Composites in the Aircraft Industry/id

▼Ini adalah halaman topik . Fokus Appropedia adalah pada penelitian orisinal , tetapi halaman ini memberikan konteks yang berguna dan membantu menavigasi situs. Anda dapat membantu Appropedia dengan memperbaiki halaman ini .

Material komposit ^{sangat penting} dalam industri penerbangan dan telah memungkinkan para insinyur untuk mengatasi hambatan yang dihadapi ketika menggunakan material secara individual. 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 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 operasional langsung pesawat terbang.

Material komposit dapat dibentuk menjadi berbagai bentuk dan, jika diinginkan, serat dapat dililit rapat untuk meningkatkan kekuatan. Fitur yang berguna dari komposit adalah bahwa komposit dapat dilapiskan, 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 sehingga akan menekuk 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 di atas kerangka dasar ini dan memperkuat seluruh material. Pembentukan material ini dapat menjadi proses yang mahal dan kompleks. Pada 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 ketika material komposit didinginkan. Komposit juga dapat diproduksi dengan menanamkan serat material sekunder ke dalam matriks dasar.

Komposit memiliki kekuatan tarik dan ketahanan terhadap kompresi yang baik, sehingga cocok digunakan dalam pembuatan komponen pesawat terbang. Kekuatan tarik material berasal dari sifat seratnya. Ketika gaya tarik diterapkan, serat-serat di dalam komposit akan sejajar dengan arah gaya yang diterapkan, sehingga menghasilkan kekuatan tarik. Ketahanan yang baik terhadap kompresi dapat dikaitkan dengan sifat perekat dan kekakuan dari sistem matriks dasar. Peran resin adalah untuk menjaga serat tetap sebagai kolom lurus dan mencegahnya dari tekuk.

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 menyebabkan peningkatan efisiensi bahan bakar dan kinerja pesawat terbang. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Peran material komposit dalam industri penerbangan

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

Boeing 787 Dreamliner adalah salah satu pesawat komersial pertama yang elemen struktural utamanya terbuat dari material komposit, bukan paduan aluminium. ^{[ 1 ]} Terdapat pergeseran dari komposit fiberglass kuno, beralih ke komposit laminasi karbon dan komposit sandwich karbon yang canggih pada pesawat ini. Masalah telah ditemukan pada kotak sayap Dreamliner, yang disebabkan oleh kekakuan yang tidak memadai pada material komposit yang digunakan untuk membangun bagian tersebut. ^{[ 1 ]} Hal ini menyebabkan penundaan 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 akan digunakan pada pesawat masa depan. ^{[ 1 ]}

Pengujian material komposit

Telah ditemukan kesulitan untuk memodelkan kinerja bagian yang terbuat dari komposit secara akurat melalui simulasi komputer karena sifat material yang kompleks. Komposit sering kali dilapiskan satu di atas yang lain untuk menambah kekuatan, tetapi hal ini mempersulit fase pengujian pra-produksi, karena lapisan-lapisan tersebut berorientasi ke arah yang berbeda, sehingga sulit untuk memprediksi bagaimana perilakunya ketika diuji. ^{[ 1 ]}

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

Faktor-faktor penggunaan material komposit

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

Salah satu kelemahan utama penggunaan komposit adalah bahwa material ini relatif baru, sehingga harganya mahal. Biaya tinggi ini juga disebabkan oleh proses fabrikasi yang padat karya dan seringkali kompleks. Komposit sulit diperiksa untuk mengetahui adanya cacat, sementara beberapa di antaranya menyerap kelembapan.

Meskipun lebih berat, aluminium, sebaliknya, mudah diproduksi dan diperbaiki. Aluminium dapat penyok atau tertusuk dan tetap utuh. Komposit tidak seperti itu; jika rusak, komposit membutuhkan perbaikan segera, yang sulit dan mahal.

Penghematan bahan bakar dengan pengurangan bobot

Konsumsi bahan bakar bergantung pada beberapa variabel, antara lain: berat pesawat kering, berat muatan, usia 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 ]}

Berikut ini adalah contoh perhitungan total penghematan bahan bakar dengan pengurangan berat kosong sebesar 20% untuk pesawat Airbus A340-300.

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

Diberikan:

• Berat Kosong Operasional (OEW): 129.300 kg
• Berat Maksimum Tanpa Bahan Bakar (MZFW): 178.000 kg
• Berat Lepas Landas Maksimum (MTOW): 275.000 kg
• Jarak Tempuh Maksimum @ Berat Maksimum: 10.458 km

Besaran-besaran lainnya dapat dihitung dari angka-angka yang diberikan di atas:

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

Jadi, kita dapat menghitung lebih lanjut konsumsi bahan bakar dalam kg/km berdasarkan berat bahan bakar maksimum dan jarak tempuh maksimum = 97.000 kg / 10.458 km = 9,275 kg/km

Berikut adalah perhitungan penghematan bahan bakar yang diantisipasi dengan pengurangan berat sebesar 20%, yang hanya akan mengurangi nilai OEW sebesar 20%:

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

Dengan asumsi 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 sebesar 97.000 kg memiliki MTOW (Maximum Take-Off Weight) yang lebih rendah untuk ditangani, dan dengan demikian akan memiliki jangkauan yang lebih besar karena berat maksimum dan jangkauan maksimum adalah besaran yang berbanding terbalik.

