1. PENDAHULUAN

Pembahasan performansi BAJ ditekankan pada kekakuan dan perpindahan panas.

Sewaktu proses handling, terjadi defleksi cukup besar pada BAJ bila BAJ yang dirancang kurang kaku. Hal ini akan mengakibatkan benda kerja mengalami ketidak tepatan posisi antar bagian benda yang akan digabung. Atau dapat juga terjadi sebaliknya, yaitu BAJ terlalu kaku, dengan demikian akan menyebabkan BAJ terlalu berat.

Performansi perpindahan panas ditentukan oleh koefisien perpindahan panas BAJ sewaktu proses curing.

Pada bagian berikut akan dibahas sambungan adhesives pada aluminium serta parameter dalam perancangan BAJ. Selanjutnya akan dibahas penentuan performansi rancangan BAJ, baik performansi kekakuan maupun performansi perpindahan panas. Kemudian akan dijelaskan rancangan BAJ yang diajukan pada studi kasus pembuatan komponen pesawat terbang. Terakhir disampaikan kesimpulan atas penelitian ini.

2. SAMBUNGAN ADHESIVES PADA ALUMINIUM

Komponen komposit yang dibuat merupakan gabungan pelat Aluminium dengan metalic

honey comb core yang dapat digambarkan sebagai berikut :

GAMBAR 1. a. Komponen komposit dari Aluminium b. Honey comb core

Ketahanan sambungan adhesives akan baik bila adhesives yang digunakan mempunyai karakteristik sesuai dengan jenis sambungan yang digunakan. Berbagai kondisi sambungan adhesives yang berpengaruh dalam penentuan ketahanan sambungan antara lain adalah proses curing dan penekanan yang diberikan pada adhesives.

Sambungan adhesives akan berfungsi efektif apabila diberikan proses curing. Semakin tinggi temperatur curing, semakin rendah pula

viskositas adhesives. Pada viskositas yang rendah adhesives dengan mudah mengalir dan menempel pada daerah adheren (permukaan material yang akan disambung). Selain itu adhesives dengan viskositas rendah akan mengisi tempat yang kosong di permukaan tanpa terbentuk kantong udara.

Proses curing yang disertai dengan penekanan akan menyebabkan daya tempel adhesives meningkat. Penekanan memberikan gaya tambahan pada adhesives untuk mengalir dan mengisi profil yang kasar atau pori-pori di permukaan.

Selain hal tersebut di atas, agar udara tidak terjebak dalam adhesives, yang tentu saja akan menurunkan ketahanan sambungan, selama proses polimerisasi BAJ diberi kondisi hampa. Pemberian kondisi hampa dilakukan sebelum proses curing dimulai. Setelah mencapai tekanan tertentu saluran hampa dibuka dengan tujuan mengalirkan gas yang terbentuk akibat polimerisasi sewaktu proses curing. Kondisi hampa pada BAJ tersebut dapat ditunjukan dalam gambar 2.

GAMBAR 2. Kondisi hampa pada BAJ

3. PARAMETER DALAM PERANCANGAN BAJ

Proses perancangan BAJ akan dapat dilakukan dengan baik apabila diketahui parameter yang mempengaruhi proses pembuatan komponen komposit. Parameter tersebut diantaranya kekakuan dan perpindahan panas. Kekakuan BAJ yang baik akan menyebabkan komponen yang dihasilkan memenuhi persyaratan. Dengan semakin baik perpindahan panas BAJ, maka temperatur pemanasan adhesives akan semakin cepat tercapai.

Kekakuan BAJ yang berperan penting dalam proses pembuatan adalah kekakuan sewaktu proses handling untuk membawa BAJ dari satu proses ke proses lainnya. Selain itu juga kekakuan BAJ sewaktu proses curing.

Supaya pengaruh perpindahan panas pada BAJ diketahui, maka koefisien perpindahan panas BAJ sewaktu proses curing perlu ditentukan.

