BAB II PEMBELAJARAN

A.      MATERIAL SELECTION FOR ENGINEERING DESIGN

1.       Pendahuluan

Pemilihan material adalah merupakan salah satu langkah penting dalam perancangan mesin. Jenis material apa yang sebaiknya digunakan untuk komponen tertentu? Ini adalah pertanyaan yang sangat dasar yang sering dihadapi perancang. Karakteristik apa saja yang harus dipertimbangkan: kekuatannya? tahan korosi? density? machine ability? dan pertanyaan-pertanyaan lain-lainnya. Seandainya perancang telah mendapatkan jenis material yang cocok, biasanya masih ada kendala-kendala lain yang harus dihadapi seperti misalnya harganya mahal, material tidak tersedia di pasar dan kendala lainnya.

Kegiatan pemilihan material dan proses manufacturing/fabrikasi adalah merupakan bagian yang terintegrasi dalam perancangan mesin. Jadi kemampuan dalam mengeksploitasi potensi dan karakteristik serta sifat-sifat material adalah essensial bagi insinyur perancangan mesin. Gambar dibawah ini menjelaskan hubungan yang menunjukkan integrasi antara desain, pemilihan material dan proses produksi dalam pengembangan peralatan mesin.

 

2.       Review pemilihan material

Material yang digunakan dalam produk memiliki dampak besar pada keberhasilan produk. Pemilihan material yang tidak sempurna mengakibatkan kapasitas penjualan yang buruk atau pengambilan atas produk. Proses pemilihan material untuk komponen mengikuti langkah-langkah sebagai berikut:

Cara melelakukan Identifikasi Persyaratan Desain, Persyaratan desain terdiri dari beberapa item, antara lain:

• Persyaratan kinerja. Persyaratan kinerja menjelaskan atribut komponen yang berfungsi sesuai kebutuhan. Atribut dijelaskan dalam sifat mekanik, elektromagnetik, termal, optik, fisik, kimia, elektrokimia, dan kosmetik.
• Persyaratan keandalan. Keandalan komponen mengacu pada kemampuannya untuk berfungsi selama periode penggunaan tertentu. Kondisi penggunaan yang dimaksud adalah paparan suhu tinggi, air garam, dan getaran.
• Persyaratan ukuran, bentuk, dan massa. Biaya untuk pembuatan komponen tergantung pada material yang menyusun komponen, proses manufaktur yang digunakan, apakah komponen dibuat khusus, kuantitas material atau komponen yang dibeli dan kualitas material.
• Persyaratan biaya.
• Persyaratan manufaktur dan perakitan.
• Standar industri.
• Peraturan pemerintah.
• Persyaratan kekayaan intelektual.
• Persyaratan keberlanjutan.

 

3.       Klasifikasi material

Terdapat banyak sekali jenis material yang tersedia di alam. Di dalam dunia teknik, material umumnya diklasifikasikan menjadi Empat jenis yaitu: material logam, keramik, glass, polymer, dan material komposit. Gambar dibawah ini menunjukkan klasifikasi material teknik tersebut. Saat ini penggunaan material logam dan berbagai paduannya masih mendominasi bahan peralatan mesin. Contoh : engine dan komponen-komponennya 99% terbuat dari logam. Penggunaan material komposit dan keramik untuk perlatan mesin pada akhir abad 20 mulai berkembang cukup pesat. Contoh : komposit untuk struktur pesawat terbang, struktur kapal cepat, pipa, tangki dll, sedangkan keramik digunakan untuk bearing, dan komponen tribologi lainnya. Mengingat saat ini komponen mesin umumnya terbuat dari logam maka dalam bab ini pembahasan lebih fokus pada material logam dan paduannya.

4.       Pengertian sifat material

Sifat-sifat standar material antara lain kepadatan, modulus, kekuatan, ketangguhan, konduktivitas termal dan listrik. Densitas adalah massa per satuan volume. Satuan densitas adalah kg/m3 . Pengukuran dilakukan dengan merujuk teori Archimedes, yaitu dengan menimbang berat di udara dengan di dalam cairan yang densitasnya diketahui. Harga adalah biaya material yang mencakup rentang tertentu. Satuan yang digunakan dalam buku ini adalah $/kg. Biaya material tertentu $0.2 / kg, namun di lain waktu dapat mencapai $1000/kg. Harga material mengalami fluktuasi, dan tergantung pada kuantitas yang dibutuhkan. Terlepas dari ketidakpastian ini, sangat penting untuk dapat memperkirakan harga dalam pemilihan material. Dibawah ini terlampir tabel Sifat Material dan Satuan SI:

 

5.       Sifat mekanik material

Pemahaman yang menyeluruh mengenai sifat-sifat material, perlakuan, dan proses pembuatannya sangat penting untuk perancangan mesin yang baik. Sifat material umumnya diklasifikasikan menjadi sifat mekanik, sifat fisik, sifat kimiawi. Di dalam bab ini kita hanya membahas sifat-sifat mekanik.

