EKSPERIMEN KEKUATAN IMPAK JATUH BEBAS PADA STRUKTUR ATAP MOBIL DARI BAHAN KOMPOSIT POLYMERIC FOAM DIPERKUAT SERAT TANDAN KOSONG KELAPA SAWIT
Sukril A. Nasution 1 , Syahrul Abda 2 , Mahadi 3 , Farida Ariani 4 , Suprianto 5 1,2,3,4,5 Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara Email: sukrilaminnasution@yahoo.com

## ABSTRAK
Tandan  kosong  kelapa  sawit  jumlahnya  sangatlah  melimpah  dikarenakan  pabrik  pengolahan  kelapa sawit  yang  terdapat  di  Indonesia  memiliki  jumlah  yang  sangat  banyak,  menurut  survey  yang dilakukan  limbah  tandan  kosong  kelapa  sawit  saat  ini  mencapai  20  juta  ton.  Tandan  kosong  kelapa sawit  memiliki  nilai  ekonomis  untuk  direkayasa  sebagai  bahan  alternatif  yang  dapat  dimanfaatkan dengan alasan masih berlimpahnya bahan baku, bebas korosi, tahan dan mampu menyerap panas, oleh karena  itu  serat  tandan  kosong  kelapa  sawit  dapat  dimanfaatkan  sebagai  penguat  bahan  komposit polymeric  foam .  Tujuan  penelitian  ini  untuk  mengetahui  proses  pembuatan,  menganalisa  kekuatan struktur  atap  mobil  terhadap  beban  impak  jatuh  bebas  dan  mensimulasikan  dengan  meggunakan perangkat  lunak  Catia  V5R21.  Pembuatan  struktur  atap  mobil  dari  bahan  komposit polymeric  foam dibuat menggunakan metode penuagan langsung yang terdiri dari bahan matrik dan penguat. Matrik resin BTQN 157 EX, poliuretan dibuat dari campuran poliol dengan isosianat, serta katalis MEKPO dan sebagai penguat adalah serat tandan kosong kelapa sawit. Cetakan struktur atap mobil terbuat dari plat  besi  dengan  ukuran  800  [mm]    500  [mm]    2  [mm].  Untuk  mengetahui  respon  struktur  atap mobil dengan ukuran 800 [mm]   500 [mm]   5 [mm] maka dilakukan uji impak jatuh bebas.  Hasil uji impak jatuh bebas diperoleh dari sembilan struktur Atap mobil yaitu: A 1-1 , A 2-1 , A 3-1 , A 1-2 , A 2-2 , A 3- 2 ,  A 1-3 ,  A 2-3 dan  A 3-3 , ketinggian  divariasikan  dengan  ketinggian  0,5  m,  1  m,  dan  1,5  m.  Setelah dilakukan  pengujian  impak  jatuh  bebas  untuk  masing-masing  struktur  uji  maka  dapat  diperoleh kesimpulan bahwa kekuatan struktur atap mobil diperoleh pada struktur A 2-1 ketingian 0,5 [m] yaitu: gaya  maksimum  ( ],  tegangan  maksimum  (
)  =  29691,6  [Pa],  momentum
(M)  =  21,3289  [kgm/s],  impuls  (I)  =  2,0709  [N.s],  Energi  impak  eksperimen  (E Ie )  =  33,4030  [J], Energi  potensial  (E p )  =  31,392  [J]  dan  Energi  serap  (E s )  =  2,011  [J].  Sedangkan  hasil  simulasi perangkat lunak Catia V5R21 diperoleh ( ) = 30000 [Pa].
Kata kunci: Serat tandan kosong kelapa sawit, komposit, polymeric foam, uji impak jatuh bebas.

