaan komposit 50% pada 787 Dreamliner .

Boeing 787 Dreamliner akan menjadi pesawat komersial pertama yang elemen struktural utamanya terbuat dari material komposit, bukan paduan aluminium. ^[1] Akan ada peralihan dari komposit fiberglass kuno ke komposit laminasi karbon dan sandwich karbon yang lebih canggih di pesawat ini. Masalah telah dihadapi dengan kotak sayap Dreamliner, yang disebabkan oleh kurangnya kekakuan pada material komposit yang digunakan untuk membuat bagian tersebut. ^[1] Hal ini menyebabkan tertundanya tanggal pengiriman awal pesawat. Untuk mengatasi masalah ini, Boeing memperkuat kotak sayap dengan menambahkan braket baru pada kotak sayap yang sudah dibuat, sekaligus memodifikasi kotak sayap yang belum dibuat. ^[1]

Pengujian material komposit

Sulit untuk secara akurat memodelkan kinerja bagian komposit dengan simulasi komputer karena sifat material yang kompleks. Komposit sering kali dilapisi di atas satu sama lain untuk menambah kekuatan, tetapi hal ini mempersulit tahap pengujian pra-produksi, karena lapisan-lapisan tersebut diorientasikan ke arah yang berbeda, sehingga sulit untuk memprediksi bagaimana perilakunya saat diuji. ^[1]

Tes tegangan mekanis juga dapat dilakukan pada bagian-bagian tersebut. Pengujian ini dimulai dengan model skala kecil, kemudian berlanjut ke bagian struktur yang semakin besar, dan akhirnya ke seluruh struktur. Bagian struktural dimasukkan ke dalam mesin hidrolik yang membengkokkan dan memutarnya untuk meniru tekanan yang jauh melampaui kondisi terburuk yang diperkirakan dalam penerbangan sebenarnya.

Faktor penggunaan material komposit

Pengurangan berat adalah keuntungan terbesar dari penggunaan material komposit dan merupakan salah satu faktor kunci dalam pengambilan keputusan mengenai pemilihannya. Keunggulan lainnya termasuk ketahanan terhadap korosi yang tinggi dan ketahanan terhadap kerusakan akibat kelelahan. Faktor-faktor ini berperan dalam mengurangi biaya operasional pesawat dalam jangka panjang, sehingga semakin meningkatkan efisiensinya. Komposit mempunyai keuntungan karena dapat dibentuk menjadi hampir semua bentuk dengan menggunakan proses pencetakan, namun hal ini menambah masalah pemodelan yang sudah sulit.

Kelemahan utama penggunaan komposit adalah bahannya relatif baru dan harganya mahal. Tingginya biaya 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 sebaliknya mudah dibuat dan diperbaiki. Bisa saja penyok atau tertusuk dan tetap menyatu. Komposit tidak seperti ini; jika rusak, memerlukan perbaikan segera, yang sulit dan mahal.

Penghematan bahan bakar dengan bobot lebih ringan

Konsumsi bahan bakar bergantung pada beberapa variabel, antara lain: berat kering pesawat, berat muatan, umur pesawat, kualitas bahan bakar, kecepatan udara, cuaca, dan lain-lain. Berat komponen pesawat yang terbuat dari material komposit berkurang sekitar 20%, seperti pada kasus 787 Dreamliner. ^[4]

Contoh perhitungan penghematan bahan bakar total 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 Operasi (OEW): 129,300kg
• Berat Bahan Bakar Nol Maksimum (MZFW): 178.000kg
• Berat Lepas Landas Maksimum (MTOW): 275.000kg
• Maks. Rentang @ Maks. Berat: 10.458km

Kuantitas lain dapat dihitung dari angka yang diberikan di atas:

• Berat Kargo Maksimum = MZFW - OEW = 48.700kg
• Berat Bahan Bakar Maksimum = MTOW - MZFW = 97.000kg

Jadi, selanjutnya kita dapat menghitung konsumsi bahan bakar dalam kg/km berdasarkan berat bahan bakar maksimum dan jangkauan maksimum = 97,000kg/10,458km = 9,275kg/km

Berikut perhitungan antisipasi penghematan bahan bakar dengan pengurangan bobot sebesar 20%, yang hanya akan mengurangi nilai OEW sebesar 20%:

• OEW(baru) = 129,300kg * 0,8 = 103,440kg, yang setara dengan penghematan berat 25,860kg.

Dengan asumsi berat muatan dan bahan bakar tetap:

• MZFW(baru) = MZFW - 25.680kg = 152.320kg
• MTOW(baru) = MTOW - 25.680kg = 249.320kg

Bahan bakar bermassa 97.000kg memiliki pengurangan MTOW yang harus ditangani, dan dengan demikian akan meningkatkan jangkauan karena berat maksimum dan jangkauan maksimum adalah besaran yang berbanding terbalik.

Menggunakan rasio sederhana untuk menghitung rentang baru:

249,320kG275,000kG=10,458kMXkM{\displaystyle {\frac {249.320kg}{275.000kg}}={\frac {10.458km}{Xkm}}}

Pemecahan untuk X memberikan rentang baru:

• X = 11.535,18 km

Hal ini memberikan nilai baru pada konsumsi bahan bakar dengan pengurangan bobot = 97.000kg/11.535,18km = 8,409kg/km

Sebagai perbandingan, dalam perjalanan sejauh 10.000 km , akan terjadi penghematan bahan bakar sekitar 8.660 kg dengan pengurangan berat kosong sebesar 20%.