Menggunakan rasio sederhana untuk menghitung rentang baru:

249,320kG275,000kG=10,458kMXkM

Menyelesaikan persamaan untuk X memberikan rentang baru:

• X = 11.535,18 km

Ini memberikan nilai baru untuk konsumsi bahan bakar dengan bobot yang berkurang = 97.000 kg / 11.535,18 km = 8,409 kg/km

Sebagai gambaran, untuk 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 semakin menonjol menuju Rekayasa Hijau . Lingkungan kita mendapat perhatian dan pertimbangan yang lebih besar dari masyarakat saat ini. Hal ini juga berlaku untuk pembuatan material komposit.

Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, komposit memiliki bobot yang lebih ringan dan nilai kekuatan yang serupa dengan material yang lebih berat. Ketika komposit yang lebih ringan diangkut, atau digunakan dalam aplikasi transportasi, beban lingkungan yang ditimbulkannya lebih rendah dibandingkan dengan alternatif yang lebih berat. Komposit juga lebih tahan korosi dibandingkan material berbasis logam, yang berarti komponen akan bertahan lebih lama. ^{[ 7 ]} Faktor-faktor ini digabungkan menjadikan komposit sebagai material alternatif yang baik dari perspektif lingkungan.

Material 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 ]} Penelitian yang signifikan sedang dilakukan pada komposit yang dapat terurai secara hayati yang terbuat dari serat alami. ^{[ 9 ]} Penemuan material komposit yang dapat terurai secara hayati yang dapat diproduksi dengan mudah dalam skala besar dan memiliki sifat yang mirip dengan komposit konvensional akan merevolusi beberapa industri, termasuk industri penerbangan.

Alternatif lain untuk membantu upaya pelestarian lingkungan adalah dengan mendaur ulang suku cadang bekas dari pesawat yang dinonaktifkan. 'Penguraian' pesawat merupakan proses yang kompleks dan mahal, namun dapat menghemat biaya bagi perusahaan karena tingginya biaya pembelian suku cadang baru. ^{[ 6 ]}

Bahan komposit masa depan

Komposit matriks keramik

Upaya besar sedang dilakukan untuk mengembangkan material komposit ringan dan tahan suhu tinggi di Badan Penerbangan dan Antariksa Nasional (NASA) untuk digunakan pada komponen pesawat terbang. Suhu setinggi 1650°C diperkirakan akan terjadi pada saluran masuk turbin mesin konseptual berdasarkan perhitungan awal. ^{[ 3 ]} Agar material dapat menahan suhu tersebut, diperlukan penggunaan Komposit Matriks Keramik (CMC). Penggunaan CMC pada mesin canggih juga akan memungkinkan peningkatan suhu pengoperasian mesin, sehingga meningkatkan hasil produksi. ^{[ 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

Sutera laba-laba merupakan material lain yang menjanjikan untuk penggunaan material komposit. Sutera laba-laba menunjukkan daktilitas 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 menjadikan sutera laba-laba ideal untuk digunakan sebagai material serat dalam produksi material komposit ulet yang akan mempertahankan kekuatannya bahkan pada suhu abnormal. Material komposit ulet akan bermanfaat bagi pesawat terbang pada bagian-bagian yang akan mengalami tegangan variabel, seperti sambungan sayap dengan badan pesawat utama. Peningkatan kekuatan, ketangguhan, dan daktilitas komposit tersebut akan memungkinkan tegangan yang lebih besar diterapkan pada bagian atau sambungan sebelum terjadi kegagalan fatal. Komposit berbasis sutera laba-laba sintetis juga akan memiliki keuntungan bahwa seratnya akan dapat terurai secara hayati.

Banyak upaya yang tidak berhasil telah dilakukan untuk mereproduksi sutra laba-laba di laboratorium, namun resintesis yang sempurna belum tercapai. ^{[ 12 ]}

Lembaran baja komposit hibrida

Material menjanjikan lainnya adalah baja tahan karat yang dibuat dengan inspirasi dari komposit dan serat nanoteknologi serta kayu lapis. Lembaran baja terbuat dari material yang sama dan mampu ditangani serta diproses dengan cara yang sama persis seperti baja konvensional. Namun, bobotnya beberapa persen lebih ringan untuk kekuatan yang sama. Ini sangat berharga untuk manufaktur kendaraan. Dengan paten yang masih dalam proses, perusahaan Swedia Lamera merupakan perusahaan hasil pengembangan dari riset di 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 masih mahal. Hingga teknik-teknik baru diperkenalkan untuk mengurangi biaya implementasi awal dan mengatasi masalah ketidakmampuan terurai secara hayati pada komposit saat ini, material yang relatif baru ini tidak akan mampu sepenuhnya menggantikan paduan logam tradisional.

Referensi