Penggunaan berbagai material di Boeing 787 Dreamliner. [1]

Material komposit W banyak digunakan di Industri Pesawat Terbang dan telah memungkinkan para insinyur untuk mengatasi kendala yang dihadapi saat menggunakan material tersebut secara individual. Bahan penyusunnya mempertahankan identitasnya dalam komposit dan tidak larut atau bergabung sepenuhnya satu sama lain. Bersama-sama, material tersebut menciptakan material 'hibrid' yang telah meningkatkan sifat struktural.

Pengembangan material komposit yang ringan dan tahan suhu tinggi akan memungkinkan terwujudnya desain pesawat terbang ekonomis berperforma tinggi generasi berikutnya. Penggunaan bahan tersebut akan mengurangi konsumsi bahan bakar, meningkatkan efisiensi dan mengurangi biaya operasi langsung pesawat.

Bahan komposit dapat dibentuk menjadi berbagai bentuk dan, jika diinginkan, serat dapat dililit rapat untuk meningkatkan kekuatan. Fitur yang berguna dari komposit adalah dapat berlapis, dengan serat di setiap lapisan berjalan ke arah yang berbeda. Ini memungkinkan seorang insinyur untuk merancang struktur dengan sifat unik. Misalnya, sebuah struktur dapat dirancang sedemikian rupa sehingga akan membengkok ke satu arah, tetapi tidak ke arah lain. [2]

Sintesis komposit dasar

Contoh bahan dasar komposit.

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

Komposit memiliki kekuatan tarik dan ketahanan yang baik terhadap kompresi, sehingga cocok untuk digunakan dalam pembuatan komponen pesawat terbang. Kekuatan tarik material berasal dari sifat berseratnya. Ketika gaya tarik diterapkan, serat-serat di dalam komposit berbaris dengan arah gaya yang diberikan, memberikan kekuatan tariknya. Ketahanan yang baik terhadap kompresi dapat dikaitkan dengan sifat perekat dan kekakuan dari sistem matriks dasar. Ini adalah peran resin untuk mempertahankan serat sebagai kolom lurus dan mencegahnya dari tekuk.

Penerbangan dan komposit

Bahan komposit penting bagi Industri Penerbangan karena memberikan kekuatan struktural yang sebanding dengan paduan logam, tetapi dengan bobot yang lebih ringan. Ini mengarah pada peningkatan efisiensi bahan bakar dan kinerja dari pesawat terbang. [3] [4]

Peran komposit dalam industri penerbangan

Penggunaan berbagai material di Boeing 787 Dreamliner. [1]

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

Boeing 787 Dreamliner akan menjadi pesawat komersial pertama di mana elemen struktural utama terbuat dari bahan komposit daripada paduan aluminium. [1] Akan ada pergeseran dari komposit fiberglass kuno ke komposit laminasi karbon dan sandwich karbon yang lebih maju di pesawat ini. Masalah telah ditemui dengan kotak sayap Dreamliner, yang dikaitkan dengan kekakuan yang tidak memadai pada bahan komposit yang digunakan untuk membuat bagian tersebut. [1] Hal ini menyebabkan keterlambatan tanggal pengiriman awal pesawat. Untuk mengatasi masalah ini, Boeing memperketat kotak sayap dengan menambahkan braket baru ke kotak sayap yang sudah dibuat, sambil memodifikasi kotak sayap yang belum dibuat. [1]

Pengujian material komposit

Telah ditemukan kesulitan untuk secara akurat memodelkan kinerja bagian buatan komposit dengan simulasi komputer karena sifat material yang kompleks. Komposit sering berlapis di atas satu sama lain untuk menambah kekuatan, tetapi ini mempersulit tahap pengujian pra-pembuatan, karena lapisan berorientasi pada arah yang berbeda, sehingga sulit untuk memprediksi bagaimana perilakunya saat diuji. [1]

Tes tekanan mekanis juga dapat dilakukan pada bagian-bagian tersebut. Tes ini dimulai dengan model skala kecil, kemudian beralih ke bagian struktur yang semakin besar, dan akhirnya ke struktur penuh. Bagian struktural dimasukkan ke dalam mesin hidrolik yang membengkokkan dan memelintirnya untuk meniru tekanan yang jauh melampaui kondisi terburuk dalam penerbangan nyata.

