Penjelasan Serat Karbon:Sifat, Kegunaan, dan Aplikasi Pencetakan 3D
Serat karbon, alias serat grafit atau grafit karbon, telah menjadi favorit di beberapa sektor, dan untuk alasan yang bagus. Namun kami tidak akan mengungkapkan semuanya di pendahuluan:baca terus untuk mengetahui apa itu bahan, jenis-jenisnya, dan kegunaannya.
Apa itu Serat Karbon?
Serat karbon adalah alas kain yang terbuat dari serat tenun dan digolongkan sebagai plastik komposit dan plastik yang diperkuat serat. Ini terdiri dari 90% poliakrilonitril (prekursor karbon) dan 10% prekursor lainnya, seperti pitch atau selulosa. Bahan ini dibuat dengan karbonisasi, oksidasi, atau grafitisasi. Pertama-tama dipotong sesuai bentuk yang diinginkan, diresapi dengan resin, kemudian diproses dengan salah satu metode yang disebutkan di atas. Ketika diawetkan, hasilnya adalah material yang ringan dan sangat kuat dengan rasio kekuatan terhadap berat yang mengesankan.
Toleransi panas yang tinggi dari jenis serat inilah yang mengilhami Sir Joseph Wilson Swan untuk menggunakannya untuk bola lampu pijar pada tahun 1860. Saat itu, filamen serat karbon belum sekuat sekarang, jadi ketika tungsten mulai digunakan, serat tersebut mengambil alih departemen pembuatan bola lampu. Lebih dari 50 tahun berlalu tanpa serat karbon benar-benar digunakan untuk apa pun, namun versi yang lebih kuat diperkenalkan pada tahun 1960an, dan Rolls-Royce menggunakannya untuk mesin jetnya—walaupun kerapuhannya.
Serat karbon yang digunakan dalam manufaktur saat ini memiliki kekuatan tarik sekitar 4.000 MPa dan modulus tinggi sebesar 400 GPa, sehingga berguna untuk banyak hal (tidak hanya bohlam). Ini tahan terhadap mulur, kelelahan, bahan kimia, dan korosi, serta tidak mudah terbakar dan tidak beracun. Dengan perawatan yang tepat, dapat menghantarkan listrik.
Bahan ini terkenal mahal. Bahan ini lebih ringan dan lebih kuat dari baja, namun harganya yang mahal membuat produsen enggan menggunakannya kecuali benar-benar diperlukan (seperti wewangian mahal yang Anda simpan untuk acara-acara khusus). Tapi sekarang harga serat karbon sudah turun, dan penggunaannya meningkat! Hari-hari penantian serat karbon untuk tugas-tugas penting telah berakhir; sekarang dibuat menjadi perkakas dan bahan pengikat, pegas dan kabel, dan bahkan dapat digunakan untuk memperkuat ban.
Apa Istilah Lain untuk Serat Karbon?
Serat karbon juga bisa disebut sebagai serat grafit atau grafit karbon. Ini mungkin disebut dengan istilah umum plastik komposit atau plastik yang diperkuat serat. Istilah komposit digunakan untuk menggambarkan suatu material yang memiliki matriks dan penguat. Dalam kasus serat karbon, serat adalah penguat dan resin adalah matriksnya. Plastik yang diperkuat serat digunakan untuk menggambarkan komposit serat kaca dan aramid serta serat karbon.
Kapan Serat Karbon Diciptakan?
Serat karbon pertama kali dibuat pada tahun 1860 oleh Sir Joseph Wilson Swan untuk digunakan pada bola lampu pijar karena serat ini memiliki toleransi panas yang sangat tinggi. Namun, filamen serat karbon pada saat itu tidak terlalu kuat. Jadi ketika tungsten mulai digunakan pada bola lampu, serat karbon tidak lagi digunakan selama lebih dari 50 tahun. Kemudian, pada tahun 1960-an, serat karbon yang lebih kuat dapat diproduksi untuk digunakan pada mesin jet oleh Rolls-Royce. Namun karena sifat serat karbon yang rapuh, penggunaannya dibatasi dalam jangka waktu yang lama. Sejak itu, produksi serat karbon menjadi jauh lebih efektif. Serat karbon saat ini memiliki kekuatan tarik di kisaran 4.000 MPa dan modulus 400 GPa yang membuka lebih banyak aplikasi penggunaannya.
Terbuat dari Apa Serat Karbon?
Oksidasi, karbonisasi, dan grafitisasi poliakrilonitril prekursor karbon membentuk 90% bahan serat karbon. 10% prekursor lainnya yang digunakan berasal dari pitch atau selulosa.
Apa Sifat Serat Karbon?
Sifat non-mekanik dari serat karbon adalah:
- Konduktif listrik
- Tahan korosi
- Tidak mudah terbakar
- Tidak beracun
Apa Sifat Mekanik Serat Karbon?