Sewaktu proses curing, BAJ dipanaskan d autoclaves dengan cara mengalirkan udara pan BAJ. BAJ dalam autoclaves dapat digamba seperti berikut:

GAMBAR 3. Autoclaves

Dengan mengetahui koefisien perpinda panas BAJ, maka distribusi temperatur sewa proses curing akan dapat diketahui. Distril temperatur BAJ berguna untuk mengetahui jum energi sewaktu pemanasan BAJ. BAJ yang efis & ekonomis diperoleh apabila jumlah energi pemanasan yang diperlukan kecil.

4. PENENTUAN PERFORMAN RANCANGAN BAJ

Berbagai alternatif rancangan BAJ ya dapat dibuat perlu diketahui agar dapat ditentuk rancangan BAJ yang baik. Berbagai alterna rancangan BAJ tersebut dapat dimodelkan dala gambar 4.

GAMBAR 4. Alternatif rancangan BAJ

Model alternatif rancangan BAJ pada gambar merupakan bentuk dasar berbagai rancangan BA yang dapat dibuat. Untuk selanjutnya gambar 4. dinamakan alternatif rancangan BAJ 1, gambar 4.

dinamakan alternatif rancangan BAJ 2 dan gambar 4.c dinamakan alternatif rancangan BAJ 3. Alternatif rancangan BAJ lain merupakan gabungan dari model alternatif rancangan BAJ 1,2 atau 3.

4.1. Performansi kekakuan

Penentuan performansi kekakuan BAJ ditekankan pada penentuan jumlah tumpuan BAJ sewaktu proses handling dan proses curing. Dengan mengetahui jumlah tumpuan BAJ maka defleksi yang terjadi pada BAJ dapat diatur besarnya. Apabila defleksinya terlalu besar, maka jumlah tumpuannya ditambah.

BAJ sewaktu proses handling secara sederhana dapat ditunjukkan dalam gambar berikut:

GAMBAR 5. BAJ sewaktu proses handling

Tumpuan BAJ sewaktu proses handling dapat disederhanakan menjadi gambar 6.

GAMBAR 6. Tumpuan BAJ sewaktu proses handling a. alternatif rancangan BAJ 1 dan 3 b. alternatif rancangan BAJ 2

Defleksi yang terjadi didapat dengan membagi BAJ dalam daerah antara dua tumpuan dengan panjang D (gambar 6). Defleksi yang terjadi tersebut tidak boleh melebihi D/360^[1].

Jumlah tumpuan sewaktu handling didapat dengan membagi panjang BAJ (L) dengan jarak tumpuan yang diijinkan (D). Defleksi yang terjadi dipengaruhi oleh besar momen inersia. Dalam hal ini momen inersia alternatif rancangan BAJ 2 lebih besar dibanding alternatif rancangan BAJ 3 dan 1. Oleh karena itu defleksi yang terjadi pada alternatif rancangan BAJ 2 lebih kecil dibandingkan alternatif rancangan BAJ 3 dan 1.

Sewaktu proses curing BAJ dalam arah melintang dapat disederhanakan seperti gambar berikut:

GAMBAR 7. Penyederhanaan BAJ sewaktu curing

Defleksi maksimum yang bekerja pada kasus tersebut tidak boleh melebihi defleksi yang diijinkan, yaitu sebesar B/360. Apabila defleksi yang bekerja melebihi B/360 maka jumlah tumpuannya ditambah.

4.2 Performansi perpindahan panas

Pemanasan yang dilakukan terhadap BAJ dan benda kerja bertujuan memanaskan adhesives sehingga terjadi proses polimerisasi. Adhesives yang dipanaskan terdiri dari dua macam, yaitu adhesives yang dekat dengan permukaan atas, dalam hal ini untuk pemamanasannya disebut pemanasan adhesives dari arah kantong hampa (Q arah kantong hampa) dan adhesives yang dekat BAJ, dalam hal ini untuk pemanasannya dinamakan pemanasan adhesives dari arah BAJ (Q arah BAJ).

