Pendekatan optimasi membantu merancang komposit serat karbon yang lebih ringan

Para peneliti dari Universitas Sains Tokyo (TUS, Jepang) telah mengadopsi metode desain baru yang mengoptimalkan ketebalan dan orientasi serat karbon, mencapai pengurangan berat pada komposit yang diperkuat serat dan membuka pintu untuk pesawat terbang dan kendaraan otomotif yang lebih ringan.

TUS menunjuk pada polimer yang diperkuat serat karbon (CFRP) yang telah dipelajari terus menerus untuk meningkatkan kekuatan. Sebagian besar studi ini, kata TUS, berfokus pada teknik tertentu yang disebut “desain yang dikendalikan serat”, yang mengoptimalkan orientasi serat untuk meningkatkan kekuatan.

Namun, pendekatan desain fiber-steered bukannya tanpa kekurangan. “Desain yang dikemudikan serat hanya mengoptimalkan orientasi dan menjaga ketebalan serat tetap, mencegah penggunaan penuh sifat mekanik CFRP. Pendekatan pengurangan berat, yang memungkinkan optimalisasi ketebalan serat juga, jarang dipertimbangkan,” jelas Dr. Ryosuke Matsuzaki dari TUS, yang penelitiannya difokuskan pada material komposit.

Dengan latar belakang ini, Dr. Matsuzaki — bersama rekan-rekannya di TUS, Yuto Mori dan Naoya Kumekawa — mengusulkan metode desain baru untuk mengoptimalkan orientasi dan ketebalan serat secara bersamaan tergantung pada lokasi dalam struktur komposit, yang memungkinkan mereka untuk mengurangi berat CFRP dibandingkan dengan model laminasi linier ketebalan konstan tanpa mengurangi kekuatannya. Temuan mereka dapat dibaca dalam studi baru yang diterbitkan di Struktur Komposit .

Metode mereka terdiri dari tiga langkah:persiapan, iteratif dan proses modifikasi. Dalam proses persiapan, analisis awal dilakukan dengan menggunakan metode elemen hingga (FEM) untuk menentukan jumlah lapisan, memungkinkan evaluasi berat kualitatif dengan model laminasi linier dan desain fiber-steered dengan model variasi ketebalan. Proses iteratif digunakan untuk menentukan orientasi serat dengan arah tegangan utama dan menghitung ketebalan secara iteratif menggunakan “teori tegangan maksimum”. Akhirnya, proses modifikasi digunakan untuk membuat modifikasi yang memperhitungkan kemampuan manufaktur dengan terlebih dahulu membuat "bundel serat dasar" referensi di wilayah yang membutuhkan peningkatan kekuatan dan kemudian menentukan orientasi dan ketebalan akhir dengan mengatur bundel serat sedemikian rupa sehingga menyebar di kedua sisi bundel referensi.

Metode pengoptimalan simultan menghasilkan pengurangan bobot lebih besar dari 5% sekaligus memungkinkan efisiensi transfer beban yang lebih tinggi daripada yang dicapai dengan orientasi serat saja.

Para peneliti mencatat bahwa mereka senang dengan hasil ini dan menantikan penerapan metode mereka di masa mendatang untuk pengurangan berat suku cadang CFRP konvensional lebih lanjut. “Metode desain kami melampaui kebijaksanaan konvensional desain komposit, membuat pesawat terbang dan mobil yang lebih ringan, yang dapat berkontribusi pada konservasi energi dan pengurangan CO₂ emisi,” kata Dr. Matsuzaki.