DOI:  http://dx.doi.org/10.22146/jmdt.v1i2.53047 e-ISSN: 2685-8029

## Proses Fabrikasi dan Sifat Mekanik Komposit Polimer dengan Metode Bladder Compression Moulding
G. Nugroho 1,* dan M. S. R. R. Wantogia 1
1 Departemen Teknik Mesin dan Industri Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada Yogyakarta 55281, Indonesia Telp. (0274) 521673 *e-mail: gesangnugroho@ugm.ac.id

## Abstract
Composite materials have high potential for use in many technical applications. Composite materials have diverse mechanical properties and are easily set according to design requirements. The mechanical properties of polymer composite materials are obtained from various choices of fibers and matrices used to the manufacturing methods. In this study, the tensile strength of carbon fiber is sought with an epoxy resin matrix made by using the bladder compression molding method as well as the manufacturing process of composite formation as a whole. The results obtained, compared to composite materials with the same constituent material but made by the method of vacuum bagging and hand lay-up. The formation of carbon fiber composites by the bladder compression molding (BCM) method produces a higher tensile strength compared to the formation of carbon fiber composites by the vacuum bagging method, in the case formation process by the BCM method is able to increase the tensile strength by 17.48% from the vacuum bagging method with strength of the pull is 515 MPa.
Keywords : polymer composites, bladder compression molding, mechanical properties, tensile testing, vacuum bagging.

## Abstrak
Material  komposit  memiliki  potensi  yang  tinggi  pada  kegunaanya  di  banyak  aplikasi  teknik. Material  komposit  memiliki  sifat  mekanis  yang  beragam  dan  mudah  diatur  sesuai  dengan kebutuhan  perancangan.  Sifat  mekanis  material  komposit  polimer  didapatkan  dari  berbagai pemilihan serat dan matriks yang digunakan hingga metode manufaktur yang digunakan. Pada penelitian ini, dicari kekuatan tarik serat karbon dengan matriks resin epoxy yang dibuat dengan metode bladder  compression  molding beserta  proses  manufaktur  pembentukan  komposit  secara keseluruhan. Hasilnya yang diperoleh, dibandingkan dengan material komposit dengan material penyusun yang sama namun dibuat dengan metode vacuum bagging dan hand lay-up . Pembentukan komposit serat karbon dengan metode bladder compression moulding (BCM) menghasilkan kekuatan tarik yang lebih tinggi dibanding dengan pembentukan komposit serat karbon dengan metode vacuum  bagging ,  dimana  proses  pembentukan  dengan  metode  BCM  mampu  meningkatkan kekuatan tarik sebesar 17,48% dari metode vacuum bagging yang kekuatan tariknya sebesar 515 MPa.
Kata kunci : komposit polimer , bladder compression moulding, sifat mekanis, uji tarik , vacuum bagging.

