## STUDI EKSPERIMENTAL DAN ANALISA RESPON MEKANIK HELMET SEPEDA DARI BAHAN KOMPOSIT BUSA POLIMER DIPERKUAT SERAT TKKS AKIBAT BEBAN IMPAK JATUH BEBAS
Sukardi 1 , Bustami Syam 2 , M. Sabri 3 , Tugiman 4 , Syahrul Abda 5 Farida Ariani 6 , Alfian Hamsi 7 1,2,3,4,5,6,7 Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara Email : Sukardimechanical@yahoo.co.id

## ABSTRAK
Tujuan  penelitian  ini  adalah  untuk  mendapatkan  tegangan,  regangan  danenergi  impak  yang  mampu diserap  oleh  helmet  sepeda  dari  bahan polimerik  foam busa  komposit.  Pengujian  impak  jatuh  bebas dilakukan dengan menggunakan alat uji jatuh bebas multiguna. Helmet yang diuji diletakkan pada tes rig  yang  dapat  diatur  ketinggian  jatuhnya.  Perhitungan  waktu  impak,  maka  pada  alat  uji  dilengkapi dengan  8  buah  sensor  proximity  jenis  induktif.  Helmet  akan  jatuh  dan  menabrak  dudukan  alas  uji yang  disebut  dengan  anvil.  Gaya  yang  dihasilkan  akan  diukur  dengan  menggunakan  alat  sensor pengukuran  beban  yang  disebut  dengan  load  cell  yang  diletakkan  di  bawah  anvil.  Data  akan dipindahkan dari load cell ke suatu sistem data akusisi yang berfungsi untuk merubah sinyal analog ke bentuk  sinyal  digital.Data  akan  disimpan  pada  PC  sebagai  gaya  (N)  dan  waktu  (t).Hasil  uji  impak dengan cara eksperimental untuk helmet bahan polimerik foam busa komposit diperkuat serat TKKS, uji impak pada sisi samping dengan ketinggian impaktor 1 m diperoleh besar gaya rata-rata 275,33 N. Dan  Sisi  belakang  239,33  N.  dan  besar  tegangan  rata-rata  yang  terjadi  pada  sisi  samping  adalah 1,029Mpa.  Pada  sisi  belakang  adalah    0,684  Mpa.  Tegangan  yang  terjadi  ini  menyebabkan  helmet sepeda pecah yang berarti telah mencapai dan melewati titik break point.
Kata Kunci: Impak Jatuh Bebas, Komposit Pf, Metode Cetak Tuang.

## 1. PENDAHULUAN
Pengunaan polimer dan komposit dewasa ini semakin meningkat di segala bidang. Komposit berpenguat  serat  alam  banyak  diaplikasikan  pada  alat-alat  material  yang  mempunyai  dua  perpaduan sifat dasar, yaitu kuat dan ringan. Serat yang berbeda akan menghasilkan kualitas bahan yang berbeda.
Untuk  proses  pembuatan helmet sepeda,  desain  serta  kualitas  harus  di  perhatikan.  Karena, helmet sepeda  harus  mampu  melindungi  kepala  pengendara  dari  benturan  (impak).  Oleh  karena  itu, bahan  pembuatan helmet sepeda  haruslah  berasal  dari  bahan  berkualitas  tinggi.  Biasanya helmet sepeda  yang  berkualitas  harganya  mahal.  Hal  ini  dikarenakan  bahan  baku  dan  teknologi  yang digunakan untuk membuat helmet sepeda juga mahal.
Bahan  baku  yang  biasa  digunakan  untuk  pembuatan helmet sepeda  adalah plastic , rubber, fiberglass,  polycarbonate,  kevlar,  maupun  serat  karbon .  Teknologi  pembuatannya  menggunakan teknik  cetak  suntik (injection  molding) dan thermoforming .  Bahan  dan  cara  pembuatan  diatas membutuhkan  biaya  yang  sangat  mahal.  Hal  inilah  yang  melatar  belakangi  peneliti  ingin  mendesain dan  membuat helmet sepeda  berbahan  komposit  busa  polimer  dengan  bahan  penguat  serat  tandan kosong kelapa sawit  (TKKS) dengan metode cetak tuang.
Pengembangan    material  ini  sebagai  material  penguat komposit  dengan    matriks  berasal  dari material-material  polimer  baru  masih  jarang  ditemukan.  Penulis  tertarik  untuk  meneliti    respon material komposit yang berpenguat serat TKKS  apabila dibuat dalam bentuk helmet sepeda.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
dilakukan  untuk  memastikan  kemampuan  material  sesuai  dengan  produk  yang  akan  dihasilkan gabungan makroskopis fasa-fasa pembentuk komposit. [1]

