Contents list available at Sinta

## A R M A T U R
: Artikel Teknik Mesin & Manufaktur
Journal homepage: https://scholar.ummetro.ac.id/index.php/armatur
Pemodelan dan simulasi pengeboran pada proses pengeboran tulang dalam pembedahan ortopedi
Eko Wahyu Saputra 1 , Yanuar Burhanuddin 2* , Suryadiwansa Harun 3
1 Program  Studi  S2  Teknik  Mesin,  Fakultas  Teknik,  Universitas  Lampung  Jalan  Prof.  Sumantri  Brojonegoro No. 1, Bandar Lampung, Lampung 35145
2,3 Jurusan  Teknik  Mesin,  Fakultas  Teknik,  Universitas  Lampung  Jalan  Prof.  Sumantri  Brojonegoro  No.  1, Bandar Lampung, Lampung 35145

## A R T I C L E I N F O

## A B S T R A C T
Keywords: Necrosis Drill bit Point angle Helix angle In  orthopaedic  surgery,  drill  bits  serve  as  a  tool  to  create  holes  for screws  in  fracture  repair  or  prosthetic  device  placement.  During  the drilling process, there will be an increase in temperature in the drilling area, an increase in temperature beyond the allowable limit will result in the  death  of  bone  cells  due  to  loss  of  blood  supply  called  necrosis.  To prevent excessive temperature increase, one of the ways that can be done is  to  select  the  drill  bit  geometry  using  a  three-dimensional  finite- element  analysis  model  to  get  the  lowest  possible  bone  drilling temperature value. This research focuses on a point angle value of 118° and 87°, combined with helix angle values of 13°, 20°, 28° and 30°. The combination resulted in an optimal temperature value at helix angle 28° with a maximum avarage temperature of 38,814°C.

## Pendahuluan
Pembedahan  ortopedi  merupakan salah  satu  dari  cabang  ilmu  kedokteran yang  mempelajari  tentang  berbagai  macam diagnosis dan pengelolaan gangguan /penyakit sistem muskuloskeletal, kerangka serta jaringan lunak [1]. Proses pembedahan ortopedi yang semakin meningkat  belakangan  sebanding  dengan tingginya  angka  kecelakaan  kendaraan bermotor  yang  mengakibatkan  terjadinya fraktur  tulang.  Salah  satu  cara  dalam penyembuhan  kasus  fraktur  tulang  tersebut adalah dengan memanfaakan pelat penyangga yang dilengkapi baut tulang/ screw [2]. Dengan metode
pemasangan pelat diharapkan proses penyembuhan  tulang  yang  patah  akan menjadi  lebih  cepat  [3].  Selama  prosedur pemasangan  pelat  pada  operasi  tulang ortopedi,  gesekan  antara  permukaan  bor dan  tulang  menyebabkan  peningkatan termal di sekeliling lubang pengeboran [4]. Kenaikan suhu tulang pada saat melakukan pengeboran  hingga  47°  C  selama  1  menit dapat meningkatkan resiko terkena nekrosis [5],  kenaikan  temperatur  yang  terjadi  di sekitar daerah pengeboran tersebut dipengaruhi  oleh  beberapa  faktor  yakni: geometri  mata  bor,  parameter  proses pengeboran, dan jenis tulang [6].
Proses pengeboran ( drilling) biasanya dilakukan memakai pahat silindris
yang  memiliki  dua  ujung  potong  yang disebut drill. Pahat  diputar  pada  porosnya dan  diumpankan  pada  benda  kerja  yang diam sehingga menghasilkan lubang berdiameter  sama  dengan  diameter  pahat. [12].  Mata  bor  dapat  dibagi  menjadi  tiga bagian; drill  point , body ,  dan  bagian  lain. Bagian  pada drill  point antara  lain  adalah point angle, chisel edge,web thickness, rake angle, dan clearance  angle .  [13].  Bagian body terbentuk berdasarkan helix angle dan flute .  Secara  umum  pemilihan  geometri, serta  parameter  pemotongan  selama  proses pemboran  sangat  berpengaruh  terhadap kinerja mata bor di ruang operasi. Selain itu faktor  manusia  juga  memegang  peranan penting bagi penentuan kualitas lubang bor terutama bergantung pada keterampilan staf medis. [14-15]. Untuk memperbaiki kualitas  pengeboran  tersebut  salah  satu  hal yang dapat dilakukan dengan meningkatkan nilai  keakuratan  serta  efisiensi  pada  proses pengeboran [7]. Hasil penelitian menunjukkan  bahwa  desain  mata  bor  yang telah  dioptimalisasikan  sebelumnya  secara efektif  dapat  mengurangi  suhu  tulang maksimum.  Desain  mata  bor  secara  efektif dapat  mengurangi  suhu  tulang  maksimum hingga  15,2%  dengan point  angle , helix angle , serta web thickness sebagai parameter  perancangannya  [8].  Adapun tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  untuk mendapatkan  nilai  temperatur  pengeboran terrendah  pada  keseluruhan  desain  mata bor.

