Aluminum foam dapat digunakan sebagai penyerap energi mekanik, disebabkan
kemungkinannya untuk mengkontrol tegangan-regangan berdasarkan material matriks, geometri sel dan densitas relatifnya. Selain itu, keunggulan lainnya adalah kemampuan untuk menyerap energi mekanik tanpa menimbulkan tegangan maksimum atau percepatan gaya yang terlalu tinggi sehingga menyebabkan kerusakan atau cedera yang lebih serius.
Gambar II. 32 Kekuatan tekan dan efisiensi penyerapan energi untuk foam AlSi ( ρ= 0.36 g.cm-3) [9]
Gambar II.32 memperlihatkan kelakuan deformasi dari aluminum foam terhadap pembebanan tekan. Energi per volume yang diserap oleh material ditunjukkan secara langsung oleh luas area dibawah kurva tegangan-regangan. Aluminum foam yang memperlihatkan tegangan deformasi konstan, berarti dapat lebih menyerap energi deformasi dibandingkan dengan aluminum padat ketika keduanya dibebani sampai tingkat batas tegangan.
II.6.1.1 Efisiensi Penyerapan Energi[9]
Efisiensi dari penyerapan energi adalah perbandingan antara energi deformasi yang diserap oleh komponen dengan penyerap energi mekanik ideal. Penyerap energi mekanik ideal memperlihatkan bentuk persegi empat dari kurva pembebanan tekan. Kurva tersebut memperlihatkan regangan maksimum yang dapat diterima, dan tetap terjaga konstan selama proses deformasi berlangsung. Effisiensi (η) didefinisikan sebagai perbandingan antara energi yang terserap sebenarnya setelah regangan tekan (s) dengan penyerapan dari ideal absorber:
0 max ( ') ' ( ) s F s ds F s s
η
=∫
[2.13] Dimana Fmax(s) adalah gaya tertinggi yang terjadi saat deformasi (s).Sebagaimana semua material memperlihatkan tegangan yang beragam selama penekanan, maka perhitungan effisiensi juga berubah-ubah selama proses deformasi. Oleh karena itu, perhitungan efisiensi bergantung pada sifat kurva pembebanan
tekan. Bergantung pada densitas dan komposisi paduan, efisiensi penyerapan energi aluminum foam dapat mencapai lebih dari 90%, terutama saat deformasi 60% pertama. Densitas relatif, morfologi sel, dan homogenitas foam, seperti halnya gradien densitas mempengaruhi panjang dari daerah dataran (plateau) selama penekanan. Pada area pemadatan, efisiensi akan berkurang ketika kenaikan tegangan. Dengan kata lain, aluminum foam dapat diberi pebebanan secara optimal hanya ketika sampai dengan area daerah datar pada kurva tegangan-regangan. Efisiensi penyerapan energi adalah parameter terukur saat karakterisasi, yang memperlihatkan kemampuan menyerap energi dan simpulan dari sifat umum kelakuan aluminum foam saat berdeformasi. Akan tetapi, untuk pemilihan material untuk aplikasi penyerapan energi mekanaik, maka informasi efisiensi saja tidaklah cukup.
II.6.1.2 Kapasitas Penyerapan Energi Mekanik[9]
Perhatian khusus untuk konstruksi kendaraan, tempat dan berat yang dibutuhkan untuk struktur komponen tambahan adalah sangatlah penting. Energi impak yang diserap per volume oleh energy absorber selanjutnya merupakan perhatian penting yang diperlihatkan pada gambar II. 33 sebagai fungsi dari densitas.
Gambar II. 33 Energi terserap per unit volume terhadap berbagai macam densitas foam AlSi setelah penekanan sebesar 20%, 40%, dan 60%.[9]
II.6.2 Diagram Penyerapan Energi Mekanik[9]
Maiti et al. telah mengembangkan metode dan mengajukan diagram penyerapan energi mekanik untuk menentukan optimasi penyerapannya. Asumsi awalnya adalah mendekati keidealan dari foam saat menyerap energi pada tegangan minimum. Gambar II.34, memperlihatkan kelakuan kompresi dari tiga foam dari berbagai macam densitas, menjelaskan fakta-fakta ini secara detail.
Gambar II. 34 Kelakuan tekan dari 3 macam foam AlSi12 pada berbagai densitas. Ketiga daerah kelabu memperlihatkan energi yang terserap dengan jumlah yang sama sebesar W* [9]
Area kelabu berkaitan dengan jumlah energy W* yang sama terserap oleh ketiga
foam. Batas kanan dari setiap area kelabu menandai penekanan yang diperluan untuk menyerap sejumlah energi ini. Pada kasus ini, densitas terendah, kurva tegangan – regangan telah melewati tegangan konstan sebelum energi W* terserap. Oleh karena itu, tegangannya mencapai harga yang tinggi. Sedangkan untuk foam
dengan densitas tertinggi akan memperlihatkan daerah datar dengan tegangan konstan dan di sisi lain mempunyai tegangan maksimum yang paling tinggi. Sebagai perbedaan, untuk energi impak yang diberikan W*, foam dengan densitas medium terbebani tepat berada pada akhir area datar. Oleh karena itu, hal ini memperlihatkan puncak tegangan yang terendah untuk penyeraan energi. Dengan keadaan ini, untuk setiap energi impak yang diberikan kepada foam dengan densitas spesifik yang dapat ditentukan, maka akan memerlihatkan tegangan maksimum terendah yang mungkin selama deformasi. Maka disimpulkan bahwa bermacam tingkat energi dan tegangan impak yang diperbolehkan untuk foam dapat dipilih.