## 1. PENDAHULUAN
Perkembangan  teknologi  dalam  kehidupan manusia  dapat  memunculkan penemuan- penemuan  baru.  Dunia  teknik  material  adalah  salah  satu  dari  segala  bidang  keteknikan  yang menunjukkan  perkembangan  yang  pesat.  Hal  ini  dikarenakan  dalam  setiap  perancangan keteknikan  pemilihan  material  yang  tepat  sangat  berpengaruh  pada  rancangan  yang diimplementasikan.  Banyak  variabel  dalam  teknik  material  yang  dapat  dimodifikasi menyesuaikan  dengan  dana  dan  kebutuhan  rancangan  tersebut  untuk  menciptakan  suatu rancangan yang optimal dan efisien.
Pada  perkembangannya,  para  perekayasa  material  komposit  memfokuskan penelitiannya untuk menciptakan material yang lebih kuat, lebih tangguh dan yang lebih ringan untuk mendukung perkembangan teknologi dan konsep perancangan bentuk-bentuk struktur kompleks  seperti  pada  pesawat  terbang,  struktur  otomotif,  dan  struktur  bilah  turbin  angin (Gururaja and Rao, 2012).
Material komposit adalah bahan struktural yang terdiri dari dua atau lebih bahan yang digabungkan pada tingkat makroskopik dan tidak larut satu sama lain (Gururaja and Rao, 2013). Komposit  dengan  matriks  polimer  atau  komposit  polimer  merupakan  material  yang menggunakan polimer
sebagai matriks dan serat sebagai penguat. Serat yang umum digunakan dalam material komposit polimer adalah serat gelas, serat karbon dan serat organik lainnya (Mardiyati, 2018).
Selain  pemilihan  serat  dan  matriks  yang  digunakan,  metode  pembentukan  material komposit  menjadi  salah  satu  faktor  yang  mempengaruhi  sifat  mekanis  material  komposit tersebut (Jagannatha and Harish, 2015). Efektifitas material penguat pada dasarnya bergantung pada daya adhesi serat dan matriks yang digunakan, sehingga faktor kunci dari sifat mekanis material komposit sangat bergantung pada variabel ini (Yosoyima dkk., 1990).
Metode  paling  sederhana  dalam  manufaktur  material  komposit  adalah  dengan menggunakan  metode hand  lay-up, dalam  metode  ini  serat  penguat  yang  digunakan  dilumuri dengan  matriks  yang  masih  cair  kemudian  diratakan  secara  manual.  Metode  ini  tidak memerlukan  investasi  yang  besar  dalam  prosesnya  namun  memiliki  banyak  kekurangan dibandingkan dengan metode yang lain (Zhang dkk., 2012).
Pengembangan  selanjutnya  dari  metode hand  lay-up adalah  metode vacuum  bagging . Metode ini lebih baik karena pada proses curing terdapat gaya yang menekan serat dan matriks akibat  evakuasi  udara  di  dalam vacumm  bag, sehingga  matriks  dapat  terdistribusi  dengan  baik untuk mencegah terjadinya porositas (Hou and Jensen, 2004). Walaupun demikian, porositas masih banyak ditemukan dalam manufaktur komposit metode ini karena udara yang terjebak antar permukaan serat pre impregnation selama proses lay-up. Besar dan distribusinya dipengaruhi oleh antara lain waktu tahan vakum, pendinginan dan waktu keluar, serta modifikasi material dan proses yang mempengaruhi evakuasi (Hamill dkk., 2015).
Metode lain untuk memaksimalkan hasil manufaktur material komposit adalah dengan metode infusion. Metode ini juga disebut VARIM ( Vacuum Assisted Resin Infusion Moulding ). Pada metode ini serat yang masih kering diletakkan didalam vacuum bag yang semula dibuat vacuum . Dengan memanfaatkan ruang vakum di dalam vacuum bag resin dialirkan melalui serat kemudian di buang di sebuah wadah bernama resin trap (Goren and Atas, 2008). Dengan menggunakan metode ini distribusi resin akan lebih efisien dan kelebihan resin tidak akan mengganggu struktur komposit  yang  akan  dihasilkan  sehingga  fraksi  volume  serat  yang  diinginkan  dapat  tercapai (Sevkata and Brahimib, 2011).
Dalam proses pembuatan komposit, fraksi volume serat hendaknya dimaksimalkan agar dicapai struktur material yang lebih baik. Upaya ini dilakukan dengan memberikan tekanan yang optimal pada material komposit selama proses curing (Guiraud et al, 2012).
Metode bladder  compression  molding mampu  memberikan  tekanan  yang  optimal menggantikan metode autoclave untuk menekan biaya produksi, selain itu penambahan bladder bertekanan  membantu  menghilangkan  kelebihan  resin  pada  proses curing menghasilkan kandungan serat yang lebih tinggi (Anderson and Altan, 2012) dan untuk menjaga keseragaman tebal  lapisan  penguat  dan  mempermudah  produksi  komponen  berongga  yang  kompleks (Hammami and Al-Zarouni, 2001)
Untuk meningkatkan kualitas material komposit yang dihasilkan bladder compression mould dapat dipadukan dengan beberapa metode seperti metode bladder assisted composite manufacturing yang  dikembangkan oleh  Anderson  dan  Altan  (2014).  Teknik  ini memanfaatkan bladder yang dipanaskan secara internal yang mampu mengurangi 50% energi yang dibutuhkan untuk proses curing (Anderson  and  Altan,  2014) . Selain  itu  metode vacuum  assisted  resin  transfer  mould yang dikembangkan  oleh  Anderson  menggunakan bladder fleksibel  bertekanan  untuk  menerapkan tekanan  konsolidasi  di  samping  tekanan  ambien  bentuk  awal,  segera  setelah  impregmentasi, dalam penelitiannya mampu meningkatkan volume serat dari 42% menjadi 53% (Anderson dkk., 2013).
Tujuan penelitian ini  adalah untuk  membandingkan  sifat  mekanis material  komposit yaitu kekuatan tarik yang dibuat dengan metode hand lay-up , vacuum bagging , dan bladder compression moulding untuk mendapatkan metode paling optimal agar diperoleh komposit dengan kekuatan mekanis yang baik namun ringan.

