Finger Joint Kayu: Geometri Menentukan Kekuatan Sambungan

Apa itu finger joint kayu? Finger joint adalah sambungan ujung memanjang yang merekatkan dua potongan kayu dengan profil berbentuk jari yang saling mengunci, sehingga potongan pendek bisa disambung menjadi papan utuh. Kekuatannya berasal dari dua hal yang sering tercampur: daya rekat lem pada garis rekat dan efek mengunci dari geometri jari itu sendiri.

Banyak workshop mengenal finger joint sebagai cara menyelamatkan potongan pendek. Riset dari Universitas Göttingen yang terbit di Processes pada 2 Februari 2023 memberi angka yang jarang dibuka: kekuatan yang diukur pada sambungan standar selama ini mencakup efek mengunci, bukan kekuatan rekat murni. Tim menguji 6 jenis kayu dan 3 sistem lem dengan geometri uji baru yang memisahkan keduanya, dan hasilnya menunjukkan seberapa besar peran flank angle, densitas kayu, dan jenis adhesif pada sambungan yang tampak sederhana ini.

Mengapa Kekuatan Finger Joint Selama Ini Sulit Diukur Murni

Finger joint dipakai pada aplikasi non struktural maupun struktural dan menjadi penentu daya pikul pada engineered wood products. Masalahnya, pembentukan garis rekat pada finger joint berbeda dari rekat permukaan biasa. Struktur permukaan rekat, tekanan press, waktu press dan assembly, serta jumlah aplikasi lem semuanya berbeda. Pengujian adhesif untuk aplikasi pikul menurut EN 302-1 memakai lap joint yang hanya menilai rekat permukaan, tanpa memperhitungkan waktu press yang sangat pendek dan perekatan pada kayu end grain yang khas finger joint menurut EN 15497.

Riset ini menjelaskan bahwa kekuatan finger joint merupakan gabungan dari self locking akibat geometri dan kekuatan rekat itu sendiri. Selama ini belum ada standar untuk mengukur kekuatan rekat tanpa pengaruh self locking. Untuk itu tim mengembangkan geometri spesimen uji baru berbasis simulasi elemen hingga dan membuktikannya lewat uji eksperimental, seperti ditulis \"the bonding strength of the finger joints was determined without the usual self-locking of the joint\".

Dua geometri diuji lewat Ansys 2022 dengan material beech sebagai acuan dan model cohesive zone untuk lem PUR. Geometri A menghasilkan konsentrasi tegangan di dasar notch, sehingga spesimen diprediksi patah pada kayu bukan pada garis rekat. Geometri B memindahkan tegangan maksimum ke awal zona adhesif dan nilainya lebih tinggi, sehingga dinilai lebih tepat untuk menguji kekuatan rekat. Distribusi tegangan pada keduanya tidak simetris karena notch dibuat tidak simetris untuk mengkompensasi flank angle 5 derajat, dan pembebanan yang terjadi adalah mixed mode, yaitu kombinasi geser dan tarik.

Spesimen dibuat dari lamela 360 x 100 x 30 mm yang dibelah di tengah lalu disambung kembali dengan finger joint. Geometri jari yang dipakai seragam: panjang 21,0 mm dan pitch 6,2 mm. Arah potong vertikal tegak lurus lingkaran tahun, kecepatan potong 25 m per menit, pada mesin finger jointing line tipe Ultra TT. Jenis kayu yang diuji mencakup tiga hardwood dan tiga softwood yang dikondisikan pada 20 derajat Celsius dan kelembapan 65 persen hingga mencapai kadar air kesetimbangan: beech 0,68 g per cm3 dengan EMC 11,8 persen, birch 0,64 g per cm3 EMC 11,5 persen, poplar 0,49 g per cm3 EMC 12,1 persen, pine 0,63 g per cm3 EMC 13,5 persen, larch 0,57 g per cm3 EMC 13,8 persen, dan spruce 0,46 g per cm3 EMC 12,4 persen. Tiga sistem adhesif komersial dipakai sesuai lembar data produsen: MUF 280 g per m2 satu sisi dengan rasio 100 banding 50, PRF 380 g per m2 dua sisi rasio 100 banding 20, dan PUR satu komponen 140 g per m2 tanpa primer. Tekanan press disesuaikan dengan densitas: beech 12,5 N per mm2, birch 11,8, pine 11,6, larch 10,5, poplar 9,0, dan spruce 8,5 N per mm2, dengan waktu press hanya 5 detik sesuai praktik produksi. Uji tarik geser dilakukan pada mesin universal Zwick Roell dengan load cell 5 kN dan kecepatan 0,5 mm per menit, dengan panjang garis rekat diukur mikroskopis sebagai sisi miring dari flank angle 5 derajat.

