Serat KARBON

Otomotif Butuh Plastik Super Ringan dan Anti Korosi

0
223
Sepeda ini dapat diproduksi dengan proses yang sepenuhnya otomatis (Sumber foto/©: Christoph Knoch)

Harga plastik bercampur serat karbon sangat mahal, namun telah digunakan pada Formula One dan kedirgantaraan. Bagaimana dengan bobot mobil listrik yang baterai isi ulang lithium? Mobil menggunakan bahan aluminium, magnesium, komposit, dan baja.

Sepeda ini dapat diproduksi dengan proses yang sepenuhnya otomatis (Sumber foto/©: Christoph Knoch)
Sepeda ini dapat diproduksi dengan proses yang sepenuhnya otomatis (Sumber foto/©: Christoph Knoch)

Bobotnya ringan, tahan kecelakaan—tidak mudah rusak dan anti-korosi—plastik yang diperkuat serat karbon memiliki banyak sekali keunggulan. Bahan mahal ini telah digunakan selama beberapa tahun di sektor Formula Satu (Formula One) dan kedirgantaraan. Tapi hingga saat ini, serat karbon baru sedikit digunakan di bidang industri otomotif. Ini karena kesulitan dalam memproduksi dan memproses bahan super ringan ini dalam volume besar. Namun, hal ini akan segera berubah.

Kebanyakan pembeli mobil baru menginginkan sesuatu yang besar, kuat dan dengan sebanyak mungkin fitur, termasuk AC, kursi berpenghangat, bantuan parkir atau sistem navigasi. Semua kekuatan, kenyamanan, dan keamanan ekstra itu  berarti bahwa mobil memiliki bobot besar. Bahkan model kecil dan menengah saat ini memiliki bobot lebih dari 1,2 ton. Sebagai perbandingan, VW Golf Mark II tahun buatan 1983 beratnya hanya sekitar 870 kilogram.

Advertisement

Produsen mobil perlu mengambil langkah terkait bobot produk mereka. Peraturan baru menyatakan bahwa semua produsen mobil diwajibkan untuk menghasilkan emisi CO2 di bawah 120 gram per kilometer terhitung sejak tahun 2015, dengan batas yang diizinkan turun hingga 95 gram pada tahun 2030. Hal itu dapat dicapai secara drastis dengan mengurangi bobot kendaraan. Semakin ringan sebuah mobil, semakin sedikit karbondioksida yang dipancarkan ke atmosfer. Penurunan sekitar 100 kilogram saja—dari bobot kendaraan berarti pengurangan 8,8-12,5 gram emisi CO2 per kilometer. Mobil listriklah yang benar-benar perlu melakukan pemangkasan bobot. Mobil listrik masih harus memuat baterai dan baterai isi ulang lithium saja sudah memiliki bobot beberapa ratus kilogram.

Plastik bahan konstruksi tringhan

Peraturan penggunaan CO2 itu akan memicu ledakan konstruksi berbobot ringan, demikian perkiraan konsultan McKinsey. Sebuah penelitian yang diterbitkan pada awal tahun 2013 menunjukkan pasar akan tumbuh dari saat ini 70 miliar Euro menjadi lebih dari 300 miliar Euro pada tahun 2030.

Pada masa mendatang, mobil akan menggunakan lebih banyak bahan aluminium, magnesium, komposit dan baja yang berkekuatan lebih tinggi. Salah satu bahan yang paling menjanjikan untuk konstruksi ringan adalah serat karbon (plastik yang diperkuat serat karbon-carbon fiber reinforced plastics (CFRP); juga dikenal sebagai polimer yang diperkuat serat karbon). Sesuai dengan hasil penelitian,  permintaan CFRP kemungkinan akan meningkat hampir 20 persen setiap tahun.

Penampang roda komposit serat karbon dengan wadah motor dan motor hub roda (sumber foto/© :Fraunhofer LBF)
Penampang roda komposit serat karbon dengan wadah motor dan motor hub roda (sumber foto/© :Fraunhofer LBF)

Permintaan serat karbon saat ini masih kecil. Tahun 20012, jumlah produksi sekitar 55.000 ton, demikian diungkapkan oleh badan industri Federation of Reinforced Plastics (Federasi Plastik) di Jerman. Banyak dari materi tersebut masuk ke perusahan manufaktur pesawat. Namun, pada tahun 2030, industri otomotif diperkirakan akan menyalip sektor kedirgantaraan untuk menjadi pengguna utama serat karbon, tegas McKinsey. Pabrikan mobil sudah menyiapkan diri untuk perkembangan ini, dengan hampir semua mereka mencari mitra produksi serat karbon.