Terdapat berbagai teknik untuk memilih dan mengevaluasi penyerap energi mekanik yang terbuat dari aluminum foam. Akan tetapi, perlu diperhatikan untuk aplikasi struktur yang sederhana, maka foam tidak langsung memperlihatkan penyerapan energi mekanik optimal. Dengan mengintegrasikan elemen2 kedalam struktur secara keseluruhan, maka elemen-elemen ini dapat disesuaikan sesuai kelakuan deformasi untuk keseluruhan struktur sehingga didapat penyerapan energi yang efisien. Seperti contoh, dengan memilih paduan dan perlakuan panas, maka akan mempengaruhi tingkat tegangan dan modus kegagalannya (ulet atau getas).
II.6.3 Penggunaan Penyerap Energi Mekanik Pada Otomotif II.6.3.1 Crashbox [1]
Crashbox ditempatkan diantara impact beam dan front rail mobil. Penggunaannya adalah untuk menyerap energi tabrakan pada kecepatan menengah. Dengan menggunakan cara ini, maka dapat mengurangi biaya perbaikan akibat tabrakan.
Crashbox, dibuat dari aluminum ekstrusi atau bagian baja lasan yang diisi dengan
aluminum foam. Saat mengalami tabrakan, maka crashbox akan hancur atau rusak
disepanjang bagian, untuk menyerap energi mekanik. Crashbox juga telah secara luas digunakan di Eropa untuk lebih menjamin keselamatan kendaraan.
Beberapa keuntungan pemakaian aluminum foam sebagai isian dari crashbox
diantaranya adalah sebagai berikut:
Mengurangi kerusakan front rail, dengan menyerap energi tabrakan pada kecepatan diatas sekitar 20 km/jam. Oleh karena itu, penggunaannya dapat melokalisasi kerusakan sehingga mengurangi ongkos perbaikan.
Menyerap energi tabrakan satu sumbu, dengan lebih efisien daripada desain bagian yang kosong berlubang (hollow).
Menyerap energi mekanik lebih besar daripada bagian yang kosong pada massa yang serupa.
Menawarkan kebebasan desain yang lebih baik pada front end dengan menyerap energi impak, terlebih pada jarak yang dekat.
Pengetahuan yang komprehensif mengenai rekayasa desain crashbox telah banyak diterbitkan.
Kelakuannya tetap sama, tanpa menghiraukan perubahan temperatur dan kecepatan.
Gambar II. 35 Crashbox yang telah hancur, dan dua contoh komponen dengan rute produksi berbeda.[1]
Gambar diatas ini memperlihatkan crashbox yang telah hancur terpakai, dan dua contoh komponen yang diproduksi dengan rute proses yang berbeda. Crashbox yang telah hancur, memperlihatkan dua aksi, yaitu: tidak hanya menyerap energi impak, tetapi juga menyebabkan tabung (tube) berperilaku berbeda (lebih berlipat) sehingga lebih menyerap energi dibanding ketika tidak terisi. Dibawah ini, contoh dari kurva gaya-regangan untuk pipa kosong dan tiga pipa yang diisi dengan foam pada densitas yang dinaikkan.
Gambar II. 36 Kurva gaya-regangan pada bermacam crashbox[1]
II.6.3.2 Rails[1]
Pada sebagian besar mobil, terutama pada rail depan dan belakang, dibuat dari bagian yang berongga. Bagian ini, menawarkan kekakuan bending yang baik, akan tetapi sering mengalami kegagalan prematur yang disebabkan oleh kerusakan yang
terlokalisasi. Secara tradisional, pelat baja digunakan sebagai penopang pada titik yang lemah pada rail, seperti pada lekukan. Tetapi, penambahan ini seringkali menambah rumit desain dan biaya pada sistem.
Penggunaan aluminum foam yang diisikan kedalam rails diantaranya sebagai berikut: Kekuatan, penyerapan energi dan panjang dari regangan elastik dari aluminum
foam yang diisikan kedalam rail dapat diimprovisasi, dengan mencegah kegagalan prematur pada cacat atau lekukan.
Penyerapan energi dan kekuatan dari rail yang diisikan foam dapat diimprovisasi dengan berat yang sama seperti rail konvesional.
Keselamatan penumpang dapat ditingkatkan dengan mengurangi akibat yang ditimbulkan oleh tabrakan pada kecepatan tinggi.
II.6.3.3 Bumper[1]
Permintaan atau tuntutan untuk memperbaiki sistem bumper telah meningkat dengan tajam. Tuntutan persyaratan keselamatan untuk pengendara, penumpang, dan pejalan kaki perlu diperhatikan. Konsumen dan industri menginginkan sistem yang dapat dengan mudah diperbaiki dan dapat melindungi komponen lain yang lebih mahal.
Sebagai tambahan untuk pemakaiannya sebagai crashbox, keuntungan lain
aluminum foam pada desain batang bumper termasuk didalamnya adalah:
Aluminum foam tidak memantul kembali setelah terkompres sehingga dapat
mengurangi akibat dari sentakan.
Aluminum foam dapat menambah kekuatan untuk menahan kecepatan tabrakan
sebelum impact beam mengalami kerusakan.
Penggunaan aluminum foam dapat didesain untuk profil bumper yang lebih ramping.