## 1. PENDAHULUAN
Atap  mobil  dalam  perencanaannya  harus  terdapat  berbagai  kelebihan-kelebihan  yang  dapat diperoleh dari hasil design virtual, maka dari itu perencanaan keunggulan dari yang akan diproduksi memiliki tiga kelebihan utama antara lain faktor keamanan yang terjamin, berat yang semakin ringan, serta  biaya  produksi  yang  lebih  murah.  Saat  ini  perkembangan  teknologi  akan  material  (bahan) semakin  pesat.  Untuk  mengetahui  kekuatan  dan  perilaku  mekanik    dari polymeric  foam tersebut, tentunya perlu diadakan pengujian lebih lanjut. Adapun metode pengujian yang akan dilakukan adalah uji impak jatuh bebas, Pada penelitian ini digunakan bahan dasar polymeric foam yang diperkuat serat TKKS untuk pembuatan atap mobil  dan diharapkan hasil yang diperoleh nantinya berkekuatan tinggi dan ringan (low density) dibandingkan dengan bentuk komposit polimer padat (compact). Serta bisa didapat sifat-sifat mekanis dari bahan tersebut setelah mengalami pengembangan

## 2. TINJAUAN PUSTAKA

## Komposit
Material komposit adalah material yang terbuat dari dua bahan atau lebih yang berbeda dalam level  makroskopik  selagi  membentuk  komponen  tunggal.  Komposit  berasal  dari  kata  kerja “  to compose  “ yang  berarti  menyusun  atau  menggabung.  Jadi  secara  sederhana  bahan  komposit  berarti bahan  gabungan  dari  dua  atau  lebih  bahan  yang  berlainan.  Kata  komposit  dalam  pengertian  bahan komposit berarti terdiri dua atau lebih bahan yang berbeda yang digabung atau dicampur [1].

## Matrik Resin Poliester Tak Jenuh
Polyester Resin tak jenuh adalah jenis polimer thermoset yang memiliki struktur rantai karbon yang panjang. Matriks jenis ini memiliki sifat dapat mengeras pada suhu kamar dengan penambahan katalis  tanpa  pemberian  tekanan  ketika  proses  pembentukannya.  Struktur  material  yang  dihasilkan berbentuk crosslink dengan keunggulan pada daya tahan yang lebih baik terhadap jenis pembebanan statik dan impak. Hal ini disebabkan molekul raksasa atom  – atom karbon yang saling berhubungan satu dengan yang lainnya. Dengan demikian struktur molekulnya menghasilkan efek peredaman yang cukup baik terhadap beban yang diberikan [2].

## Poliuretan
Poliuretan  adalah  jenis  polimer  yang  sangat  unik  dan  luas  pemakaiannya.  Poliuretan ditemukan  pada  tahun  1937  oleh  Prof.  Otto  Bayer  sebagai  pembentuk  serat  yang  didesain  untuk menandingi serat nylon . Tetapi penelitian lebih lanjut menunjukkan bahwa poliuretan bukan saja bisa digunakan  sebagai  serat,  tapi  dapat  juga  digunakan  untuk  membuat  busa  ( foam ),  bahan  elastomer (karet dan plastik), lem, pelapis ( coating ), dan lain-lain [3].

## Blowing Agent
Blowing  Agent adalah  material  yang  digunakan  untuk  menghasilkan  struktur  berongga  pada komposit  yang  dibentuk. Blowing  Agent ini  biasanya  dipakai  ketika  bahan  dalam  keadaan  belum mengering atau belum terjadinya proses polimerisasi. Keuntungan dari penggunaan blowing agent ini yaitu  struktur  selular  dalam  matrik  mengurangi  densitas,  meningkatkan  isolasi  termal  dan  akustik, sekaligus meningkatkan kekakuan relatif dari polimer aslinya [4].

## Katalis Mekpo
Katalis  merupakan  material  kimia  yang  digunakan  untuk  mempercepat  proses  reaksi polimerisasi  struktur  komposit  pada  kondisi  suhu  kamar  dan  tekanan  atmosfir.  Pemberian  katalis dapat  berfungsi  untuk  mengatur  waktu  pembentukan  gelembung blowing  agent ,  sehingga  tidak mengembang secara berlebihan, atau terlalu capat mengeras yang dapat mengakibatkan terhambatnya pembentukan gelembung [5].