## 2.1. Polyester  Resin BQTN 157-EX
Polyester resin  BQTN  157-EX  merupakan  material  polimer kondensat yang  dibentuk berdasarkan  reaksi  antara  kelompok polyol ,  yang  merupakan  organik  gabungan  dengan  alkohol multiple atau gugus fungsi hidroksi, dan polycarboxylic yang mengandung ikatan ganda. adapun jenis polyester resin yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada gambar.1.
Gambar 1. Polyester Resin BTN 157-EX

## 2.2. Blowing Agent
Blowing  agent adalah  agen  busa  untuk  menciptakan  gelembung  udara  dalam  struktur komposit jenis blowing agent yang digunakan pada penelitian ini ialah: 1. Asam Asetat dan,
Untuk  mempermudah  proses  terjadinya  reaksi  pada  matrial  komposit  busa  polymer  yang diperkuat setarTKKS yang akan digunakan untuk proses pembuatan helmet sepeda.
2. Natrium Bicarbonat
Natrium  bicarbonat  digunakan  sebagai  pengembang  pada  matrial  komposit  busa  polymer yang diperkuat serat TKKS yang akan digunakan untuk proses pembuatan helmet sepeda.

## 2.3. Katalis MEKP ( Methyl Ethyl Keton Peroksida)
Katalis adalah suatu zat yang mempercepat laju reaksi-reaksi kimia pada suhu tertentu, tanpa mengalami  perubahan  atau  terpakai  oleh  reaksi  itu  sendiri.  Katalis  berperan  dalam  reaksi  tapi  bukan sebagai  pereaksi  ataupun  produk.  Adapun  fungsi  katalis  didalam  penelitian  ini  adalah  untuk mempercepat  reaksi  pada  matrial  komposit  busa  polymer  yang  akan  digunakan  untuk  proses pembuatan helmet sepeda. [2]

## 2.4. Uji Impak Jatuh  Bebas
Pengujian  standard  ini  bertujuan  untuk  melihat  sejauh  mana  kemampuan helmet dalam menyerap energi impak ( impact energy test ), Selain itu uji standar juga bertujuan meneliti kepatahan rusak helmet ( penetration  test )  yang  memungkinkan  merusak  lapisan  cangkang helmet seperti  yang terlihat pada gambar 2. [3]
Gambar 2. Alat uji impak jatuh bebas
2.4.1. Gerak Jatuh Bebas
Keterangan gambar:
1. Framebase
2. Supporttable 3. Loadcell 4. Teflonbase 5. Bottombase 6. Ball endpenetrator 7. Anvilsupport 8. Anvil 9. Helmet
10. Test rig 11. Pipa peluncur
Benda jatuh tanpa kecepatan awal (v o = nol). Semakin ke bawah gerak benda semakin cepat. Percepatan  yang  dialami  oleh  setiap  benda  jatuh  bebas  selalu  sama,  yakni  sama  dengan  percepatan gravitasi  bumi  (a  =  g)  (besar  g  =  9,8  ms -2 dan  sering  dibulatkan  menjadi  10  ms -2 ).  Menurut  Khurmi R.S,  untuk  menentukan  kecepatan  benda  jatuh  bebas  setiap  detik  akan  diperoleh  pendekatan  seperti yang terlihat pada tebel 1.
Tabel 1. Waktu dan kecepatan benda jatuh
Waktu t (s) 0 1 2 3 4 5 Kecepatan v (m/s) 0 9,8 19,6 29,4 39,2 49
Dari data Tabel 1.  dapat di  gambarkan sebuah  grafik  hubungan antara kecepatan dan  waktu yang juga merupakan sebuah persamaan garis lurus seperti pada Gambar 3  Jadi percepatan seragam dapat diperoleh dengan persamaan (1).
      = − = − = s m t v v v 8 , 9 5 0 49 0 .............(1)
Gambar 3. Grafik hubungan v – t