BMW telah memulai produksi komponen serat karbon untuk BMW i3 di Landshut (Sumber foto/gamgar©: Harry Zdera)
BMW telah memulai produksi komponen serat karbon untuk BMW i3 di Landshut (Sumber foto/gamgar©: Harry Zdera)

 

Kenapa produsen mobil begitu tertarik menggunakan bahan hitam ini? “Plastik yang diperkuat serat karbon ini memiliki potensi besar sebagai bahan konstruksi ringan,” kata Profesor Holger Hanselka, Ketua Grup Fraunhofer untuk Bahan dan Komponen – MATERIALS. Meskipun bobotnya hanya sekitar setengah dari baja, CFRP sama kuat, tahan kecelakaan, dan anti karat. Bahan ini juga 30 persen lebih ringan dari aluminium.

Bahan ini juga mempunyai beberapa kekurangan. Serat karbon sangat mahal; komponen CFRP saat ini memakan biaya sekitar enam kali lebih tinggi daripada baja. CFRP biasanya dibuat dengan tangan (lihat kotak pada halaman 13). Jika bekerja dengan resin epoksi, plastik harus terpolimerisasi, yang memakan waktu berjam-jam. Kondisi ini hampir tidak kompatibel dengan rancangan produksi massal yang membutuhkan ribuan komponen setiap hari. Terlebih lagi, material komposit saat ini sangat sulit didaur ulang.

Grup Fraunhofer yang menangani bahan dan komponen menyusun strategi sejak lima tahun. Bagaimana lembaga ini mendukung industri dalam memastikan memilih bahan baru ini. Fraunhofer fokus pada dua titik terpenting: di pusat penelitian ​​CFRP North di Stade, ilmuwan dari Kelompok Proyek Fraunhofer untuk Penggabungan dan Perakitan FFM mengerjakan teknologi perakitan otomatis baru untuk komponen-komponen dalam skala besar yang terbuat dari plastik yang diperkuat serat karbon.

Sementara itu, Kelompok Proyek Konstruksi Berbobot Ringan dengan Fungsi Terpadu, yang didirikan pada tahun 2009—sebagai  laboratorium cabang dari Institut Fraunhofer untuk Teknologi Kimia ICT di Augsburg—mencari serat karbon yang siap untuk produksi secara serial. Selain itu, para ilmuwan memelajari perilaku komponen serat karbon pada saat kecelakaan guna mencari tahu mekanisme kerusakan mana yang terjadi dan untuk mengetahui bagaimana memprediksi umur komponen-komponen tersebut. Klaster inovasi Teknologi untuk Konstruksi Berbobot Ringan Hibrida (KITE HyLite) dan Aliansi Struktur Ringan Fraunhofer melakukan penelitian dasar penting mengenai bagaimana mengaplikasikan serat karbon.

Agar bahan ini mempunyai masa depan dalam produksi massal, harga harus turun. “Kami berkeinginan mengurangi biaya produksi untuk komponen-komponen CFRP hingga 90 persen,” kata Prof. Dr.-Ing. Klaus Drechsler, Kepala Grup Proyek Konstruksi Berbobot Ringan dengan Fungsi Terpadu dan Ketua Komposit Karbon di Technische Universität München (TUM). “Hal pertama dan paling utama yang kami tuju adalah menurunkan biaya dengan menggunakan proses manufaktur baru yang cocok untuk produksi massal.”

Produksi CFRP yang sepenuhnya otomatis

Para ilmuwan penelitian yang berbasis di Augsburg telah mengembangkan proses manufaktur baru untuk industri otomotif, dengan menggabungkan mesin tenun yang familiar di industri tekstil dengan lini pultrusion (proses terus menerus untuk produksi bahan komposit) yang telah dimodifikasi oleh para peneliti dari ICT. Mesin tenun memberikan bentuk yang benar pada serat karbon kering, sedangkan lini pultrusion membungkusnya dalam resin.

