FAKTOR PENTING PEMILIHAN MATERIAL TEKNIK PADA PROSES DESAIN

Faktor Penting Pemilihan Material Teknik Pada Proses Desain

Pemilihan material merupakan sebuah hal yang sangat penting pada saat mendesain suatu produk. Ada sejumlah faktor yang harus dipertimbangkan pada saat akan memilih material teknik salah satunya yaitu sifat meterial seperti kerapatan, kekuatan, fleksibilitas, mampu mesin, kekakuan, konduktivitas listrik dan termal dan ketahanan terhadap korosi. Selain itu, kemudahan untuk diperbaiki serta biaya material juga merupakan hal yang sangat penting untuk dipertimbangkan. Para engineer akan selalu mencari material yang lebih kuat dengan harga yang lebih terjangkau.

Secara umum sifat material dibagi menjadi tiga yaitu kelistrikan, mekanis dan thermal. Dalam aplikasi kelistrikan, relativitas listrik material sangatlah penting. Hal ini berkaitan dengan seberapa besar ketahanan material terhadap aliran listrik. Sementara itu, dalam pengaplikasian teknik mesin, sipil dan dirgantara, yang paling penting untuk dipertimbangkan adalah sifat mekanik material. Sifat  mekanik tersebut meliputi modulus elastisitas, modulus kekakuan, kekuatan tarik, kekuatan tekan, rasio kekuatan terhadap berat, modulus ketahanan dan modulus ketangguhan.

Dalam pengaplikasian yang berhubungan dengan fluida baik itu cair maupun gas, sifat thermofisik seperti massa jenis, konduktivitas thermal, kapasitas panas, viskositas, tekanan uap dan kompresibilitas merupakan hal yang sangat penting. Ekspansi thermal suatu material baik padat maupun fluida juga merupakan faktor desain yang sangat penting.

Sifat material sangat bergantung pada banyak faktor termasuk bagaimana material tersebut diproses, umurnya, komposisi kimianya dan ketidakhomogenan atau kecacatan di dalam material tersebut.

Berikut adalah beberapa properti material yang dapat dijadikan acuan untuk pemilihan material teknik pada proses desain.

Resistivitas Listrik (Electrical Resistivity)

Nilai esistivitas listrik adalah ukuran resistansi material terhadap aliran listrik. Contohnya adalah plastik dan keramik biasanya memiliki nilai resistivitas yang tinggisedangkan logam memiliki nilai resistivitas yang rendah.

Massa Jenis (Density)

Massa jenis didefinisikan sebagai massa per satuan volume, ini adalah ukuran seberapa padat material untuk volume tertentu. Contoh: kerapatan rata - rata paduan alumunium adalah 2700 Kg/m³ jika dibandingakan dengan kerapatan baja sebesar 7850 Kg/m³, alumunium memiliki massa jenis kira - kira sepertiga dari massa jenis baja.

Modulus Elastisitas (Modulus of Elasticity)

Modulus elastisitas atau disebut juga young's modulus adalah ukuran seberapa mudah suatu material akan meregang pada saat ditarik (mengikuti gaya tarik) atau seberapa baik material akan memendek pada saat didorong (mengikuti gaya tekan). Semakin besar nilai modulus elastisitas maka semakin besar gaya yang dibutuhkan untuk meregangkan atau memperpendek material. Misalnya modulus elastisitas pada alumunium berada pada kisaran 70 sampai 79 GPa (Giga Pascal) sedangkan baja memiliki modulus kisaran 190 sampai 210 GPa, maka dari itu baja tiga kali lebih kaku dari paduan alumunium.

Modulus Kekakuan/Modulus Geser (Modulus of Rigidity/Shear Modulus)

Modulus kekakuan adalah ukuran seberapa mudah suatu bahan dapat dipelintir atau dicukur. Nilai modulus kekakuan, juga disebut modulus geser yang menunjukkan resistansi material tertentu terhadap deformasi geser. Engineer mempertimbangkan nilai modulus geser saat memilih bahan untuk poros yang merupakan batang yang dikenakan torsi puntir. Misalnya, modulus kekakuan atau modulus geser untuk paduan aluminium berada pada kisaran 26 hingga 36 GPa, sedangkan modulus geser untuk baja berada pada kisaran 75 hingga 80 GPa. Oleh karena itu, baja kira-kira tiga kali lebih kaku dalam pemotongan dibandingkan aluminium.