Penampang BAJ dan benda kerja sewaktu pemanasan BAJ dapat ditinjau sebagai berikut :

GAMBAR 8. Penampang melintang dari BAJ dan benda kerja

Konduksi panas dengan pemanasan dari arah BAJ dan kantong hampa digambarkan sebagai berikut :

GAMBAR 9. Konduksi panas dengan pemanasan dari arah BAJ dan kantong hampa

dimana

Lk : tebal kantong hampa Lp1: tebal pelat Aluminium 1

: tebal adhesives 1

Lhc : tebal honey comb core La2 : tebal adhesives 2

Lp2: tebal pelat Aluminium 2

Lbaj : tebal BAJ

: tebal protectives cover Lk : tebal kantong hampa

Ts_kh: temperatur permukaan kantong hampa

Ts_RAJ: temperatur permukaan BAJ

: variabel jarak untuk perhitungan perpindahan panas dengan pemanasan dari arah BAJ

: variabel jarak untuk perhitungan perpindahan panas dengan pemanasan dari arah kantong hampa.

Andaikan dalam pemanasan BAJ digunakan autoclaves dengan kenaikan temperatur (heat up rate) sebesar Th o / menit dan temperatur awal (Ti), maka temperatur sekeliling di dalam autoclaves (T∞) dapat ditulis sebagai

\[T_{\infty} = T_l + \frac{T_h}{60}\theta \tag{1}\]

dimana \(\theta\) adalah variabel waktu (detik).

Dengan menggunakan persamaan keseimbangan energi^[2] akan didapat temperatur permukaan, yaitu

\[T_s = T_i + \frac{Th \ m \ Cp}{60 \ h \ A} \ e^{-(h \ A \ / \ m \ Cp) \ \theta} + \frac{Th}{60} \ \theta - \frac{Th \ m \ Cp}{60 \ h \ A} \ (2)\]

Distribusi temperatur pemanasan adhesives dari arah BAJ dapat dirumuskan sebagai

\[T_{p2}(x,\theta) = T_{bqj}(x,\theta) - 2(T_{bqj}(x,\theta) - T_i)\] \[\sum_{n=0}^{\infty} e^{-\left[\frac{(n-0.5)\pi}{L_{p3}}\right]^2 \frac{k^2 p_2}{C^2 p_3 p_{p3}} \theta}\] \[\frac{(-1)^2}{(n+0.5)\pi} \cos(n+0.5) \frac{\pi x}{L_{p2}}\] (3)

Distribusi temperatur pemanasan adhesives dari arah kantong hampa dapat dituliskan sebagai

Dengan m adalah massa dan Cp adalah panas jenis, maka jumlah energi yang diperlukan untuk memanaskan BAJ sebesar

\[T_{pI}(y,\theta) = T_b(y,\theta) - 2(T_b(y,\theta) - T_i)\] \[\sum_{n=0}^{\infty} e^{-\left[\frac{(n+0.5)\pi}{L_{pI}}\right]^2 \frac{kx_{pI}}{Cp_{pI}ppI}\theta}\] \[\frac{(-1)^2}{(n+0.5)\pi} \cos(n+0.5) \frac{\pi y}{L_{pI}}\] (4)

\[Q_{BM} = m_{BM}C_{pBM}(T_{bol} - T_i)\] (5)

Jumlah energi untuk memanaskan pelat Aluminium 2 adalah

\[Q_{p2} = m_{p2}C_{pp2}(T_{p2} - T_i)\](6)

Jumlah energi untuk memanaskan pelat Aluminium 1 sebesar

\[Q_{p1} = m_{p1}C_{pp1}(T_{p1} - T_{p1}) \tag{7}\]

Jumlah energi untuk memanaskan protectives cover adalah

\[Q_b = m_b C_{pb} (T_b - T_p) \tag{8}\]

Jumlah energi untuk memanaskan kantong hampa adalah

\[Q_k = m_k C_{nk} (T_k - T_i) \tag{9}\]