Yang signifikan dari proses ini adalah bahwa semua langkah sudah sepenuhnya otomatis. Tidak perlu lagi memasukan serat secara manual ke alat dan menyelaraskannya dengan tangan, seperti halnya yang terjadi sampai saat ini. Audi AG dan perusahaan rekayasa mesin Voith adalah mitra pengembangan proyek ini, yang mendapat pendanaan dari Kementerian Federal Jerman untuk Pendidikan dan Riset. Para peneliti memilih menunjukkan bahwa produksi komponen CFRP dapat sepenuhnya dilakukan secara otomatis dengan menggunakan sepeda sebagai contoh, dan sepeda yang merupakan hasil karya mereka akan segera dipasarkan oleh anak perusahan TUM.

Grup Proyek Konstruksi Berbobot Ringan dengan Fungsi Terpadu adalah anggota klaster karbon MAI, yang menyatukan 72 perusahaan, lembaga pendidikan dan penelitian, dan organisasi pendukung di kawasan Munich-Augsburg-Ingolstadt, dengan tujuan kolektif untuk membuat plastik yang diperkuat serat karbon cocok untuk digunakan dalam produksi secara serial. 

Pabrikan mobil mengupayakan produksi serial

Pabrikan mobil dan pemasok adalah pihak yang mengupayakan pengintegrasikan produksi dan pemrosesan serat karbon ke dalam proses produksi serial. Beberapa bulan lalu di Landshut, BMW Jerman mulai memproduksi suku cadang untuk mobil listrik i3-nya dari bahan hitam. Model listrik ini akan masuk produksi serial di Leipzig tahun depan, yang akan membuatnya menjadi kendaraan pertama yang diproduksi secara massal dengan sel penumpang serat karbon.
Serat karbon adalah proposisi yang sangat menarik untuk kendaraan listrik, karena bahan ultra ringan tersebut membantu memperluas jangkauan mereka. Para peneliti di Institut Fraunhofer untuk Ketahanan Struktural dan Keandalan Sistem LBF di Darmstadt telah mengembangkan roda CFRP dengan motor listrik terpadu. Roda mobil hitam ini berukuran 6,5 x 15 inci dan berbobot hanya 3,5 kilogram – tanpa serat karbon tersebut menjadi wadah untuk mengintegrasikan motor listrik. Dibandingkan dengan roda aluminium, ini berarti terjadi pengurangan bobot hingga 60 persen.

Selama bertahun-tahun hingga sekarang, produsen pesawat menggunakan CFRP pada tutup sayap dan ekor pesawat. Di masa depan, mereka akan menggunakan bahan ultra-ringan untuk seluruh badan pesawat atau seluruh sayap – misalnya di Airbus A350 XWB (Xtra Wide Body) baru atau Boeing Dreamliner. Jika bagian-bagian serat karbon ini diproduksi secara manual, tidak mungkin tarif produksi pesawat yang direncanakan untuk industri ini bisa terpenuhi.

Semakin banyak komponen-komponen pesawat yang terbuat dari serat karbon (Sumber foto/©: dpa)
Semakin banyak komponen-komponen pesawat yang terbuat dari serat karbon (Sumber foto/©: dpa)

Itulah sebabnya produsen mendorong otomatisasi. Lembaga-lembaga penelitian, perusahaan dan lembaga pendidikan tinggi bekerja sama di pusat penelitian CFK NORD di Stade untuk solusi ke depan mengenai bagaimana mengaplikasikan serat karbon di sektor kedigantaraan. Salah satu pihak utama yang terlibat adalah Grup Proyek Fraunhofer untuk Penggabungan dan Perakitan FFM di Institut Fraunhofer untuk Teknologi Manufaktur dan Bahan Canggih IFAM yang didirikan pada tahun 2009. Para peneliti tengah mengembangkan teknologi manufaktur otomatis untuk komponen CFRP skala besar.

Baca juga :   Banks Should Have More Informative, Interactive Websites: Google

Komponen-komponen yang dikerjakan oleh produsen pesawat sering kali sangat besar; segmen individual pesawat bisa berukuran lebih dari sepuluh meter. Namun, bagian-bagian ini harus dipasangkan bersama-sama dengan akurasi ekstrim: toleransi perakitan untuk pesawat tidak lebih dari 0,2 milimeter. Guna menyatukan bagian-bagian berat ini dalam posisinya, produsen sampai saat ini mengandalkan fasilitas produksi yang sangat besar yang dikenal sebagai sel-sel perakitan.