Sifat mekanik serat karbon antara lain:
- Ringan
- Kekuatan tinggi
- Tahan terhadap tanaman merambat
- Tahan lelah
- Modulus tinggi
- Kerapuhan
Berapa kali serat melewati dan di bawah serat lain dikenal sebagai crimp, dan semakin tinggi crimp, umumnya semakin tinggi stabilitasnya. Namun serat karbon dengan tingkat kerutan tinggi berarti bahan tersebut tidak akan terlalu fleksibel (dikenal sebagai kemampuan menggantungkan) untuk membentuk bentuk atau geometri yang rumit.
Seberapa Kuatkah Serat Karbon?
Serat karbon dikategorikan menjadi:kualitas modulus standar, menengah, tinggi, dan sangat tinggi dan kekuatan tarik berkisar antara 3,55 GPa.
Apakah Serat Karbon Berat?
Tidak, serat karbon tidak berat. Serat karbon sangat ringan dan merupakan salah satu dari dua sifat yang paling diinginkan, selain kekuatannya. Berat serat karbon akan tergantung pada jumlah serat per cm2 dan resin yang digunakan untuk mengikatnya. Sebagai contoh, tenunan kepar polos dari serat karbon tanpa resin memiliki berat 210 g/m2, dengan ketebalan hanya 0,28 mm. Sebagai perbandingan, baja memiliki berat 4 kg/m2 untuk ketebalan 0,5 mm.
Apa Sifat Kimia Serat Karbon?
Sifat kimia serat karbon adalah:
- Tahan bahan kimia
- Tidak beracun
- Tidak mudah terbakar
Apa Saja Berbagai Aplikasi Tingkat Lanjut dari Serat Karbon?
Karena harganya yang mahal, serat karbon saat ini hanya digunakan dalam aplikasi berkinerja tinggi, beberapa di antaranya kami cantumkan di bawah.
1. Industri Dirgantara
Bobotnya yang rendah membuat serat karbon cocok untuk badan pesawat, bulu, kerucut hidung, dan bilah rotor. Jika bagian-bagian ini dibuat dari bahan ini, bobot pesawat dapat dikurangi hingga 20%, sehingga menghemat bahan bakar jutaan dolar.
2. Alat Olah Raga
Ini digunakan untuk membuat raket tenis, ski, papan seluncur salju, sepeda, dan tongkat golf yang lebih ringan, lebih kuat, dan bergerak lebih cepat. Bersiaplah untuk membayar lebih banyak untuk peralatan olahraga serat karbon.
3. Alat Kesehatan
Perangkat dan implan sinar-X terbuat dari serat karbon terutama karena bersifat radiolusen (sinar-X dapat melewatinya dengan mudah). Ini juga tahan aus dan memiliki kekakuan yang mirip dengan tulang manusia. Berbeda dengan logam yang digunakan pada beberapa implan, serat karbon bersifat rapuh dan dapat pecah.
4. Sistem Penyimpanan Energi
Rencana untuk sistem penyimpanan baterai serat karbon sedang dikerjakan, yang dapat mengurangi bobot mobil listrik secara signifikan.
5. Teknik Sipil
Serat karbon menjadi semakin populer di jembatan dan struktur beton dimana kekuatan lebih penting daripada berat. Karena kekuatannya sepuluh kali lebih kuat dari baja, maka bahan ini lebih disukai, namun seperti yang telah kami ketahui, bahan ini jauh lebih mahal untuk digunakan.
6. Teknologi Kelautan
Karena harga serat karbon sedang menurun, penggunaan serat karbon mulai digantikan di kapal pesiar dan perahu kecil.
7. Teknologi Militer dan Pertahanan
Drone, helikopter, jet, dan pesawat angkut semuanya dapat dibuat menggunakan bahan ini. Desain helm menjadi jauh lebih rumit selama bertahun-tahun—sesuatu yang juga membuatnya lebih berat. Serat karbon hadir sebagai penyelamat (namun masih ada masalah kesulitan mendeteksi kerusakan).
Namun, ada satu kelemahan yang disebut Kerusakan Akibat Dampak yang Hampir Tidak Terlihat. Pada dasarnya, sulit untuk menemukan kerusakan pada material ini dengan mata telanjang, jadi memeriksa kesalahan memerlukan pelatihan dan pengujian ekstensif. Faktor ini mempengaruhi sebagian besar industri di atas, khususnya dirgantara, energi, kelautan, dan militer.
Bagaimana Serat Karbon Dapat Dimanfaatkan Bersamaan dengan Pencetakan 3D?