Prinsip umum yang dirujuk literatur dalam riset ini adalah finger joint standar memiliki panjang jari 7 sampai 50 mm dan flank angle 3 sampai 8 derajat, dan \"the strength of the finger joint increases when the flank angle is decreased as the bonding surface becomes larger\".

Angka Kekuatan: Kayu dan Lem Menentukan Hasil

Hasil uji shear tensile pada geometri B memberi rentang yang jelas. Kekuatan tertinggi dicapai beech dan birch yang direkat dengan MUF, masing masing 11,1 N per mm2 untuk beech dengan simpangan 1,8 dan 10,5 N per mm2 untuk birch dengan simpangan 1,5. Beberapa spesimen beech dan birch dengan MUF ini mampu memenuhi ambang EN 301 untuk sambungan tipis beech sebesar 10 N per mm2, meski penulis menegaskan geometri uji ini memberi overstressing di ujung jari sehingga angka tidak bisa disamakan langsung dengan uji lap joint.

PUR secara konsisten memberi kekuatan paling rendah pada hampir semua jenis kayu. Beech dengan PUR hanya 6,6 N per mm2, birch 7,6, poplar 7,1, pine 6,2, larch 7,1, dan spruce 6,6 N per mm2. PRF berada di tengah: beech 10,1, birch 10,0, poplar 8,9, pine 8,0, larch 7,9, dan spruce 10,1 N per mm2. Jika dipecah menjadi komponen geser dan tarik, dominasi geser terlihat jelas karena flank angle kecil. Pada beech MUF misalnya, komponen geser 11,1 N per mm2 dan tarik hanya 1,0 N per mm2, dengan rasio serupa pada kombinasi lain.

Pola wood failure atau patah pada kayu memberi cerita tambahan. Secara umum softwood menunjukkan wood failure lebih tinggi daripada hardwood, dengan spruce MUF hampir mencapai kegagalan kayu sempurna. Birch dengan PUR justru mencatat kekuatan mirip dengan MUF dan PRF meski densitas beech dan birch berdekatan, yang menurut penulis menandakan faktor struktur dan kimia permukaan rekat ikut berperan selain densitas. Hal ini juga tercermin pada poplar yang densitasnya paling rendah 0,49 g per cm3 tetapi mampu mencapai 9,1 N per mm2 dengan MUF, lebih tinggi daripada pine dan larch yang lebih padat.

Analisis varian menegaskan pengaruh tersebut. Faktor jenis kayu memberi F 95,79 dengan p 2,50 x 10 pangkat minus 74 untuk kekuatan dan F 81,26 p 3,41 x 10 pangkat minus 65 untuk wood failure. Faktor adhesif memberi F 117,08 p 9,93 x 10 pangkat minus 44 untuk kekuatan dan F 61,30 p 5,74 x 10 pangkat minus 25 untuk wood failure. Interaksi keduanya signifikan tetapi tidak kuat, ditandai garis yang hampir sejajar pada plot interaksi, kecuali penurunan mencolok pada beech dengan PUR.

Penulis mengaitkan keunggulan MUF dengan kekakuannya yang tinggi dan penetrasi yang lebih dalam ke struktur kayu bahkan hingga dinding sel, sementara PUR yang lebih elastis dan duktil cenderung mengandalkan ikatan permukaan. Perbandingan dengan riset lap joint sebelumnya yang memakai primer pada PUR menunjukkan kekuatan bisa naik signifikan, namun \"there is currently no system on the market to apply primers on finger joints\" sehingga peningkatan itu belum bisa diterapkan pada sambungan jari.

Geometri, Tekanan, dan Relevansi untuk Panel 40 cm

Riset ini tidak hanya memberi angka, tetapi juga menegaskan bahwa sudut dan panjang jari mengubah distribusi gaya pada garis rekat. Mengecilkan flank angle menambah luas rekat dan menaikkan kekuatan, tetapi juga mengubah proporsi geser dan tarik pada sambungan. Karena geometri uji B belum menghasilkan keadaan tegangan yang sepenuhnya simetris, penulis menyarankan pengembangan standar khusus finger joint dengan faktor koreksi berbasis geometri.