Jumlah energi yang diperlukan untuk memanaskan BAJ dan benda kerja secara keseluruhan merupakan penjumlahan persamaan (5) sampai dengan persamaan (9), yaitu

\[Q = Q_{baj} + Q_{p2} + Q_{p1} + Q_b + Q_k \tag{10}\]

Koefisien perpindahan panas (h) yang terjadi dari arah kantong hampa untuk ketiga alternatif rancangan diasumsikan sama. Penentuan koefisien perpindahan panas dari arah kantong hampa didapat dengan menggunakan penyederhanaan yang dibuat dalam gambar berikut

GAMBAR 10. Penyederhanaan BAJ untuk penentuan performansi perpindahan panas

Gambar 10.b merupakan penyederhanaan dari BA. yang sesungguhnya (gambar 10.a). Dengan penyederhanaan ini maka BAJ dapat dianggap sebaga permukaan rata. Koefisien perpindahan panas untuk kasus ini^[3] adalah

\[\bar{h}_1 = \frac{\bar{N}u \ kf}{L} = \frac{kf}{L} \ 0.036 \ Pr^{1/3} Re^{0.8}\] (11)

dimana L adalah panjang BAJ (gambar 6.), k_f adalah konduktivitas panas fluida pemanas dan Nu adalah bilangan Nusselt.

Koefisien perpindahan panas yang terjadi dari arah BAJ untuk masing-masing alternatif rancangan adalah sebagai berikut :

1. Alternatif rancangan BAJ 1 Koefisien perpindahan panas untuk kasus ini

\[\bar{h}_1 = \frac{\bar{N}u_1kf}{L} = \frac{kf}{L} 0,036 \ Pr^{1/3}Re^{0.8}\] (12)

2. Alternatif rancangan BAJ 2 Koefisien perpindahan panas untuk kasus ini^[4]

\[\bar{h}_2 = \frac{\bar{N}u_2kf}{D_h} = \frac{kf}{D_h} \frac{[(0.79 \ln Re - 1.64)^{-2}/8][Re - 1000]Pr}{D_h} (13)\]

dimana D_b adalah diameter hidrolik.

3. Alternatif rancangan BAJ 3 Bentuk alternatif rancangan BAJ 3 ini dapat dianalogikan sebagai saluran yang mengalami pembesaran, yang dapat digambarkan sebagai gambar berikut

GAMBAR 11. Analogi untuk alternatif rancangan BAJ 3

Prandtl-Kolmogorov^[5] mendefinisikan viskositas kinematik turbulen sebagai berikut :

\[v_t = C_u k^{1/2} l\](14)

dimana

\(\frac{v_t}{C_{\mu}}\) : viskositas kinematik turbulen \(\frac{v_t}{C_{\mu}}\) : konstanta yang besarnya adalah 0,09

: suatu skala panjang turbulen

Dengan asumsi bahwa skala panjang turbulen sebanding dengan jarak terhadap permukaan, 1=C₁y, maka persamaan tersebut akan menjadi

\[v_{.} = K^{*} k^{1/2} y\] (15)

\(K^* \equiv C_{\mu}.C_1\), besarnya mendekati 0,22.

Fluks panas pada aliran didekat dinding sebesar

\[\ddot{q} = k_f \frac{\partial (T_n - T_s)}{\partial y} \tag{16}\]

Dengan menggunakan difusivitas panas turbulen,

\[\sigma_t = \frac{k_f}{\rho \ Cp} \tag{17}\]

maka persamaan (16) menjadi

\[\ddot{q} = \sigma_t \rho Cp \frac{\partial (T_n - T_p)}{\partial y}\] (18)

Dengan definisi bilangan Prandtl turbulen sebagai berikut:

\[Pr_t = \frac{v_t}{\sigma_t} \tag{19}\]

Persamaan (18) menjadi

\[\ddot{q} = \frac{v_t}{Pr_t} \frac{\partial (T_{-} - T_s)}{\partial y}\] (20)

dengan memasukkan persamaan (15) ke dalam persamaan (20) akan didapat

\[\frac{\ddot{q}}{\rho \ Cp} = \frac{K^* \ k^{1/2}}{Pr_t} \ y \ \frac{\partial [T_m - T_s]}{\partial y} \tag{21}\]

