Pengantar: Kenapa Komposit? Kenapa Sekarang?
Dalam upaya global untuk mengurangi emisi karbon, industri otomotif mulai melirik komposit ringan seperti CFRP (Carbon Fibre Reinforced Polymers) sebagai pengganti logam berat. Tapi, tantangan utamanya bukan hanya pada manufaktur—melainkan juga pada kemampuan prediksi keandalan saat tabrakan. Paper karya Thomas Bru (2016) dari Chalmers University ini menawarkan sebuah pendekatan ilmiah dan praktis untuk menjawab tantangan tersebut: bagaimana mengkarakterisasi material komposit agar bisa diandalkan dalam simulasi crash test kendaraan?
Komposit dan Potensi Energi Tersembunyi
CFRP memiliki kemampuan menyerap energi melalui kerusakan progresif yang stabil, sebuah mekanisme yang penting dalam desain struktur penyerap energi seperti crash box di kendaraan. Tidak seperti logam yang hancur secara plastis, komposit menyerap energi lewat mekanisme seperti delaminasi, fragmentasi, dan gesekan antarlapisan.
Dalam paper ini, dijelaskan bahwa Specific Energy Absorption (SEA) dari CFRP bisa mencapai lebih dari 100 kJ/kg, melampaui baja dan aluminium yang hanya berada di kisaran 20–40 kJ/kg. Ini membuka peluang besar untuk merancang kendaraan yang lebih ringan sekaligus lebih aman.
Kenapa NCF? Efisiensi dan Arah Masa Depan
Fokus riset ini adalah pada NCF (Non-Crimp Fabric) — bahan tekstil serat karbon yang murah, mudah diproduksi, dan cocok untuk industri otomotif. Dibandingkan dengan prepreg, NCF memang lebih murah, tapi struktur tekstilnya membuatnya bersifat ortotropik—artinya, ia memiliki sifat mekanik yang berbeda di tiga arah (panjang, lebar, dan ketebalan).
Karena itu, strategi pengujian dan pemodelan khusus sangat diperlukan untuk memprediksi bagaimana bahan ini akan berperilaku saat ditabrak.
Studi Kasus: Tiga Paper, Satu Visi
Paper A: Uji Ketahanan dan Kekakuan NCF
Melibatkan pengujian mekanik menyeluruh termasuk:
- Tegangan tarik dan tekan in-plane
- Tegangan dan modulus arah ketebalan
- Fracture toughness untuk delaminasi dan kerusakan translaminar
🔍 Temuan utama: Benang weft (penjepit serat dalam NCF) menjadi titik awal kegagalan ketika resin ditarik, sehingga mengurangi kekuatan transversal secara signifikan.
Paper B: Uji Geser dengan Metode Iosipescu
Dalam riset ini, shear test dilakukan pada dua bidang utama: 1–2 (in-plane) dan 1–3 (through-thickness). Ditemukan bahwa:
- Sifat geser sangat non-linear, menunjukkan mikroretakan di resin.
- Uji cyclic shear digunakan untuk memetakan kerusakan progresif dan histeresis energi.
- Pemodelan berbasis Continuum Damage Mechanics (CDM) mampu meniru degradasi kekakuan akibat kerusakan.
🔍 Studi ini menekankan pentingnya menangkap gesekan mikroretakan untuk memodelkan absorpsi energi dengan akurat.
Paper C: Metode Uji Baru untuk Crushing Behavior
Berbeda dari metode konvensional seperti uji tabung berlapis, Paper C mengembangkan metode uji tekan pada spesimen datar dengan penyangga lateral. Hasilnya:
- Failure mode tergantung pada geometri pemicu: bevel trigger cenderung menghasilkan splaying, sedangkan trigger khusus mendorong fragmentasi, yang lebih efisien dalam menyerap energi.
- NCF mesostructure (benang weft yang menggumpal) mempercepat delaminasi dan mengarahkan spesimen ke splaying mode.
🔍 Temuan: Trigger design sangat mempengaruhi mode kegagalan dan nilai crushing stress yang bisa dijadikan input model FE.
Simulasi Numerik: Dua Pendekatan, Satu Tujuan
- Kalibrasi Model FE (seperti MAT54 di LS-DYNA): cepat tapi tidak sepenuhnya fisik.
- Model Fisik Berbasis Fenomena: memerlukan input eksperimental akurat, tapi mampu memprediksi kerusakan secara realistis.
Penulis mendukung pendekatan kedua, yang menggabungkan:
- Model elastik + kriteria kegagalan + model pasca-kegagalan
- Validasi melalui uji tekanan longitudinal dan transversal
- Evaluasi akurasi FE berdasarkan kontrol progresi kerusakan dan gesekan
Kritik & Opini: Kejelasan, Ketelitian, dan Relevansi Industri
Kekuatan utama paper ini ada pada:
- Detail eksperimen yang kaya dan transparan
- Penggabungan analisis numerik dan empiris
- Fokus pada material murah dan scalable seperti NCF, yang sangat relevan untuk otomotif massal
Namun, masih ada celah riset yang belum ditutup:
- Efek strain-rate belum dijelaskan tuntas (kondisi dinamis vs kuasi-statis)
- Data koefisien gesek antar lapisan komposit masih sangat terbatas
- Uji geser 2–3 arah butuh pendekatan alternatif
Kesimpulan: Menuju Kendaraan Ringan dan Aman
Riset ini membawa kita selangkah lebih dekat menuju prediksi akurat crashworthiness struktur komposit. Dengan karakterisasi lengkap NCF dan pengembangan metode uji baru, kita bisa menciptakan model numerik yang tidak hanya akurat, tetapi juga realistis, efisien, dan siap diadopsi industri. Untuk masa depan kendaraan ringan dan aman, data akurat dan model fisik berbasis mekanisme kerusakan adalah kuncinya.
Sumber Asli : Thomas Bru. Behaviour and material properties of composites for crash modelling. Chalmers University of Technology, 2016.