## Penguat
Dalam penelitian ini sebagai penguat yang digunakan adalah serat tandan kosong kelapa sawit (TKKS).  Kebanyakan  serat  TKKS  setelah  siap  dipakai  khususnya  diperkebunan  sering  dibuang sebagai  limbah  dan  hanya  sedikit  yang  dapat  digunakan  untuk  diproduksi  atau  didaur  ulang.  Dan peneliti ingin coba mengamati sifat atau karakteristik dari serat ini karena sifatnya yang kuat dan juga ringan  jika  dicampur  dengan  bahan-bahan  yang  lain.  Di  indonesia  merupakan  negara  dengan perkebunan  kelapa  sawit  terluas  di  dunia  berjuta  ha  (Deptan).  Tiap  harinya  berton-ton  kelapa  sawit yang  diolah.  TKKS  adalah  salah  satu  produk  samping  kelapa  sawit.  Setiap  ton  kelapa  sawit  yang diolah diperoleh TKKS yang mencapai 250 [kg] [6].

## Teori Benda Jatuh Bebas
Jika  benda  jatuh  ke  bumi  dari  ketinggian  tertentu  relatif  kecil  dibandingkan  dengan  jari-jari bumi, maka benda mengalami pertambahan percepatan dengan harga yang sama setiap detik. Hal ini berarti  bahwa  percepatan  kebawah  benda  bertanbah  dengan  harga  yang  sama  jika  sebuah  benda ditembakkan  ke  atas  berkurang  dengan  harga  yang  sama  setiap  detik  dan  perlambatan  ke  atasnya
seragam.  Waktu  dan  kecepatan  akan  berbanding  lurus  karena  tidak  adanya  gerak  berubah  beraturan atau berubah-ubah untuk menentukan kecepatan benda jatuh setiap detik diperoleh harga pendekatan seperti terlihat pada tabel 2.4 di bawah ini [7].

## Pengenalan Tentang Catia
Software CATIA  (Computer  Aided  Three  Dimensional  Interactive  Applicaton) Software ini sangat berguna untuk membantu proses desain (CAD), rekayasa (CAE) maupun manufaktur (CAM), yang  memungkinkan  proses-proses  pemodelan  seluruhnya  dilakukan  secara  digital  sehingga  tidak diperlukan  lagi  gambar manual  maupun  model  fisik. Software ini  juga  handal  dalam  memenuhi kriteria  artistik,  kelayakan  mekanis,  kenyamanan  (ergonomis)  dan  juga  kelayakan secara  bisnis  dari suatu  desain  produk.  CATIA  memiliki  aplikasi  yang  sangat  lengkap  (140  aplikasi)  untuk  berbagai keperluan disiplin ilmu teknik [8].

## Standar Atap Mobil
Kekuatan  atap  mobil  memang  sangat  jarang  sekali  diperhatikan  oleh  produsen  mobil.  Hal tersebutlah yang membuat Insurance Institute for Highway Safety (IIHS) saat ini juga melakukan tes kekuatan  atap  selain  tes  tabrak.  Daya  tahan  atap  juga  akan  diukur  menggunakan  sensor-sensor  dan mobil  yang  berhasil  dinyatakan  lulus  tes  kekuatan  atap  harus  mampu  menahan  empat  kali  bobot kendaraan  atau  perbandingan  kekuatannya  1:4.  Misalnya  saja  sebuah  mobil  memiliki  bobot  2  ton, maka atap mobil tersebut harus mampu menyanggah beban seberat 8 ton agar lulus uji kekuatan atap, maka atap dijamin tidak akan rusak [9].