Bagi praktik produksi yang memakai potongan pendek, datanya memberi patokan yang operasional. Sambungan ujung dengan panjang jari 21 mm dan pitch 6,2 mm seperti yang diuji berada di tengah rentang industri, sehingga hasilnya relevan untuk aplikasi panel. Perbedaan tekanan press berbasis densitas dan waktu press 5 detik yang dipakai dalam riset mencerminkan kondisi jalur produksi nyata, bukan kondisi laboratorium yang diberi waktu tekan panjang. Pendekatan menyambung potongan pendek dengan finger joint seperti ini juga diterapkan di workshop Piksel Industries untuk merangkai lamina menjadi panel 40 cm, dengan penyesuaian tekanan dan pemilihan MUF atau PRF untuk menjaga akurasi sambungan pada potongan pendek jati rakyat.

Catatan penting lain adalah hasil tidak bisa dibaca sebagai nilai absolut kekuatan adhesif karena beban mixed mode dan penetrasi lem pada kayu end grain yang lebih besar daripada rekat permukaan. Pernyataan penulisnya jelas: \"the test specimen geometry of this study is not suitable for the determination of absolute adhesive shear strength due to the mixed mode loading\". Nilai yang dilaporkan lebih tepat dipakai sebagai pembanding relatif antar kombinasi kayu dan lem pada geometri yang sama.

Kesimpulan

Finger joint bukan sekadar profil yang dipotong lalu dilem. Kekuatan yang terukur selama ini tercampur dengan efek mengunci dari geometri jari, sehingga riset Göttingen mengembangkan spesimen shear tensile dengan notch tidak simetris yang memusatkan kegagalan pada garis rekat.

Data pada 6 jenis kayu dan 3 adhesif menunjukkan beech dan birch dengan MUF memberi kekuatan tertinggi di atas 10 N per mm2, PUR paling rendah di rentang 6,2 sampai 7,6 N per mm2, dan PRF di tengah. Jenis kayu berpengaruh besar lewat densitas dan kekuatan inherennya, jenis lem berpengaruh lewat kekakuan dan penetrasi, dan interaksi keduanya nyata tetapi terbatas. Flank angle 5 derajat pada panjang jari 21 mm memberi dominasi tegangan geser dibanding tarik, dan mengecilkan sudut akan menambah luas rekat serta mengubah distribusi tegangan. Bagi produksi panel dari potongan pendek, angka ini menjadi acuan memilih kombinasi kayu dan lem serta menata tekanan press sesuai densitas, dengan kesadaran bahwa nilai uji adalah pembanding relatif yang butuh standar khusus finger joint agar bisa dibandingkan lintas geometri.

Pertanyaan Umum (FAQ)

Apa yang membedakan finger joint dari sambungan rekat permukaan biasa?

Finger joint merekatkan kayu end grain dengan profil jari yang saling mengunci, dengan waktu press pendek dan tekanan yang disesuaikan densitas. Rekat permukaan menilai bidang tangensial atau radial dengan waktu press lebih panjang, sehingga hasilnya tidak mewakili kondisi finger joint.

Kenapa flank angle kecil bisa menaikkan kekuatan?

Flank angle yang lebih kecil memperbesar luas bidang rekat pada panjang jari yang sama, sehingga tegangan terbagi pada area yang lebih luas. Riset merujuk prinsip \"the strength of the finger joint increases when the flank angle is decreased as the bonding surface becomes larger\".

Lem MUF, PRF, dan PUR mana yang paling kuat pada uji ini?

MUF paling tinggi pada beech dan birch, PRF di tengah, PUR paling rendah pada hampir semua kayu. Perbedaannya dikaitkan dengan kekakuan MUF dan penetrasinya yang lebih dalam dibanding PUR yang lebih elastis.

Apa arti wood failure tinggi pada spruce dengan MUF?

Wood failure tinggi berarti patahan lebih banyak terjadi pada kayu daripada pada garis lem, yang menandakan ikatan lem melampaui kekuatan kayu itu sendiri pada kombinasi tersebut.

Apakah angka 11,1 N per mm2 bisa dipakai sebagai syarat lolos EN 301?

Tidak langsung. Beberapa spesimen memang melewati ambang 10 N per mm2 untuk sambungan tipis beech, tetapi penulis menegaskan geometri uji ini memberi overstressing di ujung jari sehingga butuh standar khusus finger joint untuk perbandingan yang sah.

Disclaimer: Artikel ini dibuat berdasarkan dokumen riset dan pengalaman workshop, bertujuan menyebarluaskan hasil riset supaya berguna bagi industri furniture.

Sumber Riset

1. Stolze, H.; Gurnik, M.; Kegel, S.; Bollmus, S.; Militz, H. (2023). Determination of the Bonding Strength of Finger Joints Using a New Test Specimen Geometry. Processes, 11(2), 445. https://www.mdpi.com/2227-9717/11/2/445