Material Ringan Mengubah Desain Otomotif Masa Depan

Apa yang memungkinkan mobil bepergian lebih jauh di jalur konservasi energi dan pengurangan emisi? Jawabannya mungkin terletak pada tiga bahan kunci yang membentuk kendaraan modern. Dari kelahiran Model T Ford hingga kendaraan energi baru yang berkembang pesat saat ini, inovasi material tetap menjadi pendorong utama kemajuan industri otomotif. Artikel ini berfokus pada pengurangan bobot kendaraan, mengkaji peran baja, aluminium, dan plastik dalam desain bodi otomotif sambil menganalisis bahan dan teknologi pemrosesan terkait.

Dalam gelombang inovasi teknologi otomotif yang berkelanjutan, material memainkan peran penting. Sebagai fondasi manufaktur, hanya melalui teknik pemrosesan yang canggih material dapat diubah menjadi komponen otomotif yang fungsional. Kendaraan mesin pembakaran internal konvensional biasanya terdiri dari puluhan ribu bagian. Untuk meningkatkan fungsionalitas komponen dan meningkatkan efisiensi bahan bakar, permintaan industri akan material canggih terus meningkat, mendorong munculnya solusi material baru.

Menurut data survei awal dari Japan Automobile Manufacturers Association (JAMA), rasio komposisi material otomotif telah mengalami perubahan sejak krisis minyak. Material baja—termasuk pelat baja, baja struktural, baja tahan karat, dan besi cor—telah mengalami penurunan proporsi sedikit dari sekitar 80% menjadi sekitar 70%. Namun demikian, baja tetap menjadi material dominan dalam manufaktur mobil. Sementara itu, penggunaan aluminium dan plastik telah menunjukkan tren peningkatan, dengan aluminium dan logam non-besi lainnya menyumbang sekitar 8%, dan plastik mencapai tingkat yang serupa. Meskipun data JAMA hanya sampai tahun 2001, perkiraan industri menunjukkan plastik sekarang mencapai hampir 10% dari material otomotif. Perubahan komposisi material ini sebagian besar berasal dari pertimbangan pengurangan bobot, terutama dicapai dengan mengganti baja tradisional dengan alternatif aluminium dan plastik.

Dengan demikian, baja, aluminium, dan plastik membentuk tiga pilar material struktural otomotif. Tentu saja, komposisi kendaraan meluas di luar ketiga material ini—karet untuk ban, kaca pengaman untuk kaca depan, keramik untuk sensor, dan platinum untuk konverter katalitik semuanya berfungsi sebagai komponen penting. Penerapan komprehensif dari material ini memungkinkan mobil modern, sementara pengembangan otomotif secara bersamaan mendorong optimalisasi material yang ada dan penelitian material baru.

Selama tahun 1980-an, material keramik mendapat perhatian sebagai "material ketiga" setelah logam dan plastik, terutama karena ketahanan suhu tingginya yang unggul dibandingkan paduan logam. Sebuah inovasi terobosan muncul pada tahun 1985 ketika model Fairlady Z Nissan menggabungkan rotor turbocharger keramik silikon nitrida. Dengan kepadatan hanya 3,2g/cm³—jauh lebih rendah dari paduan Inconel (8,5g/cm³) yang umumnya digunakan untuk bilah turbin pada saat itu—material ini secara substansial mengurangi berat rotor dan meningkatkan respons mesin.

Katup mesin keramik silikon nitrida juga mengalami penelitian ekstensif dan mencapai tahap pengujian prototipe. Teknologi penggilingan untuk material kekerasan tinggi ini—terutama kontrol kualitas yang hemat biaya—muncul sebagai tantangan teknis kritis, sekali lagi menyoroti pentingnya teknik pemrosesan material. Keramik juga memainkan peran penting dalam aplikasi lingkungan: keramik zirkonia dalam sensor oksigen kendaraan bensin, keramik kordierit dalam substrat konverter katalitik, dan keramik silikon karbida dalam filter partikulat diesel (DPF) untuk pemurnian gas buang.

DPF, pertama kali diterapkan pada Peugeot 607 tahun 2000, menangkap partikel (PM) dari gas buang diesel menggunakan struktur sarang lebah dengan dinding berpori. Teknologi ini membutuhkan kontrol yang tepat terhadap dimensi pori mikro dan teknik pemrosesan sarang lebah yang canggih. Unit DPF kendaraan penumpang tipikal memiliki berat 3-6 kg, yang tak terhindarkan meningkatkan berat keseluruhan kendaraan.

Pengurangan bobot kendaraan terutama bertujuan untuk mengurangi konsumsi bahan bakar dan meningkatkan kinerja dinamis. Di bawah tekanan lingkungan yang meningkat, peningkatan efisiensi bahan bakar telah menjadi sangat penting. Beberapa pendekatan ada untuk mencapai konsumsi bahan bakar yang lebih rendah—termasuk mengoptimalkan pembakaran mesin, mengurangi kerugian gesekan, meningkatkan efisiensi transmisi daya, mengurangi hambatan aerodinamis dan rolling, dan mengurangi berat kendaraan. Di antara ini, pengurangan bobot berdiri sebagai salah satu langkah yang paling penting. Karena bodi merupakan komponen kendaraan terberat, pengurangan bobot bodi terbukti penting untuk penghematan bahan bakar. Untuk kendaraan listrik, pengurangan berat juga memperpanjang jangkauan berkendara.