## 3. METODOLOGI PENELITIAN
Adapun langkah-langkah pembuatan struktur atap mobil adalah sebagai berikut:
1. Mempersiapkan serat tandan kosong kelapa sawit.
2. Memotong serat tandan kosong kelapa sawit dengan menggunakan mesin pencacah serat.
3. Mempersiapkan timbangan digital.
4. Mempersiapkan tempat penampung bahan seperti: cap, ember dan lain-lain.
5. Mempersiapkan  pengaduk  bahan  komposit  komposit polymeric  foam diperkuat  serat  tandan kosong kelapa sawit.
6. Mempersiapkan  cetakan  struktur  komposit Polymeric  foam dan  oleskan  Wax  pada  permukaan cetakan agar struktur yang akan dicetak mudah dilepaskan dari cetakan.
7. Mempersiapkan  bahan  pembentuk  sturuktur  komposit Polymeric  foam diperkuat  serat  TKKS. Adapun  bahan  yang  harus  dipersiapkan  dalam  proses  pembuatan  struktur  komposit Polymeric foam .
8. Timbang bahan resin, serat, isosianat, polyol dan katalis sesuai dengan komposisinya.
9. Tuangkan serat tandan kosong kelapa sawit dan resin ke dalam tempat pengadukan (ember) dan aduk hingga merata dengan batang pengaduk yang terbuat dari kayu.
10. Campurkan isosianat dengan polyol (Blowing Agent) kemudian aduk hingga merata dan tuangkan ke  dalam  tempat  pengadukan  serat  tandan  kosong  kelapa  sawit  dengan  resin,  setelah  itu  aduk kembali hingga merata.
11. Tuangkan katalis ke dalam tempat pengadukan dan aduk kembali hingga merata dan semua bahan sudah siap untuk dicetak.
12. Tuangkan semua bahan ke dalam cetakan yang sudah disiapkan hingga merata pada semua bagian cetakan kemudian tutup dengan penutup cetakan.
13. Tunggu  campuran  tersebut  bereaksi  pada  tekanan  atmosfir  pada  suhu  kamar,  proses  pengerasan akan terjadi disertai dengan terbentuknya gelembung udara pada bahan komposit Polymeric foam diperkuat serat TKKS.
14. Setelah  material  mengeras  tunggu  selama  ±  24  jam  kemudian  lepas  cetakan  dari  material komposit Polymeric foam diperkuat serat TKKS dan material sudah siap di uji impak jatuh bebas.

## Prosedur Pengujian Impak Jatuh Bebas
Alat  uji  yang  digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah  alat  uji  impak  jatuh  bebas.  Pengujian impak  dilakukan  di  Laboratoriun  Riset  Impak  dan  Keretakan  Unit  II  Universitas  Sumatera  Utara. Pengujian  ini  bertujuan  untuk  mengetahui  respon  tegangan  pada  material  akibat  efek  rambatan gelombang  dengan  laju  rambatan  gelombang  yang  tinggi.  Pengujian  dilakukan  dengan  ketinggian jatuh impaktor adalah 0,5 m, 1 m dan 1,5 m, dan berat test rig sebesar 6,4 kg.

## Set-Up Pengujian Impak
Sebelum  dijalankan  pengujian  maka  harus  dilakukan  langkah-langkah  untuk  menghidupkan alat uji yaitu sebagai berikut:
1. Hubungkan semua koneksi seperti: loadcell , sensor posisi, kabel USB dan Power DAQ , Lab- Jack U3-LV . 2. Aktifkan prangkat lunak DAQ for Impact Testing dari Icon yang ada di dekstop.
3. Persiapkan peralatan uji jatuh bebas dan pastikan bahwa loadcell dan dudukan loadcell sudah terpasang dengan baik begitu juga dengan anvil support.
4. Masukkan Anvil pada Anvil Support sesuai dengan kebutuhan pengujian pengambilan data.
5. Siapkan sampel uji yang akan dilakukan pengujian.

## Prosedur Pengujian Impak
Adapun langkah - langkah penempatan struktur atap mobil ke alat pengujian adalah sebagai berikut:
1. Pasangkan struktur atap mobil pada anvil support untuk melakukan pengujian impak jatuh bebas.
2. Tentukan  posisi jarak  ketinggian jatuh impaktor  yang  diinginkan,  dan  pastikan  sensor proximity dalam kondisi aktif.
3. Tekan tombol Start pada prangkat lunak DAQ for Impact Testing .
4. Setelah  jarak  ketinggian  ditentukan  dan  memastikan  bahwa  sensor proximity sudah  berfungsi, struktur  sudah  terpasang  pada anvil  support ,  maka  impaktor  siap  untuk  dijatuhkan  dengan  cara melepaskan tali penahan luncuran impaktor.
5. Tekan tombol STOP setelah beberapa saat impaktor menumbuk struktur pada anvil .
6. Tekan  tombol SAVE untuk  menyimpan  data  hasil  uji  ke  dalam  file  berformat  txt,  dan  akan tersimpan dalam drive C folder DATA EXP (data experiment).
7. Lalu  data  hasil  pengujian  tersebut  diolah  dengan  menggunakan  program  prangkat  lunak MS- EXCEL.

