mata kuliah Finite Element and Multiphysics
Tantangan Minggu Ini: Menjelaskan, Bukan Sekadar Mengerjakan
Minggu ini saya berdiskusi dengan dosen tentang topik yang akan saya kerjakan, yaitu struktur auxetic RMCA. Ternyata menjelaskan sesuatu yang sudah lama saya baca untuk skripsi tidak semudah yang saya kira. Saya harus bisa membuat orang lain paham apa strukturnya, kenapa strukturnya unik, dan untuk apa strukturnya dipakai, dalam waktu singkat. Blog ini adalah rangkuman dari apa yang saya sampaikan, dirapikan supaya bisa dibaca ulang.
Rasio Poisson: Titik Awal Semuanya
Semua material yang kita kenal sehari-hari punya sifat yang sama: kalau ditarik, ia memanjang sekaligus menyempit ke samping. Karet gelang yang ditarik akan mengecil. Perbandingan antara penyempitan ke samping dan pemanjangan itu disebut rasio Poisson:
ν = − ε_lateral / ε_aksial
Tanda minus dipakai supaya material biasa bernilai positif. Baja sekitar 0,3, PLA sekitar 0,36, dan karet hampir 0,5.
Struktur auxetic adalah kebalikannya: kalau ditarik, ia justru melebar; kalau ditekan, ia menyempit. Rasio Poisson-nya negatif. Istilah “auxetic” diperkenalkan oleh Evans dan rekan-rekannya pada 1991, beberapa tahun setelah Lakes (1987) membuat busa dengan rasio Poisson negatif.
Rahasianya Ada di Geometri, Bukan di Material
Poin yang paling saya tekankan saat diskusi: material penyusunnya tetap biasa. PLA yang saya pakai tetap punya ν = +0,36. Sifat auxetic muncul dari bentuk susunan selnya. Struktur seperti ini disebut metamaterial mekanik, karena sifatnya ditentukan oleh arsitektur, bukan oleh bahannya.
Cara paling mudah memahaminya adalah membandingkan sel heksagon biasa dengan sel re-entrant (Gambar 1). Pada heksagon biasa, dinding miring berputar mendekati arah tarikan, sehingga selnya menyempit. Pada sel re-entrant, dindingnya mengarah ke dalam. Saat ditarik, dinding itu “membuka” dan mendorong dinding samping keluar, sehingga selnya melebar.
Gambar 1. Saat ditarik ke atas-bawah, sel heksagon biasa menyempit sedangkan sel re-entrant melebar.
Tiga Keluarga Mekanisme Auxetic
Dari literatur, ada beberapa mekanisme utama yang bisa menghasilkan sifat auxetic (Gambar 2):
- Re-entrant: dinding sel cekung ke dalam, seperti dasi kupu-kupu. Ini yang paling banyak diteliti, dan analisis klasiknya dibahas oleh Gibson & Ashby.
- Chiral: cincin (node) yang dihubungkan oleh ligamen yang menyinggung cincin. Saat ditarik, cincin berputar dan ligamen “menggulung” atau “membuka”, sehingga struktur mengembang. Prall & Lakes (1997) menunjukkan struktur chiral bisa mencapai ν ≈ −1.
- Rotating squares: blok-blok kaku yang tersambung di sudutnya dan berputar saat ditarik (Grima & Evans, 2000).
Gambar 2. Tiga mekanisme auxetic yang umum: re-entrant, chiral, dan rotating squares.
Lalu, Apa Itu RMCA?
RMCA adalah sebutan yang saya pakai untuk struktur meta-hybrid dari Zhou dkk. (2025), yang menggabungkan dua mekanisme sekaligus: re-entrant (dinding cekung) dan meta-trichiral (cincin dengan ligamen yang menyinggung). Desain ini berasal dari Abbaslou dkk. (2023), yang awalnya mengembangkannya untuk stent pembuluh darah hasil 3D print.
Gambar 3. Geometri RMCA 5×5 sel yang saya rekonstruksi dari Zhou dkk. (2025), lengkap dengan tab pegangan untuk uji tarik.
Yang membuat RMCA menarik untuk saya:
- Kombinasi dua mekanisme menghasilkan rasio Poisson yang sangat negatif. Zhou dkk. melaporkan ν sekitar −3,45 sampai −3,90, artinya setiap 1% tarikan, struktur melebar hampir 4%.
