Serat Tandan Kosong Kelapa Sawit Untuk Komposit Dan Aplikasinya Pada Struktur Bergerak Mesin Cnc Perkayuan

Abstract

Tandan kosong kelapa sawit (TKKS) yang merupakan 21%-24% bagian dari total keseluruhan tandan buah segar (TBS) masih belum termanfaatkan secara optimal. Pabrik kelapa sawit (PKS) umumnya mengembalikan TKKS tersebut ke lahan perkebunan untuk dijadikan pupuk, namun karena volumenya yang besar, dan biaya transportasinya yang mahal, serta tidak sebanding dengan pemenuhan kebutuhan pupuknya itu sendiri, maka akhirnya PKS menumpuk begitu saja TKKS ini di lahan terbuka. Penumpukan TKKS ini berpotensi menghasilkan gas metana yang terlepas ke udara dan menyebabkan kerusakan lapisan ozon, sehingga perlu inovasi untuk memanfaatkan limbah ini agar tidak berdampak negatif terhadap lingkungan, sekaligus mendapatkan nilai tambah ekonominya. Di sisi lain pengembangan produk-produk kerajinan kreatif berbahan dasar kayu di Indonesia menjadi primadona, terutama untuk diekspor. Salah satu kendala pengembangannya adalah tenaga kerja pengukir (crafter) yang minim renegerasi, padahal permintaannya semakin meningkat. Untuk itulah dunia mulai mengenal alat bantu berupa mesin pengukir kayu berbasis komputer, atau umum dikenal CNC (computerized numerical control) woodworking machine yang dikembangkan untuk membantu, bahkan menggantikan tenaga manusia karena mampu berproduksi lebih cepat, akurat, dan konsisten. Tingkat pemotongan yang tinggi pada proses permesinan kayu membutuhkan permesinan cepat akibat berat jenis bahan kayu yang rendah, namun umumnya mesin CNC perkayuan dibangun dengan struktur logam yang berat, baik untuk struktur penopang maupun struktur bergeraknya. Kenyataannya, bahan baku kayunya sendiri jauh lebih ringan ketimbang struktur yang menggerakkannya. Dinamika gerakan pada struktur bergerak yang berat ini menyebabkan pemborosan daya dan getaran berlebih yang mempengaruhi ketelitian, keawetan pahat potong, dan produktivitas. Penerapan material maju seperti komposit yang ringan namun tetap kuat untuk struktur bergerak mesin CNC perkayuan diduga penting karena kebutuhan akan kecepatan pada proses permesinan kayu. Komposit serat alam yang bersifat terbarukan menjadi trending topic saat ini terutama karena isu lingkungan. Disamping itu, komposit serat alam memiliki keunggulan spesifik tertentu, salah satunya adalah lebih ringan, sehingga cocok untuk aplikasi tertentu yang membutuhkan material ringan seperti pada struktur bergerak mesin CNC perkayuan. Densitas serat TKKS yang rendah sebagaimana ciri umum sifat fisik serat alam yang lain akan mempengaruhi berat massa bahan jadi kompositnya, dan melalui keunggulan teknis inilah, penggunaan serat TKKS sebagai bahan pengisi komposit dengan matriks epoxy untuk struktur bergerak mesin CNC perkayuan dipertimbangkan. Beberapa peneliti terdahulu menyebutkan bahwa kekuatan serat TKKS yang tidak sebaik serat alam lain seperti bambu, sisal, nanas, dan lain-lain, oleh sebab itu, pada tahap pertama penelitian ini dikaji bagian mana dari TKKS yang memiliki kekuatan mekanik terbaik. Morfologi TKKS dieksplorasi, dan dipisahkan menjadi 3 bagian, yakni batang atas, batang utama, dan batang buah. Bagian demi bagian diteliti dan menunjukkan bagian batang buah TKKS memiliki kekuatan tarik terbaik dan struktur yang lebih kaku dibanding bagian yang lain. Hasil pengujian serat dengan standar ASTM D3822-07 menunjukkan kekuatan tarik rata-rata serat batang buah TKKS sebesar 152.85 N/mm2, sedangkan serat batang atas dan batang utama adalah masing-masing 108.29 N/mm2 dan 125.13 N/mm2. Seleksi terhadap serat TKKS yang berhasil menemukan serat batang buahnya sebagai kandidat bahan terbaik untuk material komposit merupakan salah satu kontribusi dari penelitian ini sekaligus sebagai novelty. Pada penelitian tahap kedua, fabrikasi komposit serat batang buah TKKS dengan bahan epoxy mengaplikasikan teknik pencetakan bertekanan dan variasi fraksi berat serat 5%, 10%, 15%, dan 20% dengan menggunakan coupling agent Silane 3% dari berat menghasilkan material komposit baru. Hasil pengujian tarik material yang dihasilkan dengan metode ASTM D638 menunjukkan bahwa kekuatan optimal ada pada fraksi berat 10%, yakni menghasilkan kekuatan tarik terbaik sebesar 31.72 N/mm2 dengan densitas 1.02 g/cm3. Material ini kemudian digunakan sebagai material baru yang diaplikasikan pada struktur bergerak mesin CNC perkayuan, menggantikan material tradisionalnya yakni besi tuang (cast iron). Teknik pencetakan bertekanan dalam chamber sebesar 50-60 psi selama 1-2 jam untuk menghasilkan bahan komposit tebal dan padat tanpa pori merupakan kontribusi penelitian ini bagi ilmu pengetahuan dan industri material komposit. Analisa perbandingan pada penelitian tahap 3 menunjukkan material ini memiliki unjuk kerja dinamik lebih baik pada proses permesinan cepat ketimbang material tradisionalnya. Hasil pengujian getaran dengan metode pemotongan pada kecepatan pemotongan 1000 mm/min menunjukkan bahwa penggunaan material komposit epoxy berpengisi serat batang buah TKKS struktur bergerak mesin CNC perkayuan berkontribusi positif terhadap penurunan rambatan amplitudo getaran yang muncul saat proses pemotongan sebesar 1.5 kali. Lebih jauh, penggunaan material komposit menurunkan persentase beban motor dari yang tadinya 32% pada penggunaan material besi tuang, menjadi 25%, yang menunjukkan terjadinya penghematan energi pada penggunaan bahan komposit. Friksi yang terjadi saat gerakan cepat tanpa proses pemotongan (FP) yang dideteksi melalui pengujian positioning error yang dilakukan pada variasi kecepatan f: 5000, 10000, 15000, dan 20000 mm/min lebih kecil 4 kali pada penggunaan material komposit. Tren yang sama terjadi pada kecepatan yang lebih tinggi. Disamping itu, material komposit yang dikembangkan ternyata mampu menurunkan frekuensi alami komponen struktur bergerak x axis table unit secara signifikan, yakni sebesar rata-rata 2.9 kali berdasarkan hasil simulasi numerik modal analysis dan harmonic response analysis menggunakan perangkat lunak. Hal ini tentunya sangat bermanfaat pada aplikasi permesinan kayu yang umumnya menggunakan permesinan cepat pada proses kerjanya dan menghasilkan getaran berfrekuensi relatif tinggi. Hasil ini dapat menjadi masukan bagi dunia industri penghasil mesin CNC perkayuan sebagai pertimbangan dalam menentukan jenis material untuk struktur mekanik bergeraknya, sekaligus sebagai pemacu bagi peneliti lain untuk meneliti hal ini lebih lanjut.