## 2. METODE PENELITIAN
Proses penelitian ini diawali dengan pemilihan material serat karbon dan matriks yang digunakan, kemudian dilanjutkan dengan proses pembuatan bladder, proses pembuatan produk spesimen,  pengujian  tarik  untuk  masing-masing  spesimen  dengan  metode  yang  berbeda  dan membandingkan hasil uji tarik.
Pemilihan Material
Material komposit dalam pengujian ini dibentuk dari serat karbon sebagai serat penguat dan resin epoksi sebagai matriksnya. Serat karbon yang digunakan adalah plain weave 1k 120g yang ditunjukkan pada Gambar 1 dan resin epoksi yang digunakan adalah eposchon A dengan hardener EPH 555 yang ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 1. Serat karbon plain weave 1k
Gambar 2. Campuran eposchon A dan hardener EPH 555

## Proses Pembuatan Bladder
Pembuatan bladder dilakukan  dengan  menggunakan  silikon  yang  disebut Room- Temperature-Vulcanizing (RTV) Sillicone .  Pembuatan bladder dilakukan  dengan  melapisi  cetakan atas maupun bawah dengan komponen RTV silicone rubber A dan B yang sudah siap di curing . Cetakan kemudian ditutup kemudian diberi tekanan. Skema pembuatan bladder ini ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Skema pembuatan bladder
Dalam  penelitian  ini  spesimen  dibuat  dengan  bentuk  plat  karena  pengujiannya mengikuti  standar  ASTM  D638-02a  sehingga  cetakan  dibuat  berbentuk kotak  yang memiliki ruang  di  dalamnya. Bladder kemudian  dilepaskan  dari  cetakan  setelah  proses curing selesai. Gambar 4 menujukkan cetakan dan bladder yang sudah jadi.
Gambar 4. Hasil bladder yang siap pakai

## Pembuatan dan Pengujian Spesimen
Pembuatan  spesimen  di  dalam  penelitian  ini  akan  dibuat  3  variasi  metode,  dimana metode yang pertama adalah spesimen dibuat dengan metode hand lay-up , metode yang kedua dibuat dengan metode vacuum bagging, dan metode ketiga meggunakan metode bladder compression moulding dengan  tekanan  7  bar.  Skema  pembetukan  produk  spesimen  uji  ditunjukkan  pada Gambar 5.
Gambar 5. Skema sederhana pembentukan komposit metode bladder compression moulding
Setiap  metode memiliki  kekurangan  dan  kelebihannya masing-masing, namun  dalam penelitian ini dicari metode yang memiliki sifat mekanis material komposit terbaik. Serat karbon penguat  dibuat  4  lapis  karena  pengujian  dapat  dilakukan  dengan  batas  ketebalan  spesimen minimal 1 mm. Tabel 1 menunjukkan desain eksperimen selengkapnya.
Tabel 1. Metode manufaktur eksperimen Spesimen Metode Tekanan 1 Hand Lay-up - 2 Vacuum Bagging Vacuum 3 Bladder Compression 7 bar
Langkah  selanjutnya  adalah  membuat  produk  spesimen,  dengan  mula-mula membersihkan  cetakan  dari sisa-sisa  produksi bladder ,  kemudian melapisi permukaan  cetakan dengan  Meguiar’s  Mirror Glaze  sebagai release  agent agar  komponen spesimen  mudah  dilepas setelah proses curing selesai. Proses ini dilanjutkan dengan melapisi setiap lapisan serat karbon dengan resin yang sudah dicampur dan ditumpuk hingga 4 lapisan seperti yang ditunjukkan pada gambar 7 dibawah ini.
Gambar 6. Melapisi serat karbon dengan resin secara merata
Serat karbon yang sudah dilumuri resin ditumpuk dan diatasnya diberikan release film yang berfungsi untuk memudahkan proses pelepasan produk komposit setelah proses curing dan membuang kelebihan resin untuk mendapatkan volume fraksi serat yang optimal. Kemudian diatas release  film dilapisi breather yang  berfungsi  untuk  menahan  kelebihan  resin  agar  tidak mengenai bladder sehingga bladder dapat  digunakan  berulang  kali.  Gambar  8  menunjukkan komposisi lapisan breather dan pada metode bladder compression moulding.
Langkah  terakhir  adalah  meletakkan bladder dan  menutup  cetakan  untuk  kemudian diberikan tekanan sesuai desain eksperimen selama proses curing berlangsung. Gambar 9 dan gambar 10 menunjukkan proses peletakan dan pemberian tekanan pada bladder .
Gambar 7. Komposisi release film dan breather diatas lapisan serat
Gambar 8. Peletakkan bladder diatas semua lapisan
Gambar 9. Pemberian tekanan pada bladder
Setelah proses curing selesai selanjutnya cetakan dibuka, bladder diambil, lapisan breather dan release  film dilepas,  kemudian  laminasi/produk  komposit  dipotong  mengikuti  bentuk spesimen sesuai standar ASTM sepeti yang ditunjukkan pada Gambar 11.
Gambar 10. Spesimen uji tarik sesuai ASTM D638-02a