Sifat mekanik secara umum ditentukan melalui pengujian destruktif dari sampel material pada kondisi pembebanan yang terkontrol. Sifat mekanik yang paling baik adalah didapat dengan melakukan pengujian prototipe atau desain sebenarnya dengan aplikasi pembebanan yang sebenarnya. Namun data spesifik seperti ini tidak mudah diperoleh sehingga umumnya digunakan data hasil pengujian standar seperti yang telah dipublikasikan oleh ASTM (American Society of Mechanical Engineer).

a.  Sifat sifat umum material logam

• Besi Cor (Cast Iron)

• Baja Cor (Cast Steel)

Komposisi kimia baja cor ini sama dengan wrought steel tetapi sifat-sifat mekaniknya lebih rendah daripada wrought steel. Kelebihan baja ini adalah mudah diproses dengan sand casting dan investment casting.

• Wrought Steel

Kata “wrought” berarti manipulasi bentuk material dilakukan tanpa melelehkannya. Ada dua macam proses yang biasa dilakukan yaitu hot rolling dan cold rolling.

• Aluminium

• Titanium

Titanium mempunyai beberapa kelebihan dibanding material lain yaitu ringan, sangat kuat, nonmagnetik, tahan korosi, dan dapat digunakan pada temperatur tinggi (sampai 750°C). Adapun kekurangannya adalah mahalnya harga titanium bila dibandingkan dengan baja dan aluminium.

•  Magnesium

Logam ini adalah yang paling ringan diantara logam komersial yang ada tetapi relative lemah. Sifatnya sangat mudah dicor dan di-mesin tetapi lebih getas daripada aluminium. Selain itu logam ini juga mempunyai ketahanan korosi yang cukup baik, paling aktif dalam skala galvanis, dan sangat mudak terbakar.

• Paduan Tembaga

Tembaga murni mempunyai sifat sangat lunak, lemah dan mudah dibengkokkan. Penggunaannya diantaranya adalah untuk pipa, konduktor dan motor. Paduannya yang paling banyak digunakan adalah kuningan (brass) dan perunggu (bronze). Kuningan adalah paduan tembaga dengan zinc sedangkan perunggu pada dasarnya adalah paduan tembaga dengan timah. Namun saat ini perunggu juga terdiri dari beberapa jenis yaitu silicon bronze, beryllium bronze, dan Phospor bronze.

b.  Sifat sifat umum material non logam

      Penggunaan bahan non-logam mengalami peningkatan dalam jangka waktu 50 tahun terakhir. Keuntungan penggunaan bahan non-logam ini adalah bobotnya yang ringan, tahan korosi, tahan temperatur tinggi, mudah dibuat dan sifat dielektriknya bagus. Secara garis besar ada tiga macam bahan non-logam yaitu polimer, keramik, dan komposit.

• Polimer

Polimer adalah molekul rantai panjang dari bahan organik atau campuran berbasis karbon. Polimer ini terdiri atas dua macam yaitu thermoplastic dan thermosets. Bahan thermoplastic mudah dicetak dan akan mencair kembali jika dipanaskan. Adapun material thermoset akan mengalami ikatan silang pada saat pertama kali dipanaskan dan akan terbakar bila dipanaskan ulang.

• Keramik

Keramik yang digunakan dalam dunia teknik adalah merupakan campuran unsur logam dan non-logam. Keramik ini dapat berupa oksida logam tunggal, campuran oksida logam, karbida, nitrida, borida, dan bahan lain seperti Al2O3, MgO, SiC, dan Si3N4. Sifat-sifat utama keramik adalah kekerasan yang tinggi, sangat getas, tahan temperatur tinggi, punya ketahanan kimia yang tinggi, kekuatan tekan yang tinggi, kekuatan dielektrik yang tinggi, serta harga dan bobot yang rendah.

•  Komposit

Komposit pada dasarnya adalah gabungan bahan-bahan yang berbeda dalam skala makro. Adapun contoh komposit alami yang ada di alam adalah kayu yang merupakan gabungan serat selulosa didalam matriks lignin. Komposit buatan manusia biasanya merupakan gabungan antara material serat yang kuat seperti serat kaca, karbon atau boron yang digabungkan dalam matriks resin seperti epoxy atau polimer. Kelebihan komposit adalah sifatnya yang dapat diatur. Salah satu cara pengaturan sifat pada material komposit adalah dengan mengubah arah orientasi, susunan, dan sudut material penyusunnya.

6.  Strategi pemilihan material

Setiap material selalu ditandai dengan: densitas, kekuatan, biaya, ketahanan korosi dan yang lainnya. biasanya permintaan desain selalu menghendaki densitasnya rendah, kekuatannya tinggi, harganya terjangkau, dan tahan terhadap air laut. Dua hal penting dalam pemilihan material adalah:

1. Identifikasi profil material yang diinginkan.
2. Membandingkannya dengan material teknik di lapangan untuk memperoleh kesesuaianyang terbaik.

Tahapan pertama adalah translasi yaitu menguji kebutuhan desain untuk mengidentifikasi kendala (constraint) sehingga dapat menentukan material yang cocok. Material yang ada di sekitar kita sangat banyak, untuk itu perlu dilakukan pemilihan melalui penyaringan (screening) dan pemeringkatan (ranking) atas material kandidat yang memiliki kemampuan dan kinerjanya yang maksimal. Kriteria untuk penyaringan dan pemeringkatan diturunkan dari kebutuhan desain setiap komponen dengan melakukan analisis fungsi (function), kendala (constraint), tujuan (objective) dan variabel bebas.