Review Journal Ultrasonic Welding of Polycarbonate-Glass Fiber Laminate and Comparison with Adhesive Bonding

  

Ultrasonic Welding of Polycarbonate-Glass Fiber Laminate and Comparison with Adhesive Bonding

 

1.     Latar Belakang

Penggunaan komposit termoplastik yang diperkuat serat kaca (glass fiber) dengan matriks polycarbonate (PC) makin populer di aplikasi struktural dan ringan, karena kombinasi sifat: ringan, kekuatan cukup baik, dan kemampuan termal/impak relatif bagus. Namun ketika bagian-bagiannya harus disambung (join), metode konvensional seperti adhesive bonding (perekat) sering punya kelemahan: waktu pengerjaan yang lama, ketahanan terhadap suhu atau lingkungan kurang baik, dan beban antarmuka yang bisa membuat sambungan mudah gagal.

Ultrasonic welding (USW) muncul sebagai alternatif yang menarik: teknik ini memanfaatkan getaran ultrasonik frekuensi tinggi ditambah tekanan untuk menghasilkan sambungan. Keunggulannya adalah proses yang cepat, tidak perlu banyak tambahan bahan perekat, dan sambungan solid-state (tidak meleleh keseluruhan material). Tetapi tantangannya adalah bagaimana memastikan sambungan antara laminat serat kaca-PC cukup kuat, seragam, dan andal, terutama ketika tidak ada energy director (komponen kecil yang membantu memusatkan energi panas/getaran) versus ketika ada.

2.     Keterbaruan

·       Penelitian ini membandingkan dua kondisi: USW dengan dan tanpa energy director (ED). ED dalam penelitian ini berupa kawat (wire) polycarbonate yang diletakkan di antarmuka sambungan. Tujuannya untuk melihat seberapa besar peran ED dalam meningkatkan kekuatan sambungan, terutama variabilitas antar sampel.

·       Selain itu, penelitian ini juga membandingkan hasil sambungan USW dengan adhesive bonding, supaya terlihat kelebihan/kelemahan relatifnya.

·    Fokus penelitian pada parameter sambungan seperti tekanan, waktu pengelasan, dan pengaruh kualitas viskoelastis dari polycarbonate pada suhu (bagaimana material merespon getaran dan panas dalam proses).

3.     Metode

·       Material: laminat komposit yang terdiri dari polycarbonate diperkuat serat kaca kontinu (continuous glass fiber).

·   Energy Director: pada beberapa sampel ditambahkan kawat PC sebagai ED, pada beberapa sampel tidak menggunakan ED.

·       Proses USW: parameter variatif (satu variabel diubah sambil mempertahankan lainnya tetap) seperti tekanan pengelasan, waktu pengelasan. Analisis mekanik juga dilakukan (strength test), dan juga dynamic mechanical analysis untuk karakterisasi viskoelastisitas dan ketergantungan terhadap suhu.

·    Perbandingan: sambungan USW dibandingkan dengan sambungan menggunakan adhesive bonding (perekat) untuk melihat mana yang lebih baik dalam konteks kekuatan rata-rata dan stabilitas antar-sampel.

4.     Hasil

·  Sambungan USW tanpa ED tetap bisa dibuat, artinya material dan proses cukup mendukung agar getaran + tekanan saja sudah menghasilkan ikatan. Namun kualitas sambungan (kekuatan dan variasi antar sampel) lebih baik ketika menggunakan ED. ED membantu menghasilkan sambungan yang lebih konsisten dan kuat.

·       Dengan ED, rata-rata kekuatan sambungan USW melebihi kekuatan sambungan perekat pada material yang sama; ini menunjukkan bahwa USW + ED bisa menggantikan metode adhesive bonding dalam beberapa aplikasi.

·  Variasi antar sampel lebih kecil dengan ED: artinya reproducibility (kemampuan menghasilkan hasil yang serupa antar percobaan) meningkat ketika ED digunakan.

·  Analisis viskoelastik menunjukkan bahwa viskoelastisitas material (bagaimana PC merespon getaran dan suhu) mempengaruhi bagaimana panas terbentuk dan bagaimana antarmuka melebur atau mengalir sedikit ke arah sambungan, yang berdampak pada kekuatan akhir sambungan.

 

5.     Evaluasi

·       Berdasarkan hasil, penggunaan USW + ED secara umum lebih baik daripada adhesive bonding dan USW tanpa ED dalam hal kekuatan rata-rata sambungan dan keandalan antar pengujian. Jadi masalah klasik adhesive (waktu curing, daya tahan lingkungan, kekuatan antarmuka) relatif bisa dikurangi.

·       Namun tetap ada tantangan: tanpa ED, sambungan bisa ada yang lemah atau variabel; dengan ED, meski rata-rata bagus, ada kebutuhan kontrol parameter yang presisi (tekanan, waktu, posisi ED). Jika parameter kurang optimal, mungkin sambungan akan kurang kuat atau ada cacat antarmuka.

·       Juga, meskipun USW lebih cepat dan tidak memerlukan bahan perekat, biaya dan kompleksitas parasain ED dan peralatan USW perlu diperhitungkan (apakah ada investasi peralatan, keahlian untuk mengatur parameter).

6.     Inovasi

Beberapa arah yang bisa diambil dari penelitian ini untuk pengembangan lebih lanjut:

·       Eksperimen dengan berbagai bentuk & ukuran energy director: bukan hanya kawat, bisa bentuk profil lain (misalnya filamen tipis, profil geometri khusus) yang mungkin lebih efektif atau lebih mudah diproduksi.

·       Penelitian tentang ketahanan sambungan dalam kondisi lingkungan: suhu tinggi/dingin, kelembapan, siklus beban atau getaran, agar diketahui apakah sambungan USW + ED tetap kuat dalam jangka panjang.

·       Penyesuaian parameter lebih lanjut: selain tekanan dan waktu, mungkin juga amplitudo getaran, frekuensi ultrasonik, atau tekanan pemegangan (“blank holding force”) agar sambungan lebih stabil.

·   Analisis biaya manfaat (cost-benefit) antara menggunakan USW + ED vs adhesive bonding atau metode lainnya dalam produksi massal.

·    Menerapkan pada material komposit lain atau kombinasi komposit-logam; atau dalam bentuk sambungan lain (bukan hanya lap joint) agar aplikasinya lebih luas.

 

Pirondi, A., Gulino, M., Moroni, F., & Bercella, M. (2024). Study of the ultrasonic welding of a polycarbonate-glass fiber laminate and comparison with adhesive bonding. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications, 238(1), 112-132.