Faktor penggunaan material komposit

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

Kerugian utama tentang penggunaan komposit adalah bahwa mereka adalah bahan yang relatif baru, dan dengan demikian memiliki biaya yang tinggi. Biaya tinggi juga dikaitkan dengan proses fabrikasi padat karya dan seringkali kompleks. Komposit sulit untuk diperiksa kekurangannya, sementara beberapa di antaranya menyerap kelembapan.

Meskipun lebih berat, aluminium, sebaliknya, mudah dibuat dan diperbaiki. Itu bisa penyok atau tertusuk dan masih menyatu. Komposit tidak seperti ini; jika rusak, perlu segera diperbaiki, yang sulit dan mahal.

Penghematan bahan bakar dengan pengurangan bobot

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 bahan komposit berkurang sekitar 20%, seperti pada 787 Dreamliner. [4]

Contoh perhitungan penghematan bahan bakar total dengan pengurangan berat kosong 20% ​​akan dilakukan di bawah ini untuk pesawat Airbus A340-300.

Nilai sampel awal untuk studi kasus ini diperoleh dari sumber eksternal. [5]

Diberikan:

  • Bobot Kosong Operasional (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 20%, yang hanya akan menurunkan nilai OEW sebesar 20%:

  • OEW(baru) = 129.300kg * 0,8 = 103.440kg, yang setara dengan penghematan berat sebesar 25.860kg.

Dengan asumsi berat muatan dan bahan bakar tetap konstan:

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

Massa bahan bakar 97.000kg memiliki MTOW yang lebih rendah untuk ditangani, dan dengan demikian akan meningkatkan jangkauan karena bobot maksimum dan jangkauan maksimum adalah jumlah 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}}}{\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 untuk konsumsi bahan bakar dengan penurunan bobot = 97.000kg/11.535,18km = 8,409kg/km

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

Dampak lingkungan

Daur ulang suku cadang dari pesawat yang dinonaktifkan dimungkinkan. [6]

Ada pergeseran yang berkembang lebih menonjol ke arah Rekayasa Hijau . Lingkungan kita diberikan pemikiran dan perhatian yang meningkat oleh 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, terdapat beban lingkungan yang lebih rendah dibandingkan alternatif yang lebih berat. Komposit juga lebih tahan korosi daripada bahan berbasis logam, yang berarti komponen akan bertahan lebih lama. [7] Faktor-faktor ini bergabung untuk membuat komposit bahan 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] Ini menghadirkan masalah yang signifikan karena sebagian besar komposit berakhir di tempat pembuangan akhir setelah siklus hidup komposit berakhir. [8] Ada penelitian signifikan yang dilakukan dalam 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.

Opsi alternatif untuk membantu upaya lingkungan adalah mendaur ulang suku cadang bekas dari pesawat yang dinonaktifkan. The 'unengineering' pesawat adalah proses yang kompleks dan mahal, tetapi dapat menghemat uang perusahaan karena tingginya biaya pembelian suku cadang tangan pertama. [6]

Bahan komposit masa depan

Komposit matriks keramik

Upaya besar sedang dilakukan untuk mengembangkan material komposit yang ringan dan bersuhu tinggi di National Aeronautics and Space Administration (NASA) untuk digunakan dalam komponen pesawat terbang. Temperatur setinggi 1650°C diantisipasi untuk saluran masuk turbin dari mesin konseptual berdasarkan perhitungan awal. [3] Agar bahan dapat menahan suhu tersebut, penggunaan Komposit Matriks Keramik (CMC) diperlukan. Penggunaan CMC pada mesin canggih juga akan memungkinkan peningkatan suhu di mana mesin dapat dioperasikan, sehingga menghasilkan peningkatan hasil. [10] Meskipun CMC adalah bahan struktural yang menjanjikan, aplikasinya terbatas karena kurangnya bahan penguat yang sesuai, kesulitan pemrosesan, masa pakai dan biaya.

Serat sutra laba-laba

Para ilmuwan sampai saat ini belum dapat mensintesis ulang sutera laba-laba dengan sempurna.