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Setelah  dilakukan  pengujian  mengunakan  alat  uji  impak  jatuh  bebas  diperoleh  informasi mengenai  respon  akibat  beban  impak  jatuh  bebas  yang  terjadi  terhadap  struktur polymeric  foam diperkuat serat  TKKS,  dengan memvariasikan ketinggian  jatuh  beban impak  0,5  [m],  1 [m] dan 1,5 [m].  Data  hasil  uji  impak  jatuh  bebas  diperoleh  masing-masing  struktur  seprti  ditunjukkan  pada gambar 4.1 di bawah ini.
Gambar 4.1 Kurva Hubungan Gaya Dengan Waktu Pada Ketinggian 0,5 m
Dari data hasil pengujian diperoleh gaya impak jatuh bebas maksimum pada struktur A 1-1 ketinggian 0,5 [ m ] sebesar 68,67 [N],  Momentum sebesar 21,924 [kg m/s], Impuls sebesar 2,1287 [Ns], Energi impak sebesar 34,335 [J] dan Tegangan maksimum sebesar 30520 [N/m 2 ].
Gambar 4.2 Kurva Hubungan Gaya Dengan Waktu Pada Ketinggian 0,5 m
Dari data hasil pengujian diperoleh gaya impak jatuh bebas maksimum pada struktur A 2-1 ketinggian 0,5  m   sebesar  66,8061  N,    Momentum  sebesar  21,3289  kg m/s,  Impuls sebesar  2,0709  Ns,  Energy potensial sebesar 33,4030 J dan Tegangan maksimum sebesar 29691,6 N/m 2 .
Gambar 4.3 Kurva Hubungan Gaya Dengan Waktu Pada Ketinggian 0,5 m
Dari data hasil pengujian diperoleh gaya impak jatuh bebas maksimum pada struktur A 3-1 ketinggian 0,5  m    sebesar  70,7301  N,    Momentum  sebesar  22,5817  kg  m/s,  Impuls  sebesar  2,1926  Ns,  Energi impak sebesar 35,365 J dan Tegangan maksimum sebesar 31435,6 N/m 2 .
Gambar 4.4 Kurva Hubungan Gaya Dengan Waktu Pada Ketinggian 1 m
Dari data hasil pengujian diperoleh gaya impak jatuh bebas maksimum pada struktur A 1-2 ketinggian 1 m    sebesar  123,7041  N,    Momentum  sebesar  55,8547  kg  m/s,  Impuls  sebesar  1,  8555  Ns,  Energi impak sebesar 123,7041 J dan Tegangan maksimum sebesar 54979,6 N/m 2 .
Gambar 4.5 Kurva Hubungan Gaya Dengan Waktu Pada Ketinggian 1 m
Dari data hasil pengujian diperoleh gaya impak jatuh bebas maksimum pada struktur A 2-2 ketinggian 1 m  sebesar 97,2171N,  Momentum sebesar 43,8953 kg m/s, Impuls sebesar 1,5554 Ns, Energi impak sebesar 97,2171 J dan Tegangan maksimum sebesar 43207,6 N/m 2 .
Gambar 4.6 Kurva Hubungan Gaya Dengan Waktu Pada Ketinggian 1 m
Dari data hasil pengujian diperoleh gaya impak jatuh bebas maksimum pada struktur A 3-2 ketinggian 1 m  sebesar 185,6052 N,  Momentum sebesar 80,8342 kg m/s, Impuls sebesar 2,784 Ns, Energi impak sebesar 185,6052 J dan Tegangan maksimum sebesar 82491,2 N/m 2 .
Gambar 4.7 Kurva Hubungan Gaya Dengan Waktu Pada Ketinggian 1,5 m
Dari data hasil pengujian diperoleh gaya impak jatuh bebas maksimum pada struktur A 1-3 ketinggian 1,5 m  sebesar 291,6513N,  Momentum sebesar 161,2822 kg m/s, Impuls sebesar 4,6664 Ns, Energi impak sebesar  437,4769 J dan Tegangan maksimum sebesar 129622,8 N/m 2 .
Gambar 4.8 Kurva Hubungan Gaya Dengan Waktu Pada Ketinggian 1,5 m
Dari data hasil pengujian diperoleh gaya impak jatuh bebas maksimum pada struktur A 2-3 ketinggian 1,5 m  sebesar 203,2632N,  Momentum sebesar 112,4039 kg m/s, Impuls sebesar 3,0489 Ns, Energi impak sebesar 304,8948 J dan Tegangan maksimum sebesar 90339,2 N/m 2 .
Gambar 4.9 Kurva Hubungan Gaya Dengan Waktu Pada Ketinggian 1,5 m
Dari data hasil pengujian diperoleh gaya impak jatuh bebas maksimum pada struktur A 3-3 ketinggian 1,5 m  sebesar 494,9145 N,  Momentum sebesar 273,6862 kg m/s, Impuls sebesar 15,3423 Ns, Energi impak sebesar 742,3717 J dan Tegangan maksimum sebesar 219962 N/m 2 .