Serat karbon kompatibel dengan pencetakan 3D. Ini dapat digunakan sebagai lapisan serat kontinu atau dicetak sebagai untaian pendek dalam filamen printer FDM (Fused Deposition Modeling). Printer memerlukan dua kepala cetak jika Anda ingin mencetak dengan serat kontinu:satu untuk filamen plastik dan satu lagi untuk serat karbon. Jika Anda memilih untuk menyematkan untaian cincang ke dalam filamen, Anda dapat meningkatkan kekuatan dan kekakuan bagian cetakan tanpa mengalami kebangkrutan. Menggunakan bahan ini dalam pencetakan 3D berarti Anda dapat membuat komponen yang dapat digunakan untuk tujuan struktural karena bahan tersebut jauh lebih kuat daripada PLA dan ABS pada umumnya yang digunakan dalam pencetakan 3D. Dengan serat karbon, kekuatan komponen dapat dibandingkan dengan material seperti aluminium.
Industri dirgantara sampai batas tertentu menggunakan komponen serat karbon cetak 3D. Karena peraturan keselamatan, setiap teknologi atau material baru harus menjalani pengujian dan kualifikasi ekstensif sebelum digunakan di ruang angkasa, namun untuk saat ini, tidak jarang menemukan suku cadang untuk braket dan perkakas khusus yang terbuat dari serat karbon cetak 3D. Perusahaan juga tidak harus menghadapi waktu tunggu yang lama.
Pertanyaan Umum Tentang Serat Karbon
Bagaimana Pencetakan 3D di Industri Dirgantara Menggunakan Serat Karbon Untuk Membuat Bagian Berbeda?
Saat ini, pencetakan 3D dengan serat karbon di industri dirgantara masih terbatas. Penggunaan material dan proses baru memerlukan kualifikasi yang luas sebelum digunakan di ruang angkasa. Namun, banyak perusahaan dirgantara menggunakan komponen serat karbon cetak 3D untuk braket dan perkakas khusus. Pencetakan 3D digunakan untuk membuat komponen produksi terbatas yang seharusnya memiliki waktu tunggu yang lama. Banyak tugas perbaikan dan pemeliharaan memerlukan perkakas khusus yang berbiaya tinggi dan waktu pengerjaan yang lama. Dengan serat karbon cetak 3D, waktu pengerjaan dan biaya kini dapat dipangkas.
Untuk mempelajari lebih lanjut, lihat panduan lengkap kami tentang Pencetakan 3D di Luar Angkasa.
Apa Keunggulan Serat Karbon Dibandingkan Bahan Cetak 3D Lainnya?
Keunggulan komponen cetakan serat karbon adalah peningkatan kekuatannya jika dibandingkan dengan bahan cetakan 3D lainnya. Sebagian besar komponen cetakan 3D terbuat dari PLA atau ABS yang relatif lemah, sehingga komponen tersebut tidak dapat digunakan untuk tujuan struktural. Namun, dengan bahan serat karbon cetak 3D, kekuatannya sebanding dengan aluminium. Hal ini membuka banyak aplikasi untuk penggunaan komponen cetakan 3D.
Apakah Serat Karbon Lebih Kuat Dari Baja?
Ya, serat karbon lebih kuat dari baja jika membandingkan rasio kekuatan dan beratnya masing-masing. Meskipun baja dan serat karbon memiliki modulus elastisitas 200 GPa, baja lima kali lebih berat daripada serat karbon. Rasio kekuatan terhadap berat yang tinggi inilah yang menyebabkan serat karbon menjadi pilihan utama dalam banyak aplikasi.
Apakah Serat Karbon Lebih Kuat Dari Aluminium?
Ya, serat karbon jauh lebih kuat dari aluminium. Aluminium dapat mencapai hingga 570 MPa sedangkan serat karbon modulus ultra tinggi dapat mencapai kekuatan tarik lebih dari 5,5 GPa.
Apa Perbedaan Antara Serat Karbon dan Filamen 3D Serat Karbon?
Baik serat karbon tradisional maupun serat karbon cetak 3D menambah kekuatan dan ringan, namun metode penerapannya sangat berbeda. Secara tradisional, serat karbon adalah anyaman serat yang diberi resin dan kemudian diawetkan. Serat karbon tradisional biasanya dibuat menjadi panel yang lebih besar dan bagian berbentuk tabung tetapi dapat dibuat menjadi braket. Serat karbon cetakan 3D dipotong menjadi untaian mikro dan ditambahkan ke filamen yang kemudian dicetak menjadi bagian yang biasanya memiliki geometri kompleks atau dicetak sebagai untaian kontinu tunggal dalam lapisan terpisah dari bagian cetakan 3D.
Kat de Naoum
Kat de Naoum adalah seorang penulis, penulis, editor, dan spesialis konten dari Inggris dengan pengalaman menulis lebih dari 20 tahun. Kat memiliki pengalaman menulis untuk berbagai organisasi manufaktur dan teknis serta menyukai dunia teknik. Selain menulis, Kat juga menjadi paralegal selama hampir 10 tahun, tujuh di antaranya bekerja di bidang keuangan kapal. Dia telah menulis untuk banyak publikasi, baik cetak maupun online. Kat memiliki gelar BA dalam bidang sastra dan filsafat Inggris, dan MA dalam penulisan kreatif dari Kingston University.
Baca artikel lainnya oleh Kat de Naoum