Akan tetapi, merakit sistem semacam ini membutuhkan banyak waktu dan usaha. Selain itu, sistem harus dirancang ulang untuk setiap jenis pesawat baru, yang mana ini menambah biaya konstruksi dan produksi. Yang dibutuhkan adalah konsep untuk membuat perakitan pesawat menjadi lebih fleksibel, sederhana dan ekonomis – terutama terkait tugas-tugas yang membutuhkan presisi tingkat tinggi seperti pengeboran, pemotongan dan perekatan sambungan. Para ahli Grup Proyek FFM mengusulkan agar di masa depan pekerjaan mekanik dan yang juga semakin banyak, perekatan sambungan pesawat, harus dilakukan oleh tim-tim robot industri kecil, yang dalam banyak hal sama seperti yang terjadi pada industri otomotif.

Agar hal ini bisa terwujud, robot harus belajar untuk melihat, karena bagian bisa sangat bervariasi dalam hal bentuk dan ukuran sehingga robot yang bekerja untuk program yang bersifat tetap (fixed) tidak ada gunanya. “Itulah sebabnya kami sedang mengembangkan sistem pengenalan secara tepat untuk mengukur bagian dengan akurasi ekstrim selama perakitan,” kata Dr. Dirk Niermann, kepala FFM di Stade.

Mereka juga mengembangkan perangkat lunak tangguh yang membutuhkan hanya sepersekian detik untuk memberikan koordinat-koordinat yang dibutuhkan oleh robot, sehingga robot-robot bisa mengubah jalur pemrosesan mereka untuk memperhitungkan bentuk dan posisi benda yang dikerjakan, dan memastikan semuanya sesuai pada akhirnya. Bersama dengan Universitas Teknologi Hamburg (TUHH) dan mitra dari industri, para peneliti FFM telah membangun sebuah fasilitas pengujian di mana robot pemotongan secara otomatis memotong bukaan untuk jendela di pesawat CFRP. Para peneliti juga membuat komponen penting lain untuk lini perakitan mereka: instalasi yang bercirikan gripper yang dikembangkan secara khusus untuk penyetelan posisi dan bentuk. Peralatan ini mampu menangani secara fleksibel bagian-bagian pesawat dengan beragam geometri.

Menggunakan robot

Kelompok Proyek Konstruksi Berbobot Ringan dengan Fungsi Terpadu telah mengembangkan solusi otomatisasi lain untuk sektor kedirgantaraan melalui kerja sama dengan Premium AEROTEC dan Eurocopter. Pendekatan yang diambil di sini berpusat pada robot dengan sebuah laying head: robot ini mencengkeram serat karbon setelah dilapisi dengan resin dan meletakkannya ke alat untuk pengeringan. Proses otomatis ini cocok untuk dipergunakan dalam produksi massal, memberikan kualitas bagus secara konsisten tanpa ada yang terbuang. Pada saat ini, robot bekerja siang malam di sebuah laboratorium di Augsburg, dan komponen-komponen yang dihasilkannya tengah dievaluasi oleh Airbus.

Membuat komponen CFRP adalah proses yang sangat padat karya. Serat karbon harus dilapisi dengan plastik dan kemudian dibiarkan mengeras dalam cetakan pada suhu tinggi. Sama seperti pembakaran roti di rumah, cetakan ini harus dilapisi “gemuk” terlebih dahulu untuk memastikan komponen tersebut bisa dilepaskan dengan mudah ketika sudah selesai. Kekurangannya adalah bahwa pada komponen tersebut terdapat jejak bahan-bahan untuk mempermudah pelepasan seperti lilin atau silikon. Sebelum komponen tersebut bisa diproses, jejak-jejaknya harus dengan susah payah dihilangkan.

Para ahli di IFAM telah mengembangkan pendekatan alternatif cerdas. Plastik film pelepasan FlexPlas® mereka menempel pada komponen layaknya lapisan kulit kedua berkat vakum. Plastik film polimer elastis memiliki fitur lapisan pelepasan polimer plasma fleksibel yang memungkinkan komponen dipisahkan dengan mudah dari cetakan tanpa perlu dibersihkan lagi, baik komponennya ataupun cetakannya. Keuntungan selanjutnya adalah bahwa para peneliti bisa menggunakan FlexPlas® untuk melaksanakan fungsi tambahan. Misalnya, melakukan pengecatan terhadap plastik film berarti bahwa komponen meninggalkan cetakan dengan kondisi siap dicat. Meninggalkan plastik film pada komponen yang dihasilkan melindungi komponen tersebut dari kotoran dan kerusakan. Plastik film ini dapat dengan mudah dilepas sebelum komponen digunakan, mungkin oleh robot.