Pertimbangkan sedan penumpang 2.0 liter dengan berat kosong 1.214 kg: bodinya yang terbuat dari baja memiliki berat 343 kg, terdiri dari bodi-in-white (rangka struktural) seberat 261 kg ditambah 82 kg untuk pintu dan kap. Dengan demikian, bodi mewakili sekitar 30% dari total berat kendaraan. Sebagai perbandingan, mesin memiliki berat 141 kg, termasuk blok silinder besi cor seberat 41 kg. Mengganti ini dengan aluminium mengurangi berat sebesar 15 kg—contoh klasik dari substitusi material untuk pengurangan bobot.

Miniaturisasi komponen menawarkan pendekatan pengurangan bobot penting lainnya. Mengurangi ukuran komponen mesin dan ruang mesin tidak hanya memperluas ruang kabin tetapi juga meningkatkan zona penyangga benturan, meningkatkan keselamatan tabrakan. Miniaturisasi juga meningkatkan fleksibilitas desain bodi. Misalnya, kendaraan ringan kontemporer (berat kosong 718 kg) menampilkan bodi seberat 206 kg—mempertahankan rasio berat bodi-ke-kendaraan yang serupa dengan sedan 2.0 liter (lihat Tabel 1).

Bodi otomotif mewakili beberapa struktur kendaraan terbesar dan paling kompleks, menjadikannya target utama untuk pengurangan bobot. Desain bodi harus memenuhi banyak persyaratan kinerja—termasuk kekuatan, kekakuan, daya tahan, ketahanan korosi, kinerja NVH (kebisingan, getaran, dan kekasaran), dan keselamatan tabrakan—tanpa kompromi dari upaya pengurangan berat.

Baja kekuatan tinggi (HSS) berfungsi sebagai material pengurangan bobot yang penting. Dengan meningkatkan kekuatan baja, produsen dapat mengurangi penggunaan material tanpa mengorbankan kinerja struktural. Baja kekuatan tinggi canggih (AHSS)—termasuk baja dual-phase (DP), transformasi-induced plasticity (TRIP), complex-phase (CP), dan martensitic (MS)—menampilkan aplikasi otomotif yang semakin luas. Material ini menawarkan kekuatan yang lebih tinggi dan kemampuan bentuk yang lebih baik untuk struktur bodi yang lebih ringan dan lebih aman.

Model terbaru salah satu produsen mobil menggunakan AHSS secara ekstensif untuk mengurangi berat bodi sebesar 15% sambil meningkatkan kekakuan dan keselamatan tabrakan. Baja yang dibentuk panas juga umumnya memperkuat komponen struktural kritis seperti pilar-A dan pilar-B untuk meningkatkan ketahanan terhadap benturan.

Paduan aluminium menyediakan solusi pengurangan bobot penting lainnya. Dengan kepadatan sekitar sepertiga dari baja, substitusi aluminium secara signifikan mengurangi berat bodi. Kemampuan bentuk dan ketahanan korosi aluminium yang sangat baik memfasilitasi proses manufaktur. Aplikasi saat ini mencakup panel bodi, komponen struktural, sistem suspensi, dan bagian mesin.

Audi A8 mencontohkan konstruksi bodi aluminium penuh, mencapai pengurangan berat sekitar 40% dibandingkan dengan bodi baja konvensional. Model S Tesla juga secara ekstensif menggunakan aluminium untuk mengurangi berat dan memperpanjang jangkauan.

Plastik dan komposit menawarkan jalur pengurangan bobot tambahan. Kepadatan mereka yang jauh lebih rendah dibandingkan logam memungkinkan penghematan berat yang signifikan, sementara fleksibilitas desain dan ketahanan korosi yang sangat baik cocok untuk komponen berbentuk kompleks. Aplikasi saat ini termasuk bemper, spatbor, panel trim pintu, dan panel instrumen.

Komposit serat karbon mewakili material ringan berkinerja tinggi dengan kekuatan dan kekakuan yang luar biasa. Terlepas dari biaya yang lebih tinggi, penggunaannya dalam kendaraan premium seperti i3 dan i8 BMW terus berkembang.

• Baja dengan kekuatan lebih tinggi, daktilitas lebih tinggi: AHSS generasi berikutnya akan memungkinkan struktur bodi yang lebih ringan dan lebih aman.
• Paduan aluminium dengan biaya lebih rendah: Memajukan teknologi produksi akan memperluas aplikasi aluminium.
• Komposit berkinerja tinggi: Serat karbon dan material serupa akan melihat adopsi yang lebih luas.
• Hibridisasi multi-material: Bodi masa depan akan menggabungkan material untuk mengoptimalkan pengurangan bobot.

Pengurangan bobot otomotif merupakan tantangan rekayasa sistematis yang membutuhkan kemajuan terkoordinasi dalam material, desain, dan manufaktur. Seiring kemajuan teknologi, kendaraan masa depan akan menjadi lebih ringan, lebih efisien, dan lebih ramah lingkungan.