## 2.4.2. Gerak Lurus
Perpindahan  adalah  sebuah  perubahan  kedudukan  ini  merupakan  besaran  vektor  yang memiliki  jarak  dan  arah. Percepatan  dapat  didefinisikan  sebagai  laju  perubahan  kedudukan  terhadap waktu.  Ini  juga  merupakan  besaran  vektor  yang  memiliki    jarak,  arah,  dan  waktu.  Persamaan  gerak lurus percepatan seragam dapat dijelaskan pada gambar.4.
t v s . = ..............................................  (2)
Gambar 4.  Diagram kecepatan – waktu
Perpindahan digambarkan dengan luas daerah dibawah grafik kecepatan – waktu.
a t v =   ; t v v v   + = 0 ; at v v + = 0 ..... ...(3) 0 50 100 0 10 K e c e p atan v (m /s ) Waktu  t (s) Grafik  v - t Pers. Garis Lurus
Dengan mensubstitusikan
( ) at v + 0 kedalam persamaan ( ) t v v s . 2 1 0 + =
maka  diperoleh  jarak  perpindahan  sebesar
( ) 2 0 . 2 1 . at t v s + = .  Dengan  mensubstitusikan  waktu
a v v
t 0 − = kedalam persamaan ( ) t v v s . 2 1 0 + = ,  diperoleh rumus kecepatan  v 2 = v o 2 + 2as.   Jika v o = 0, maka  v 2 = 2.as, sehingga persamaan menjadi:
as V 2 = ............................................ (4)
Untuk kasus jatuh bebas maka a = g dan s = h, sehingga besarnya kecepatan diperoleh dengan persamaan (5).
h g V .
2 = ........................................... (5)

## 2.4.3. Momentum dan Impuls
Sebuah benda bergerak  dikatakan  mempunyai  momentum yang  dinyatakan  dengan  hasil  kali massa dengan kecepatan benda tersebut.  Hal ini dapat dinyatakan dengan persamaan (6).
v m M . = .............................................(6)
Gambar 5. Hubungan Momentum dan Impuls
Impuls sebuah gaya konstan adalah hasil kali gaya dengan selang  waktu yang diperlukan, ini dapat dinyatakan dalam persamaan (7).
t F I . = ............................................... (7)

## 2.4.4. Gaya dan Energi Impak
Gaya  impak  dapat  diperoleh  dengan  mensubstitusi  persamaan  (6)  dengan  persamaan  (7), sehingga besar nilai gaya dapat dinyatakan dengan persamaan (8).
t v m
F . = ............................................ (8)
Energi  didefinisikan  sebagai  kemampuan  untuk  melakukan  usaha/kerja.  Hukum  kekekalan energi  menjelaskan bahwa energi tidak dapat diciptakan  dan dimusnahkan. Salah satu bentuk  energi mekanik adalah energi kinetik dan energi potensial Nilai energi kinetik dapat dihitung dari pergerakan awal  benda  dari  kecepatan  awal  (v o )  ke  kecepatan  perubahan  benda  (v 1 ),  yang  ditentukan  dengan persamaan (9).
2 . 2 1 v m E k = .......................................... (9)
Energi  potensial  (E p )  adalah  energi  yang  dimiliki  oleh  benda  berdasarkan  kedudukan (ketinggian). Besarnya energi potensial dapat dihitung dengan persamaan (10).
H g m E p . . = ..................................... ...(10)