## Metode Penelitian
Penelitian ini menggunakan Autodesk  Inventor  2015,  untuk  pembuatan model  geometri  pahat drill ,  sedangkan untuk  proses  simulasi  digunakan perangkat lunak DEFORM-3D. Dari penelitian Davidson  (1999)  penurunan  temperatur pengeboran  tulang  dapat  ditekan  serendah mungkin dengan menerapkan nilai geometri  berupa point  angle sebesar  130° serta helix  angle sebesar 38°  [9].  Khurshid (2013)  juga  melakukan  pengujian  yang sama  dengan  menggunakan  nilai point angle sebesar 120° dan helix angle 23° [4].
Holler  (2015),  merekomendasikan  pula penggunaan geometri  mata bor yakni point angle sebesar  105°±2°  dan helix  angle 27°±1.5°  [10].  Faizal  (2018)  menyatakan bahwa  peningkatan  suhu  pengeboran  dapat dikurangi  dengan  menggunakan  nilai point angle antara  110°  hingga  140°  dan helix angle antara 5°  hingga  30°  [7].  Faizal (2019)  kemudian  melakukan  penelitian kembali  dengan  berfokus  pada  nilai point angle sebesar 118° dan helix angle 30° [8]. Lee (2018) secara umum
merekomendasikan point  angle sebesar 70°-90°  atau  120°-140°,  juga helix  angle 24°-36°  [11].  Berdasarkan  penelitian  yang telah  dilakukan  sebelumnya  didapatkan keterangan  bahwa,  belum  ada  kesepakatan pasti  tentang  bentuk  desain  paling  optimal yang  dapat  diaplikasikan  dalam  bentuk desain  geometri  mata  bor  orthopedi.  Oleh sebab  itu  pada  penelitian  kali  ini  akan dilakukan penggabungan terhadap kemungkinan  desain  geometri  berdasarkan gabungan  dari  penelitian  yang  telah  ada sebelumnya.  Penggabungan  tersebut  antara lain terdiri dari jangkauan nilai point angle dan helix angle .
Diameter  dan  nilai web  thickness drill akan  dibuat  konstan  dengan  ukuran 3,5  mm  dan  0,8  mm.  Berdasarkan penentuan  geometri  yang  telah  dilakukan kemudian  akan  dibuat  4  desain drill yang berbeda  sesuai  dengan  kombinasi  nilai point  angle dan helix  angle. Keseluruhan desain akan dibuat menggunakan perangkat lunak inventor 2015.  Untuk  melanjutkan penelitian  ke  tahap  berikutnya  maka  hal yang  perlu  dipersiapkan  adalah  penentuan nilai properties material tulang. Dikarenakan pada perangkat lunak DEFORM  3D  tidak  ditemukan  sifat-sifat material tulang, untuk itu keseluruhan nilai sifat  material  akan  dimasukkan  secara manual. Salah satu literatur yang digunakan dalam  penentuan  nilai  sifat  material  ini adalah  penelitian  yang  dilakukan  oleh Faizal  (2018)  [7]  dengan  penjabaran sebagai berikut:
Tabel 1. Sifat material tulang Sifat material Tulang Mata bor Young’s modulus (GPa) 17 193 Poisson’s ratio 0.4 0.3 Heat expansion coefficient (mm °C -1 ) 27.5 x 10 -6 1.206 x 10 -5 Thermal conductivity (W m -1 K -1 ) 0.38 17 Specific heat (J kg -1 K -1 ) 1260 500 Emissivity 0.97 0.7 Persamaan  model flow  stress akan
merepresentasikan sifat-sifat material tulang  yang  akan  dibuat.  Bentuk  model tersebut  dapat  dijabarkan  dalam  bentuk persamaan sebagai berikut:
σ (𝜀 𝑝 , 𝜀 𝑝 ̇ , 𝑇) = 𝑐. 𝜀 𝑝 𝑛 . 𝜀̇ 𝑝 𝑚 . ( 𝑇 𝑇 0 ) − 𝑟 +  𝑦 (1)
Dimana 𝜀 𝑝 adalah  nilai plastic  strain , 𝜀 𝑝 ̇ merupakan plastic strain rate , T merupakan temperatur, 𝑇 0 temperatur  ruangan.  Selain itu  untuk  nilai c,  n,  m,  r dan y merupakan nilai  koefisien,  yang  mana  nilainya  akan ditentukan  berdasarkan  penentuan  kurva pada  perangkat  DEFORM-3D.  Selanjutnya penentuan  parameter  akan  ditentukan antara lain sebagai berikut:
Tabel 2. Parameter pengeboran Parameter Nilai Rotational speed (RPM) 1500 Feed rate (mm/rev) 0.12 Friction factor 0.3 Tool temperature (°C ) 30 Drill diameter (mm) 3.5 Drill material AISI 316 Drill mesh Size ratio : 4, min elemen size :
0,4 mm, elemen : 6164, nodes : 1851
Work piece temperature (°C
) 37 Diameter work piece (mm) 20 Thickness (mm) 5 Size mesh workpiece Size ratio : 7, min elemen size :
0,4 mm, elemen : 5546, nodes : 1257 Drill depth (mm) 5 Drill length (mm) 110 Flute length (mm) 38
Kemudian  keseluruhan  desain drill akan dibuat secara lengkap yang digambarkan sebagai berikut:
Tabel 3. Perwujudan desain Point angle Helix angle Desain
87° 13° 20° 28° 30° 118° 13° 20° 28° 30°
Gambaran dari simulasi pengeboran yakni  perubahan  temperatur  tulang  sebagai berikut:
Gambar 1. Hasil simulasi pada DEFORM-3D