## Uji Kekuatan Mekanis
Pengujian  kekuatan  pada  penelitian  ini  adalah  pengujian  kekuatan  tarik,  diambil pembebanan  tersebut  karena  aplikasinya  pada  struktur  komposit airframe pesawat.  Standar pengujian  kekuatan  tarik  mengacu  pada  standar  ASTM  D638-02a.  Spesimen  diberikan pembebanan hingga 12 kN menggunakan mesin Zwick Z020 pada temperatur ruangan. Beban diberikan pada spesimen hingga spesimen mengalami kegagalan atau patah. Pemanjangan dan
beban maksimal kemudian dicatat. Pengujian dilakukan lima kali pada setiap metode dan nilai rata-rata hasil pengujian akan menentukan kekuatan tarik pada material komposit.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian spesimen menghasilkan data, kekuatan tarik untuk masing-masing metode pembentukan komposit. Berikut adalah penjelasan dan hasil pengujian tarik spesimen.
Hasil  pengujian  tarik  diambil  dari  5  spesimen  dengan  berbagai  metode  eksperimen pembentukan komposit. Yang pertama adalah dengan metode hand lay-up , hasil pengujian tarik metode ini adalah sebesar 329 Mpa (H. Rahmani et al, 2014). Selanjutnya dengan menggunakan metode vacuum bagging . Hasil uji tarik yang didapatkan dengan pembentukan komposit metode ini sebesar 515 MPa (T. D. Jagannatha and G. Harish, 2015). Ada peningkatan sebesar 56,53% dari metode hand lay-up .
Nilai  kekuatan  tarik  tertinggi  diperoleh  dari  komposit  dengan  metode  manufaktur bladder compression moulding . Tabel 2 dibawah ini menunjukkan data yang diperoleh dari masing- masing spesimen dalam pembentukan komposit metode BCM dan tabel 3 menunjukkan rata- rata hasil yang diperoleh pada Tabel 2.
Tabel 2. Kekuatan tarik spesimen BCM
Tabel 3. Rata-rata kekuatan tarik spesimen BCM
Gambar  11  dibawah ini menunjukkan grafik perbedaan  kekuatan  tarik  yang  dimiliki masing-masing metode pembentukan komposit polimer.
Gambar 11. Grafik kekuatan tarik pada berbagai metode manufaktur komposit
329 515 605 0 200 400 600 800 Hand Lay-up Vacuum Bag BCM Ke ku at an T ar ik ( M P a) Metode Manufaktur
Dari  hasil  yang  diperoleh  didapati  pembentukan  komposit  polimer  dengan  metode BCM merupakan metode yang paling optimal untuk memperoleh sifat mekanis komposit yang baik. Hal ini sesuai dengan beberapa penelitian yang menjadi referensi pada tulisan ini, dimana secara  berurutan  sifat  mekanis  komposit  yang  dihasilkan  adalah  dari  yang  tertinggi  hingga terendah yang baik dihasilkan oleh metode berikut Hand lay-up > Vacuum Bagging > BCM.

## 4. KESIMPULAN
Kekuatan  tarik  dalam  perbandingan  hasil  yang  didapat  pada  masing-masing  metode adalah sebagai berikut:
• Hand Lay-up = 329 MPa
• Vacuum Bagging = 515 MPa
• BCM = 605 MPa
Dengan menggunakan metode manufaktur BCM kekuatan tarik spesimen uji mampu meningkat 17,48 % dari metode vacuum bagging.