## 2.4.5. Tegangan
Apabila  sebuah  batang  atau  plat  dibebani  sebuah  gaya  maka  akan  terjadi  gaya  reaksi  yang sama dengan yang arah berlawanan. Maka, rumus tegangan seperti terlihat pada persamaan (11).
σ = F Ao ................................................. (11)

## 2.4.6. Regangan
Regangan  adalah  suatu  bentuk  tanpa  dimensi  untuk  menyatakan  perubahan  bentuk.  maka rumus regangan dapat dilihat pada persamaan (12). [4]
ε = 𝛥𝐿 𝐿 0 = 𝐿 1− 𝐿 0 𝐿 ....................................... (12)

## 3. METODE PENELITIAN

## 3.1. Alat
Adapun peralatan yang digunakan didalam penelitian ini adalah:
1. Cetakan Helmet
Untuk pembuatan Spesimen helmet sebagai spesimen Uji Impak jatuh bebas.
2. Mixer Untuk mengaduk bahan-bahan yang sudah dicampur sebelumnya ke dalam wadah pengaduk.
3. Wadah Pengaduk Sebagai wadah pengaduk bahan-bahan yang sudah ditimbang sebelumnya.
4. Alat Uji Impak Jatuh Bebas Untuk instrumen pengujian impak jatuh bebas.
5. Personal Computer Mengolah data dan melakukan simulasi.

## 3.2. Bahan
Adapun bahan yang digunakan didalam penelitian ini adah:
1. Polyester resin tak jenuh tipe BQTN 157-EX
Polyester  resin  tak  jenuh  yang  digunakan  adalah  tipe  BQTN  157-EX  sebagai  matrik  pada material komposit yang diperkuat serat TKKS.

## 2. Serat TKKS
Serat TKKS  yang  digunakan,  sebelumnya  di-treatment  dengan  NaOH  untuk  menghilangkan lemak, lalu kemudian digiling dengan mesin penggiling adapun fungsi serat TKKS didalam penelitian ini adalah sebagai Penguat pada material komposit busa polimer.

## 3. Blowing Agent
Blowing  agent adalah  agen  busa  untuk  menciptakan  gelembung  udara  dalam  struktur komposit jenis blowing agent yang digunakan pada penelitian ini ialah:
1. Baking Soda
2. Asam Asetat

## 3.3. Metode Pembuatan Spesimen
Spesimen uji divariasikan ke dalam tiga komposisi seperti diperlihatkan pada tabel 2. [5]
Tabel 2. Komposisi spesimen Spesimen Resin (wt%) Serat TKKS (wt%) Sodium bicarbonate (wt%) A B 80 77.5 5 7.5 15 15
C 75 10 15
Spesimen uji tekan dan brazilian dibentuk berdasarkan standar ASTM D 1621-00. Pengujian dilakukan menggunakan alat uji Shimadzu Servopulser SC-2DE. Untuk menghitung densitas, material dibentuk  menjadi  bentuk  kubus  dengan  dimensi  15x15x15  mm.  Perhitungan  densitas  dilakukan menggunakan  metode  ASTM  D  1622.  Semua  proses  pembuatan  dan  pengujian  spesimen  pada penelitian ini dilakukan di Laboratorium Impact and Fracture Research Center USU, Medan.

## 3.4.   Alat  Uji Impak  Jatuh Bebas
Pada  penelitian  ini  digunakan  beberapa  peralatan  yaitu  alat  uji  impak  jatuh  bebas,  dan    alat pengukur energi dan gaya impak (Load cell). Gambar 6. menunjukkan perangkat alat uji impak jatuh bebas.
Gambar  6.  Perangkat Alat Uji Impak Jatuh Bebas
Alat  pengukur  energi  dan  gaya  impak  benda  jatuh  bebas  (Load  cell)  adalah  sebuah  sensor gaya  yang  bekerja  menggunakan strain  gage  full  bridge dengan  tahanan  SG  350Ω  alat  yang  dapat merekam beban impak. Kemampuan alat ini dapat menerima beban dan mengukur gaya impak hingga 30.000  kg,  dan  untuk  penggunaan  alat  ini  sudah  mendapatkan  sertifikat  kalibrasi  dari  Komite Akreditasi Nasional untuk 20.000 kg.