Para peneliti Fraunhofer masih mengupayakan berbagai pendekatan lainnya untuk mengotomatisasi produksi dan pemrosesan bagian serat karbon. Misalnya, insinyur dari Institut Fraunhofer untuk Teknologi Produksi IPT di Aachen telah mengembangkan suatu proses yang dikenal dengan tape laying (peletakan pita), yang menggunakan gulungan pita termoplastik yang mengandung serat karbon terintegrasi. Beberapa lapis pita diletakkan, dilelehkan dengan laser tidak lama sebelum aplikasi, dan kemudian dikompresi untuk memberikan struktur kompak.

Hal ini memungkinkan plastik yang diperkuat serat karbon diproduksi dalam proses yang sepenuhnya otomatis. Dibutuhkan proses perekatan yang dioptimalisasi dan ekonomis untuk memastikan bahwa sambungan antara komponen-komponen serat karbon sangat bisa menahan muatan. Para ahli perekatan sambungan di Fraunhofer IFAM di Bremen adalah salah satu dari beberapa kelompok kerja tersebut. Komponen-komponen serat karbon juga dapat direkatkan bersama dengan menggunakan laser. Para ahli di Institut Fraunhofer untuk Teknologi Laser ILT di Aachen tengah mengembangkan solusi semacam ini. Laser juga merupakan peralatan ideal untuk memotong, membuat struktur dan mengebor komponen-komponen serat karbon.

Bukan hanya produsen pesawat dan mobil yang mencermati bobot komponen-komponen produknya. Insinyur mekanik juga sangat tertarik agar mesin-mesin mereka lebih produktif tanpa menambahkan dorongan lebih lanjut. Mesin bisa mencapai kecepatan operasi tinggi yang diperlukan dengan menggunakan komponen-komponen yang lebih ringan. Para peneliti di Institut Fraunhofer untuk Peralatan Mesin dan Teknologi Pembentukan IWU di Chemnitz telah mengajukan palang komposit serat karbon untuk peralatan pemotongan laser. Mereka tidak hanya berhasil mengurangi separuh massa komponen tersebut, tetapi juga membuatnya menjadi dua kali lebih kokoh.

Dibandingkan dengan versi baja yang dioptimalisasi, komponen-komponen mereka menawarkan peningkatan empat kali lipat dalam kekokohan dinamis. Ini setara dengan peningkatan produktivitas sekitar 70 persen. Menggunakan bahan mahal ini sudah terbayar tuntas bagi Trumpf Sachsen GmbH, karena biaya tambahan yang timbul didapatkan kembali hanya dalam waktu 3,5 bulan. Ini sudah menunjukkan bahwa serat karbon merupakan bahan menarik untuk berbagai sektor berbeda. (Diolah dari tulisan  Birgit Niesing; fraunhofer.de/magazine)

Plastik Ringan dan Aman

Plastik yang diperkuat serat karbon, juga dikenal dengan sebutan CFRP. Serat karbon dipandang sebagai bahan berbobot ringan masa depan. Rahasia kekuatan super bahan ini adalah serat karbon yang dikandungnya. Hanya dengan ketebalan 5-8 mikrometer, serat karbon sepuluh kali lebih tipis daripada rambut manusia. Serat-serat tersebut dikumpulkan dalam bundel yang terdiri dari 1.000 dan 24.000 serat individual. Benang hitam yang dihasilkan dapat diolah menjadi kain. Kemudian tenunan karbon ditanam dalam matriks plastik sebelum dikeringkan dalam cetakan – biasanya pada suhu tinggi. Hanya setelah “pemanggangan”, campuran ini mendapatkan bentuk akhirnya yang keras.

[caption id="attachment_4158" align="aligncenter" width="620"]Sebuah robot pemotongan memotong bukaan jendela pada pesawat pesawat CFRP sumber foto/gambar©: Fraunhofer IFAM) Sebuah robot pemotongan memotong bukaan jendela pada pesawat pesawat CFRP sumber foto/gambar©: Fraunhofer IFAM)[/caption]

Serat karbon telah ada sekitar selama hampir lima puluh tahun. Hingga saat ini, bahan ini telah digunakan terutama di industri kedirgantaraan, Formula Satu, pembuatan sepeda canggih atau mobil sport papan atas tertentu. Ilmu pengetahuan dan industri bekerja untuk membuat bahan ini cocok untuk aplikasi produksi massal.

Incoming search terms:

Advertisement

Tulis Opini Anda