## 5. DAFTAR PUSTAKA
A. Goren and C. Atas, "Manufacturing of Polymer Matrix Composites using Vacuum Assisted Resin Infusion Molding," International Scientific Journal, World Academy of Materials and Manufacturing Engineering, vol. 34, no. 2 (2008) pp. 117-120.
A. Hammami and A. Al-Zarouni, "Investigation of the RTM / Bladder Molding Process," in International Committee on Composite Materials, Beijing, 2001.
E.  Sevkata  and  M.  Brahimib,  "The  Bearing  Strength  of  Pin  Loaded  Woven  Composites Manufactured  by  Vacuum  Assisted  Resin  Transfer  Molding  and  Hand  Lay-up Techniques," Elsevier, Procedia Engineering, vol. 10 (2011) pp. 153-158.
H.  Rahmani,  S.  H.  M.  Najafi  and  A.  Ashori,  "Mechanical  performance  of  epoxy/carbon," Journal of Reinforced Plastics & Composites, vol. 33, no. 8 (2014) pp. 733-740.
J.  P.  Anderson  and  M.  C.  Altan,  "Bladder  Assisted  Composite  Manufacturing  (BACM): Challenges  and  Opportunities,"  in  Polymer  Processing  Society  Europe-Africa Conference, Tel Aviv, 2014.
J.  P.  Anderson  and  M.  C.  Altan,  "Properties  of  Composite  Cylinders  Fabricated by  Bladder Assisted  Composite  Manufacturing,"  ASME,  Journal  of  Engineering  Materials  and Technology, vol. 134, no. 4, 2012.
J. P. Anderson, A. J. Kelly and M. C. Altan, "Fabrication of Composite Laminates by Vacuum- Assisted Resin Transfer Molding Augmented with an Inflatable Bladder," in American Society for Composites 28th Technical Conference, Pennsylvania, 2013.
J. Zhang, K. Chaisombat, S. He and C. H. Wang, "Hybrid Composite Laminates Reinforced with  Glass/Carbon  Woven  Fabrics  for  Light  Weight  Load  Bearing  Structures," Elsevier, Material and Design, vol. 36, (2012) pp. 75-80.
L.  Hamill,  T.  Centea  and  S.  Nutt,  "Surface  Porosity  During  Vacuum  Bag-only  Prepreg Processing: Causes and Mitigation Strategies," Elsevier, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, vol. 75 (2015) pp. 1-10.
M. N. Gururaja and A. N. Hari Rao, "A Review on Recent Applications and Future Prospectus of  Hybrid  Composites,"  International  Journal  of  Soft  Computing  and  Engineering (IJSCE), vol. 1, no. 6, January 2012, pp. 352-355.
M. N. Gururaja and A. N. Hari Rao, "Effect of An Angle-ply Orientation on Textile Properties of  Kevlar/Glass  Hybrid  Composites,"  International  Journal  on  Theoratical  and Applied Research in Mechanical Engineering, vol. 2, no. 3 (2013), pp. 63-67.
Mardiyati, "Komposit Polimer sebagai Material Tahan Balistik," Jurnal Inovasi Pertahanan dan Keamanan, vol. 1, no. 1, Februari 2018, pp. 20-28.
O. Guiraud , P. J. Dumont, L. Orgéas and D. Favier , "Rheometry of compression moulded fibre-reinforced  polymer  composites:  Rheology,  compressibility,  and  friction  forces with  mould  surfaces,"  Elsevier,  Composites  Part  A:  Applied  Science  and Manufacturing, vol. 43, no. 11 (2012) pp. 2107-2119.
R. Yosoyima, K. Morimoto, T. Susuki, A. Nakajima and Y. Ikada , Adhesion and Bonding in Composites, New York: Marcel Dekker Inc., 1990.
T.  D.  Jagannatha and  G.  Harish,  "Mechanical  Properties of  Carbon/Glass  Fiber  Reinforced Epoxy Hybrid Polymer Composites," International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research, vol. 4, no. 2, April 2015.
T.  Hou  and  B.  J.  Jensen,  Evaluation  of  Double-Vacuum-Bag  Process  For  Composite Fabrication, Virginia: NASA Langley Research Center, 2004.