Dampak lingkungan

Ada pergeseran yang semakin berkembang ke arah Rekayasa Ramah Lingkungan . Lingkungan kita semakin mendapat perhatian dan pemikiran dari masyarakat saat ini. Hal ini juga berlaku untuk pembuatan material komposit.

Seperti 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 lingkungan yang ditimbulkan lebih rendah dibandingkan dengan alternatif yang lebih berat. Komposit juga lebih tahan korosi dibandingkan bahan berbahan dasar logam, yang berarti komponen akan bertahan lebih lama. ^[7] Kombinasi faktor-faktor ini membuat komposit menjadi bahan alternatif yang baik dari sudut pandang lingkungan.

Material komposit yang diproduksi secara konvensional terbuat dari serat dan resin berbahan dasar minyak bumi, dan bersifat non-biodegradable. ^[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 dilakukan pada komposit biodegradable yang terbuat dari serat alami. ^[9] Penemuan material komposit biodegradable yang mudah diproduksi dalam skala besar dan memiliki sifat serupa dengan komposit konvensional akan merevolusi beberapa industri, termasuk industri penerbangan.

Pilihan alternatif untuk membantu upaya lingkungan adalah dengan mendaur ulang suku cadang bekas dari pesawat yang dinonaktifkan. 'Unengineering' sebuah pesawat terbang adalah proses yang rumit dan mahal, namun dapat menghemat uang perusahaan karena tingginya biaya pembelian suku cadang tangan pertama. ^[6]

Material komposit masa depan

Komposit matriks keramik

Upaya besar sedang dilakukan untuk mengembangkan material komposit ringan dan bersuhu tinggi di Badan Penerbangan dan Antariksa Nasional (NASA) untuk digunakan pada bagian-bagian pesawat terbang. Suhu setinggi 1650°C diantisipasi untuk saluran masuk turbin mesin konseptual berdasarkan perhitungan awal. ^[3] Agar bahan dapat menahan suhu tersebut, diperlukan penggunaan Ceramic Matrix Composites (CMCs). Penggunaan CMC pada mesin canggih juga akan memungkinkan peningkatan suhu di mana mesin dapat dioperasikan, sehingga menghasilkan peningkatan hasil. ^[10] Meskipun CMC merupakan bahan struktural yang menjanjikan, penerapannya terbatas karena kurangnya bahan penguat yang sesuai, kesulitan pemrosesan, masa pakai, dan biaya.

Serat sutra laba-laba

Sutra laba-laba adalah bahan lain yang menjanjikan untuk penggunaan bahan komposit. Sutra laba-laba menunjukkan keuletan yang tinggi, memungkinkan serat diregangkan hingga 140% dari panjang normalnya. ^[11] Sutra laba-laba juga tetap kuat pada suhu serendah -40°C. ^[11] Sifat-sifat ini membuat sutra laba-laba ideal untuk digunakan sebagai bahan serat dalam produksi material komposit ulet yang akan mempertahankan kekuatannya bahkan pada suhu tidak normal. Material komposit yang ulet akan bermanfaat bagi pesawat terbang pada bagian-bagian yang akan terkena tekanan yang bervariasi, seperti penyatuan sayap dengan badan pesawat utama. Meningkatnya kekuatan, ketangguhan dan keuletan komposit tersebut akan memungkinkan tekanan yang lebih besar untuk diterapkan pada bagian atau sambungan sebelum terjadi kegagalan besar. Komposit berbahan dasar sutra laba-laba sintetis juga memiliki keunggulan karena seratnya dapat terurai secara hayati.

Banyak upaya yang gagal dilakukan untuk mereproduksi sutera laba-laba di laboratorium, namun sintesis ulang yang sempurna belum tercapai. ^[12]

Lembaran baja komposit hibrida

Bahan lain yang menjanjikan adalah baja tahan karat yang dibuat dengan inspirasi dari komposit dan serat nanoteknologi serta kayu lapis. Lembaran baja terbuat dari bahan yang sama dan mampu ditangani serta dikerjakan dengan cara yang persis sama seperti baja konvensional. Namun beberapa persen lebih ringan untuk kekuatan yang sama. Hal ini sangat berharga untuk manufaktur kendaraan. Paten tertunda, perusahaan Swedia Lamera adalah spin-off dari penelitian dalam Volvo Industries.

Kesimpulan

Karena rasio kekuatan terhadap beratnya yang lebih tinggi, material komposit memiliki keunggulan dibandingkan material logam konvensional; meskipun, saat ini pembuatan komposit mahal. Sampai teknik diperkenalkan untuk mengurangi biaya implementasi awal dan mengatasi masalah non-biodegradabilitas komposit saat ini, material yang relatif baru ini tidak akan mampu sepenuhnya menggantikan paduan logam tradisional.

Referensi

Data halaman

Bagian dari	MECH370
Kata kunci	pesawat terbang , material , pemrosesan material
Penulis	BSKukreja , Johan Löfström
Lisensi	CC-BY-SA-3.0
Organisasi	Universitas Ratu
Bahasa	Bahasa Inggris (id)
Terjemahan	Spanyol , Italia , Portugis , Slovakia , Rusia , Turki , Ibrani , Belanda , Perancis , Indonesia
Terkait	19 subhalaman , 26 halaman tautan di sini
Alias	Penggunaan Komposit dalam Industri Pesawat Terbang
Dampak	86.287 tampilan halaman
Dibuat	29 Oktober 2009 oleh BSKukreja
Diubah	29 Januari 2024 oleh Felipe Schenone
Kutip sebagai	BSKukreja , Johan Löfström (2009–2024). "Komposit dalam Industri Pesawat Terbang" . Appropedia . Diakses pada 10 April 2024 .
Kueri API	dasar , semantik , html , file , lebih banyak lagi