Kekuatan Tarik (Tensile Strength)

Kekuatan tarik material ditentukan dengan mengukur beban tarik maksimum yang dapat ditahan oleh spesimen material dalam bentuk batang persegi panjang atau silinder tanpa kerusakan. Kekuatan tarik atau strength ultimate suatu bahan dinyatakan sebagai gaya tarik maksimum per satuan luas penampang spesimen. Ketika spesimen material diuji kekuatannya, beban tarik yang diterapkan dinaikkan secara perlahan. Pada awal pengujian, material akan mengalami deformasi elastis yang artinya jika beban dilepas maka material akan kembali ke ukuran dan bentuk semula tanpa deformasi permanen. Titik di mana bahan menunjukkan sifat elastis ini disebut titik luluh (yield point). Kekuatan luluh (yield strength) mewakili beban maksimum yang dapat ditahan material tanpa mengalami deformasi permanen. Dalam aplikasi desain teknik tertentu, kekuatan luluh (yield strength) digunakan sebagai kekuatan tarik.

Kekuatan Kompresi (Compression Strength)

Beberapa material lebih tahan terhadap kompresi (tekanan) daripada terhadap tegangan, contohnya adalah beton. Kekuatan kompresi suatu material ditentukan dengan mengukur beban tekan maksimum yang dapat dibawa oleh spesimen material dalam bentuk batang persegi panjang, silinder, atau kubus tanpa kerusakan. Kekuatan tekan ultimate suatu material dinyatakan sebagai gaya tekan maksimum per satuan luas penampang benda uji. Beton memiliki kuat tekan pada kisaran 10 sampai 70 MPa.

Modulus Ketahanan (Modulus of Resilienc)

Modulus ketahanan adalah sifat mekanik suatu bahan yang menunjukkan seberapa efektif bahan tersebut dalam menyerap energi mekanik tanpa mengalami kerusakan permanen.

Modulus Ketangguhan (Modulus of Toughness)

Modulus ketangguhan adalah sifat mekanik suatu material yang menunjukkan kemampuan material untuk menangani beban berlebih sebelum patah.

Rasio Kekuatan Terhadap Berat (Strength-to-Weight Ratio)

Seperti yang tersirat dari istilah tersebut, rasio kekuatan terhadap berat adalah rasio kekuatan material terhadap berat spesifiknya (berat material per satuan volume). Berdasarkan aplikasinya, para engineer menggunakan hasil atau kekuatan ultimate material saat menentukan rasio kekuatan terhadap berat material.

Ekspansi Thermal (Thermal Expansion)

Ekspansi Termal Koefisien ekspansi linier dapat digunakan untuk menentukan perubahan panjang (per panjang asli) material yang akan terjadi jika suhu material diubah. Ini adalah properti material penting untuk dipertimbangkan saat merancang produk dan struktur yang diharapkan mengalami perubahan suhu yang relatif besar selama masa pakai.

Konduktivitas Thermal (Thermal Conductivity)

Konduktivitas termal adalah sifat material yang menunjukkan seberapa baik material dalam mentransfer energi termal (panas) dari wilayah bersuhu tinggi ke wilayah bersuhu rendah di dalam material.

Kapasitas Panas (Heat Capacity)

Beberapa material lebih baik dari yang lain dalam menyimpan energi panas. Nilai kapasitas panas mewakili jumlah energi panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu satu kilogram massa material sebesar satu derajat Celcius atau jumlah energi panas yang diperlukan untuk menaikkan satu pon massa material sebanyak satu derajat Fahrenheit. Bahan dengan nilai kapasitas panas yang besar baik dalam menyimpan energi panas.

Viskositas, tekanan uap, dan modulus curah kompresibilitas adalah sifat fluida tambahan yang dipertimbangkan para engineer dalam proses desain.

Viskositas (Viscosity)

Nilai viskositas suatu fluida menunjukkan seberapa mudah fluida tersebut dapat mengalir. Semakin tinggi nilai viskositas, semakin besar resistansi yang ditawarkan fluida untuk mengalir. Misalnya, dibutuhkan lebih sedikit energi untuk mengangkut air dalam pipa daripada untuk mengangkut oli motor atau gliserin.

Tekanan Uap (Vapor Pressure)

Dalam kondisi yang sama, fluida dengan nilai tekanan uap rendah tidak akan menguap secepat cairan bertekanan uap tinggi. Misalnya, jika meninggalkan panci berisi air dan panci berisi minyak goreng berdampingan di dalam ruangan, air akan menguap dan meninggalkan panci jauh sebelum adanya perubahan pada volume minyak goreng.