Integrasi persamaan (21) akan menghasilkan

\[\frac{\rho \ Cp \ [T_{-} - T_{p}] \ k^{1/2}}{\bar{q}} = \frac{Pr_{t}}{K^{*}} \ln y\] (22)

Persamaan untuk fluks panas adalah

\[\ddot{q} = h \left( T_{-} - T_{-} \right) \tag{23}\]

Dengan menggunakan persamaan (22) dan (23) akan didapat bilangan Nusselt untuk kasus ini, yaitu sebesar

\[Nu = \frac{h L}{k_f} = \frac{\ddot{q} L}{k_f (T_u - T_s)}\] (24)

atau

\[Nu = \frac{\rho \ Cp}{k_f} \frac{k^{1/2} \ K^* \ L}{Pr_t \ln y}\] (25)
Menurut Runchal's^[6] daerah aliran pusar mempunyai kontur energi kinetik turbulen seperti dilukiskan dalam gambar berikut

GAMBAR 12. Kontur energi kinetik turbulen di daerah aliran pusar

Oleh karena itu kontur energi kinetik turbulen alternatif rancangan BAJ 3 dengan jumlah lubang sebanyak tiga buah dapat dilukiskan seperti gambar 13. Energi kinetik turbulen untuk kasus BAJ ini merupakan energi kinetik turbulen rata-rata, yaitu sebesar

GAMBAR 13. Kontur energi kinetik turbulen pada alternatif rancangan BAJ 3

\[\bar{k} = \frac{\sum k A}{\sum A}\] (26)

dimana

k : energi kinetik turbulen pada posisi tertentu A : luas daerah dengan energi kinetik turbulen sebesar k

Dengan menggunakan persamaan (25) dan persamaan (26) maka bilangan Nusselt untuk BAJ dengan struktur pembentuk aliran turbulen (alternatif rancangan BAJ 3) dapat dibandingkan dengan bilangan Nusselt untuk BAJ dengan struktur saluran (alternatif rancangan BAJ 2).

Pada daerah struktur saluran (tanpa pembentuk aliran turbulen) bilangan Nusselt adalah

\[Nu_s = \frac{[(0.79 \ln Re - 1.64)^{-2} / 8] [Re - 1000] Pr}{1 + 12.7[(0.79 \ln Re - 1.64)^{-2} / 8]^{1/2} [Pr^{2/3} - 1]}\](13)

Untuk daerah saluran tanpa struktur pembentuk aliran turbulen, kontur energi kinetik turbulen mendekati daerah di sumbu saluran (lihat gambar 12.). Oleh karena itu kontur energi kinetik turbulen rata-rata untuk daerah ini adalah

\[\frac{\overline{k}_s}{k_{\text{max}}} = 0.1 \tag{27}\]

Dengan menggunakan persamaan (25) dimana Nu merupakan fungsi dari k dan variabel yang lain konstan untuk saat yang tertentu, maka perbandingan bilangan Nusselt untuk daerah saluran dengan struktur pembentuk aliran turbulen dengan saluran tanpa pembentuk aliran turbulen adalah

\[\frac{Nu_t}{Nu_s} = \frac{k_t^{1/2}}{k_s^{1/2}} \tag{28}\]

sehingga

\[Nu_t = 3,16 \frac{(\sum k A)^{1/2}}{(\sum A)^{1/2}} Nu_s\]

dimana

Nu_t: bilangan Nusselt pada daerah de struktur pembentuk aliran turbulen

Nu_s: bilangan Nusselt pada daerah tanpa tur pembentuk aliran turbulen.