- Strukturnya bisa dicetak dengan printer 3D FDM biasa menggunakan PLA, sehingga realistis untuk dibuat dan diuji di skala skripsi S1.
- Ada data simulasi dan eksperimen di literatur yang bisa dipakai sebagai pembanding.
Satu hal yang sempat ditanyakan: bagaimana rasio Poisson bisa lebih negatif dari −1, padahal di buku teori batasnya −1 < ν < 0,5? Jawabannya, batas itu berlaku untuk material isotropik (sifatnya sama ke segala arah). Struktur lattice seperti RMCA bersifat anisotropik, jadi nilainya boleh berada di luar rentang itu. Zhou dkk. juga menyebutkan hal ini secara eksplisit.
Pengaplikasiannya Seperti Apa?
Supaya topik ini tidak terdengar hanya “unik di atas kertas”, saya juga menjelaskan di mana struktur auxetic sudah dipakai atau sedang dikembangkan (Gambar 4):
Gambar 4. Bidang aplikasi struktur auxetic.
- Biomedis: stent yang mengembang merata ke segala arah ketika dibuka di dalam pembuluh darah. Ini motivasi asli desain re-entrant + meta-trichiral (Abbaslou dkk., 2023).
- Proteksi impak: saat ditekan, material auxetic “mengumpul” ke titik tumbukan sehingga daerah itu menjadi lebih padat dan tahan. Aplikasinya pada helm, pelindung tubuh, dan bumper.
- Dirgantara: inti panel sandwich dan struktur morphing. Struktur auxetic bisa melengkung ganda (bentuk kubah) tanpa tertekuk, yang sulit dicapai material biasa.
- Olahraga dan alas kaki: sol dan pelindung yang menyesuaikan bentuk tubuh.
- Filter dan sensor: pori yang membesar saat ditarik, sehingga ukuran saringan bisa diatur.
Apa yang Akan Saya Kerjakan
Dari diskusi ini, rencana saya menjadi lebih jelas. Untuk mata kuliah FEM, saya akan memodelkan RMCA di Ansys, mensimulasikan uji tarik, lalu menghitung rasio Poisson-nya dan membandingkannya dengan hasil Zhou dkk. Hasil simulasi itu nanti juga menjadi dasar untuk skripsi saya, yang akan mencetak dan menguji strukturnya secara fisik.
Pelajaran terbesar minggu ini justru bukan soal auxetic-nya, tapi soal cara menjelaskan. Kalau saya tidak bisa menjelaskan kenapa sebuah struktur melebar saat ditarik dengan satu gambar sederhana, berarti saya sendiri belum benar-benar paham.
Referensi
Abbaslou, M., Hashemi, R., & Etemadi, E. (2023). Novel hybrid 3D-printed auxetic vascular stent based on re-entrant and meta-trichiral unit cells: finite element simulation with experimental verifications. Materials Today Communications, 35, 105742.
Evans, K.E., Nkansah, M.A., Hutchinson, I.J., & Rogers, S.C. (1991). Molecular network design. Nature, 353, 124.
Gibson, L.J., & Ashby, M.F. (1997). Cellular Solids: Structure and Properties (2nd ed.). Cambridge University Press.
Grima, J.N., & Evans, K.E. (2000). Auxetic behavior from rotating squares. Journal of Materials Science Letters, 19, 1563–1565.
Kolken, H.M.A., & Zadpoor, A.A. (2017). Auxetic mechanical metamaterials. RSC Advances, 7, 5111–5129.
Lakes, R. (1987). Foam structures with a negative Poisson’s ratio. Science, 235(4792), 1038–1040.
Prall, D., & Lakes, R.S. (1997). Properties of a chiral honeycomb with a Poisson’s ratio of −1. International Journal of Mechanical Sciences, 39(3), 305–314.
Ren, X., Das, R., Tran, P., Ngo, T.D., & Xie, Y.M. (2018). Auxetic metamaterials and structures: a review. Smart Materials and Structures, 27, 023001.
Zhou, X., dkk. (2025). Machine learning analysis/optimization of auxetic performance of a polymeric meta-hybrid structure of re-entrant and meta-trichiral. European Journal of Mechanics – A/Solids, 109, 105463. https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2024.105463