## 3.4.1.  Prosedur Pengujian
Prosedur pengujian pada penelitian ini dapat dijelaskan sebagai berikut:
a. Hubungkan semua koneksi: loadcell , sensor posisi, kabel USB dan power DAQ Labjack U3- LV.
b. Aktifkan software DAQ ForImpact Testing dari icon yang ada di desktop.
c. Persiapkan  peralatan  uji  impak  jatuh  bebas  dan  pastikan  bahwa load  cell dan  dudukan load cell sudah terpasang dengan baik begitu juga dengan anvil support.
d. Masukkan anvil pada anvil  support sesuai  dengan  jenis  yang  kita  inginkan  berdasarkan kebutuhan pengujian pengambilan data.
e. Pasangkan spesimen helmet sepeda  yang akan diuji  di atas anvil .
f. Pasangkan Test  rig pada  dudukan  lengan test  rig .Tentukan  posisi  jarak  keinggian  jatuh test rig yang ingin diuji 1m  dan pastikan sensor proximity berfungsi aktif.
g. Tekan Buton START pada software DAQ For Impact Testing
h. Setelah  menentukan  jarak  ketinggian  dan  memastikan  bahwa  sensor proximity sudah berfungsi, maka test rig akan kita jatuhkan dengan melepas tali penahan luncuran test rig .
i. Tekan Buton  STOP setelah  beberapa  saat test  rig menumbuk  spesimen helmet sepeda  yang berada diatas anvil.
j. Tekan Buton  SAVE untuk  menyimpan  data  hasil  uji  ke  dalam file berformat  txt  dan  akan tersimpan dalam Drive C Folder DATA EXP (data experiment).

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian helmet sepeda bahan polymeric foam diperkuat serat TKKS dengan  menggunakan impak  jatuh bebas. Helmet sepeda yang dijadikan  objek penelitian  mempunyai  dimensi  panjang 265 mm, lebar 215 mm, dan tinggi 162 mm dengan lingkar kepala 540 s.d 580 mm. Sedangkan massa dari helmet sepeda berkisar antara 660  s/d 720 gr.
Pengujian  impak  jatuh  bebas  ini  digolongkan  pada  pengujian  impak  kecepatan  rendah.  Alat uji  impak  jatuh  bebas  menggunakan  sensor  cahaya  yang  diletakkan  dengan  ketinggian  1  m  didalam pengujian ini ketinggian helmet di uji adalah 1 m seperti terlihat pada gambar 7.
Gambar 7. Posisi anvil, helmet sepeda  dan test rig
1. Hasil Pengujian Impak Jatuh Bebas
Pada  penelitian  ini helmet sepeda  berbahan polymeric  foam diperkuat  serat  TKKS  akibat beban impak jatuh bebas dilakukan dengan pengujian  pada material polymeric foam, pada penelitian ini  pengujian  yang  dilakukan  pada  dua  titik  yaitu  Samping  dan  belakang  yang  sering  dialami  saat pengendara sepeda terjatuh seperti terlihat pada gambar 8.
(a)
(b)
Gambar 8. (a) Sisi Samping, (b) Sisi Belakang
1. Hasil Uji Impak Pada Sisi Samping Helmet
Grafik  hasil  uji  impak  pada  sisi  samping  dengan  ketinggian  1  meter  memperlihatkan  bahwa besar gaya adalah berbeda, namun waktu impak dan rambatan gelombang yang teredam adalah sama, seperti diperlihatkan gambar 9.
Gambar 9. Grafik gabungan gaya impak vs waktu impak ketinggian 1 meter.
Tabel: 3 Hasil pengujian impak jatuh bebas pada sisi  samping helmet sepeda dengan ketinggian 1 m.
292 239 241 0 100 200 300 400 0 50 Fo rc e (N ) Time (ms) Grafik