Oleh karena itu koefisien perpindahan panas alternatif rancangan BAJ 3 adalah

\[\bar{h}_3 = \frac{\bar{N}u_t \, kf}{D_k}\]

Dari persamaan (29) dapat dilihat be koefisien perpindahan panas alternatif ranca BAJ 3 dipengaruhi oleh ukuran lubang dan julubang. Semakin banyak jumlah lubang, ser besar pula jumlah energi kinetik turbulen (k) terjadi. Semakin kecil ukuran lubang, ser besar pula jumlah energi kinetik turbulen kal daerah (A).

5. CONTOH KASUS

Sebagai contoh kasus dalam makala adalah BAJ untuk pembuatan komponen pada pesawat terbang, yaitu aft flap assy outa trailing edge flap wing. Komponen tersebut dijelaskan dengan gambar 14.

GAMBAR 14. Komponen Aft Flap Assy

Komponen tersebut terbuat dari Al T351 dengan tebal 1,5 mm dan metalic honey core.

Dalam pembuatan komponen ini dirai BAJ yang dapat dijelaskan dengan gambar be

GAMBAR 15. Rancangan BAJ yang diajuka

Dalam pembuatan komponen ini, andaikan heat up rate (pemanasan BAJ) sebesar 5 ° C /-menit, dimulai pada 49 ° C dan setelah mencapai 127 ° C pemanasan yang diberikan konstan. Proses ini dilakukan pada tekanan konstan (4 atm).

Sifat-sifat udara yang digunakan untuk memanaskan BAJ didapat dengan meninjau udara pada temperatur rata-rata (Tm = 88° C = 361 K) dan tekanan 4 atm, yaitu^[4]

\[\rho = 3,872 \ kg \ / \ m^3\] \[C_p = 1010,1 \ J \ / \ kg \ K\] \[v = 5,3.10^{-6} \ m^2 \ / \ s\] \[kf = 30,84.10^{-3} \ W \ / \ m \ K\] \[Pr = 0,698\]

Kecepatan aliran udara yang digunakan dalam perhitungan adalah kecepatan udara dari autoclaves setelah kecepatannya konstan. Kecepatan aliran udara ini diandaikan sebesar 0,59 m/s.

Bahan dasar BAJ adalah Al 6061 T651, bahan kantong hampa silicone rubber dengan tebal 3 mm dan sebagai protectives cover digunakan breather dengan tebal 1 mm.

Massa BAJ sebesar 302,1 kg, massa pelat Aluminium 1 (bagian atas komponen) sebesar 3,8 kg, massa pelat Aluminium 2 (bagian bawah komponen) sebesar 3,8 kg, massa breather 1,15 kg dan massa kantong silicone rubber sebesar 16 kg.

Distribusi temperatur dan energi pemanasan adhesives dari arah BAJ dan kantong hampa berturut-turut dijelaskan dalam gambar 16, 17 dan 18.

BAJ ini mempunyai jumlah tumpuan sewaktu proses handling dan curing sebanyak dua buah. Posisi untuk pengangkatan sewaktu proses handling berjarak 674 mm dari tepi. Defleksi sewaktu proses handling sebesar 10,83 mm. Ini berarti masih dibawah defleksi yang diijinkan, yaitu 14,96 mm.

GAMBAR 16. Pemanasan adhesives dari arah BAJ

GAMBAR 17. Pemanasan adhesives dari arah kantong hampa

GAMBAR 18. Energi pemanasan BAJ

KESIMPULAN

Dari pembahasan yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan bahwa dalam proses perancangan Bonding Assembly Jig paramater perancangan perlu diketahui. Parameter yang berperan besar dalam perancangan BAJ adalah kekakuan dan perpindahan panas.

Performansi kekakuan yang berperan adalah kekakuan sewaktu proses handling, disamping kekakuan sewaktu proses curing. Dalam penentuan performansi kekakuan ini masalah penting yang harus diketahui adalah jumlah tumpuan sewaktu proses handling maupun proses curing.

Performansi perpindahan panas terutama dipengaruhi oleh bentuk rancangan Bonding Assembly Jig. Dalam hal ini bentuk alternatif rancangan BAJ 3 mempunyai performansi perpindahan panas yang paling baik.