## 5. KESIMPULAN
Beberapa kesimpulan yang diperoleh dari hasil penelitian ini adalah:
1. Proses pembuatan spesimen uji dari bahan polimeric foam yang diperkuat serat TKKS dilakukan dengan  teknik  penuangan  langsung  (hand  layup),  disertai  pengadukan  lambat  dengan  cetakan diletakan pada posisi horizontal.
2. Setelah  dilakukan  pengujian  impak  jatuh  bebas  untuk  masing-masing  struktur  uji  maka  dapat diperoleh kesimpulan bahwa kekuatan struktur atap mobil diperoleh pada struktur A 2-1 ketingian 0,5  [m]  yaitu:  gaya  maksimum  (
],  tegangan  maksimum  (σ maks )  =  29691,6 [Pa],  momentum  (M  )  =  21,3289  [kgm/s],  impuls  (I)  =  2,0709  [N.s],  Energi  impak  eksperimen (E Ie ) = 33,4030 [J], Energi potensial (E p ) = 31,392 [J] dan Energi serap (E s ) = 2,011 [J].
3. Hasil simulasi Catia V5R21 Gaya maksimum yang diberikan diperoleh dari hasil pengujian impak jatuh bebas sebesar 66,8061 [N] maka dapat diperoleh  tegangan maksimum (σ maks ) = 30000 [Pa].

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Dieter, George E. (1987). Metalurgy Mekanik . Jakarta: Erlangga.
[2] Gere & Thimoshenko. (1996). Mekanika Bahan. Jakarta: Erlangga.
[3] Nazaruddin, H.H. (2003). Poliuretan,Polimer Serba Bisa. hhtp://www.chem-is-try.org/artikel_kimia/kimia_material/poliuretan_polimer
serba_bisa/.
(diakses 13 Februari 2014).
[4] Wikipedia. (2012). Blowing Agent. http://www.WikipediaBlowing_agent.htm. (diakses13 Februari2013).
[5] Murdijanto, D.N, setiabudi, A. (2010). Sintesis Karakteristik Dan Uji Aktifitas Katalis  Ni/Al 2 o 3 Pada Reaksi Hydrocracking Minyak Nabati. Jurnal Sains Dan Teknologi Kimia. http://file.upi.edu/direktori/jurnal/jurnal_sains_dan_teknologi_kimia/jurnal_sains_dan_teknolog i_kimia_jilid_1_no._1/sintesis,_karakterisasi_dan_uji_aktivitas_katalis_ni_al2o3_pada_reaksi_ hydrocracking_minyak_nabati.pdf. (diakses 4 april 2014).
[6] Amrie, E. (2008). Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit. hhtp://jurnal.unnes.ac.id./sju/index.php/jm. (diakses 14 april 2014).
[7] Zulfadli.  (2013). Pengembangan  Model  dan  Analisa  Reapon  Parking  Bumper  Dari  Bahan Polimeric  Foam  Diperkuat  Serat  Tandan  Kosong  Kelapa  Sawit.Tugas  Skripsi  Universitas Sumatera Utara.
[8]  Ilham. (2011). Mengenal Catia Lebih Dekat. http://teknologi.kompasiana.com/terapan/2011/02/28/lebih-dekat-dengan-catia-343327.html. (diakses 4 september 2013).
[9]  Rudy.K. (2013). IIHS Lakukan Tes Atap. http://www.histats.com"target="_blank"><imgsrc="http://sstatic1.histats.com/0.gif?2045951&10 1" alt="" border="0"></a> (diakses 14 Juli 2014).