Sutera laba-laba adalah bahan lain yang menjanjikan untuk penggunaan bahan komposit. Sutera laba-laba menunjukkan keuletan yang tinggi, memungkinkan peregangan serat hingga 140% dari panjang normalnya. [11] Sutera laba-laba juga mempertahankan kekuatannya pada suhu serendah -40°C. [11]Sifat-sifat ini membuat sutera laba-laba ideal untuk digunakan sebagai bahan serat dalam produksi bahan komposit ulet yang akan mempertahankan kekuatannya bahkan pada suhu abnormal. Bahan komposit ulet akan bermanfaat bagi pesawat terbang di bagian-bagian yang akan mengalami tekanan variabel, seperti penyambungan sayap dengan badan pesawat utama. Peningkatan kekuatan, ketangguhan, dan keuletan komposit semacam itu akan memungkinkan tekanan yang lebih besar diterapkan pada bagian atau sambungan sebelum terjadi kegagalan katastropik. Komposit berbasis sutera laba-laba sintetis juga akan memiliki keuntungan bahwa seratnya dapat terurai secara hayati.

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

Lembaran baja komposit hibrida

Bahan lain yang menjanjikan dapat berupa baja tahan karat yang dibuat dengan inspirasi dari komposit dan serat nanotech serta kayu lapis. Lembaran baja terbuat dari bahan yang sama dan mampu menangani dan alat dengan cara yang persis sama seperti baja konvensional. Tetapi beberapa persen lebih ringan untuk kekuatan yang sama. Ini sangat berharga untuk pembuatan kendaraan. Paten tertunda, perusahaan Swedia Lamera adalah spin-off dari penelitian di dalam Volvo Industries.

Kesimpulan

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

Referensi

  1. Lompat ke: 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Pemodelan Permukaan untuk Material Komposit - SIAG GD - Diperoleh di http://www.ifi.uio.no/siag/problems/grandine/
  2. Bahan A sampai Z - Komposit: Pengantar Dasar - Diperoleh di http://web.archive.org/web/20080806113558/http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=962
  3. Lompat ke:3.0 3.1 INI Internasional - Kunci Logam - Diperoleh di http://www.keytometals.com/Article103.htm
  4. Lompat ke: 4.0 4.1 Boeing's 787 Dreamliner Memiliki Masalah Komposit - Zimbio - Diperoleh di http://web.archive.org/web/20101002101128/http://www.zimbio.com:80/Boeing+787+Dreamliner/articles/18/ Boeing+787+Dreamliner+komposit+masalah
  5. Peeters, PM et al. - Efisiensi bahan bakar pesawat komersial (hal. 16) - Diakses dari http://www.transportenvironment.org/docs/Publications/2005pubs/2005-12_nlr_aviation_fuel_efficiency.pdf
  6. Lompat ke:6.0 6.1 Saluran National Geographic - Buatan Manusia: Pesawat - Diambil dari http://channel.nationalgeographic.com/series/man-made/3319/Photos#tab-Videos/05301 00
  7. Studi dampak komposit terhadap lingkungan - Diakses di http://web.archive.org/web/20060923103650/http://www.plastkemiforetagen.se/Publicationer/PDF/Composite_materials_in_an_environmental_perspective.pdf
  8. Lompat ke: 8.0 8.1 Wawasan Tekstil - Komposit Tekstil Hijau - Diperoleh di http://www.textileinsight.com/articles.php?id=453
  9. Material A sampai Z - Material Komposit Berperforma Tinggi yang Diproduksi dari Plastik Bertulang Serat Alami Biodegradable - Diakses di http://www.azom.com/news.asp?newsID=13735
  10. R. Naslain - Universite Bordeaux - Komposit Matriks Keramik - Diakses di http://web.archive.org/web/20101122114453/http://www.mpg.de/pdf/europeanWhiteBook/wb_materials_213_216.pdf
  11. Lompat ke:11.0 11.1 Departemen Kimia - Universitas Bristol - Diperoleh di http://www.chm.bris.ac.uk/motm/spider/page2.htm
  12. Wired Science - Spiders Make Golden Silk - Diakses di http://www.wired.com/wiredscience/2009/09/spider-silk/

Discussion[View | Edit]

Cookies help us deliver our services. By using our services, you agree to our use of cookies.