## 3. Hasil Uji Impak Pada sisi Belakang    Helmet
Grafik hasil uji  impak pada sisi belakang  dengan  ketinggian 1  meter  memperlihatkan bahwa besar gaya adalah berbeda, namun waktu impak dan rambatan gelombang yang teredam adalah sama, seperti diperlihatkan gambar 10.
Gambar 10. Grafik gabungan gaya vs waktu impak ketinggian 1 meter.
Tabel 4. Hasil pengujian titik  belakang helmet  sepeda dengan impak jatuh   bebas pada ketinggian 1 m

## 3.5. Diskusi
Berdasarkan  dari  hasil  pengujian  pada  spesimen  helmet  sepeda  bahan  polymerik  foam  yang diperkuat  serat  TKKS  pada  sampel  A1,A2  dan  A3  besar  gaya  yang  didapat  adalah  berbeda  ini dikarenakan  berat  dan  masa  helmet  berbeda  antara  spesimen    A1,A2  dan  A3  begitu  juga  dengan Spesimen  B1,B2  dan  B3.  Besarnya  energi  impak  yang  mampu  diserap  helmet  pada  sisi  samping helmet 203,67 Joule sedangkan pada sisi belakang helmet energi yang mampu diserap helmet adalah 184,59  Joule,  besarnye  energi  impak  pada  sisi  samping  disebabkan  karena  luas area  impak  pada sisi samping helmet lebih kecil dibandingkan luas area impak pada sisi belang helmet. Semakin kecil luas area impak maka energi yang diserap akan semakin besar.
238 239 231 0 50 100 150 200 250 300 0 100 fo rc e (N ) time (ms) B1 B2 B3 Grafik Gabungan B1, B2, B3

## 5.   KESIMPULAN
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan maka didapat kesimpulan dari hasil penelitian ini, yaitu:
1. Hasil  analisa  terhadap  uji  impak  beban  jatuh  bebas  pada helmet diketahui  bahwa  besar  energi impak  rata-rata  yang  mampu  diserap helmet akibat  beban  pada  sisi  samping  adalah  203,67 Joule,  sedangkan  energi  impak  rata-rata  yang  mampu  diserap helmet akibat  pembebanan  pada sisi  belakang  adalah  184,59  Joule,  besarnya  energi  impak  terdapat  pada  sisi  samping  helmet sepada dikarenakan luas area impak pada sisi samping lebih kecil daripada sisi belakang helmet.
2. Berdasarkan hasil perhitungan besar tegangan impak pada sisi samping sebesar 1,029 Mpa dan sisi  belakang  sebesar  0,684  Mpa,  perbedaan  besarnya tegangan  tersebut  dikarenakan  luas area impak pada sisi samping helmet lebih kecil dari luas area impak sisi belakang helmet .

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Chawla, K.K.( 1987). Composite materials, First Ed. Berlin . New York: Springer-VerlagInc.
[2] Rahmad,  K,S.  2011.  Penggukuran  Helmet  Sepeda  Motor  yang  Dikenai  Beban  Impak  Jatuh Menggunakan Metode Jatuh Bebas, Tesis Master, USU
[3] Darnoko, P. Guritno, A. Sugiharto, Sugesty. 1995. Pembuatan Pulp dari Tandan Kosong Sawit dengan Penambahan Surfaktan. Jurnal Penelitian Kelapa Sawit 3(1): 75-87
[4] http://worldwidescience.org/  topicpages/m/material+karakterisasi+sifat.html.    Diakses  tgl  02- 01-2014 jam 14.20. WIB.
[5]   Zulfikar.  Pembuatan  dan  Penyelidikan  Perilaku  Mekanik  Material  Polymeric  Foam  Diperkuat Serat TKKS Akibat Beban Statik dan Impak. Program Magister Teknik Mesin USU. 2010.