## Hasil dan Pembahasan
Dari  hasi  simulasi  didapatkan  nilai temperatur maksimum pada masing-masing drill sebagaimana terlihat pada gambar:
(a) Tmax = 41.440° C      (b) Tmax = 39.308° C
Gambar 2. Point angle 87°, helix angle 13°
(a) Tmax = 41.377° C      (b) Tmax = 39.329° C
Gambar 3. Point angle 87°, helix angle 20°
(a) Tmax = 40.629° C      (b) Tmax = 39.227° C
Gambar 4. Point angle 87°, helix angle 28°
(a) Tmax = 39.080° C      (b) Tmax = 38.969° C
Gambar 5. Point angle 87°, helix angle 30°
(a) Tmax = 41.405° C      (b) Tmax = 41.162° C
Gambar 6. Point angle 118°, helix angle 13°
(a) Tmax = 39.058° C      (b) Tmax = 38.930° C
Gambar 7. Point angle 118°, helix angle 20°
(a) Tmax = 38.881° C      (b) Tmax = 38.748° C
Gambar 8. Point angle 118°, helix angle 28°
(a) Tmax = 38.952° C      (b) Tmax = 38.801° C
Gambar 9. Point angle 118°, helix angle 30°
Keseluruhan  data  hasil  pengujian
simulasi
pengeboran berupa nilai temperatur tertinggi untuk setiap parameter dikumpulkan  dalam  bentuk  tabel  sebagai berikut:
Tabel 4. Data hasil simulasi No Point angle Helix angle Temperatur (°C) Data 1 Data 2 1 87° 13° 41.440 39.308 2 20° 41.377 39.329 3 28° 40.629 39.227 4 30° 39.080 38.969 5 6 7 8 118° 13° 20° 28° 30° 41.405 39.058 38.881 38.952 41.162 38.930 38.748 38.801
Dari  data  diatas  didapatkan  nilai rata-rata  temperatur  pada  masing-masing parameter  sebagaimana  digambarkan  pada grafik dibawah ini:

## Gambar 10. Grafik temperatur rata-rata
Dari  grafik  diatas  terlihat  bahwa kenaikan  suhu  tertinggi  pada  simulasi pengeboran  berada  pada  nilai  parameter point  angle 118°  dengan  nilai helix  angle 13°  sebesar  41.283°C.  Sedangkan  untuk nilai rata-rata terrendah berada pada 38.814 °C  dihasilkan  oleh point  angle 118°  dan helix  angle 28°.  Untuk  mendapatkan gambaran yang lebih jelas tentang pengaruh masing-masing parameter terhadap  kenaikan  suhu  pengeboran  maka akan dilakukan analisis yang lebih mendalam  menggunakan  metode  faktorial penuh.  Dengan  tipe  desain  dua  faktor  dan dua level dengan dua kali pengulangan.
Tabel 5. Analysis of variance Source DF Adj SS F- Value P- Value Model 4 8.77 4.54 0.122 Blocks 1 0.86 1.80 0.272 Linear 2 7.34 7.60 0.067 Point angle 1 0.28 0.60 0.495 Helix angle 1 7.05 14.59 0.032 2-Way Interactions 1 0.55 1.16 0.361 Point*helix angle 1 0.55 1.16 0.361 Error 3 1.45 Total 7 10.22 Model summary S        R-sq     R-sq(adj)   R-sq(pred)
0.695360    85.81%       66.90%          0.00%
Berdasarkan  hasil  analisis  faktorial penuh  didapatkan  nilai R-sq 85.81  % menunjukkan  bahwa  parameter  geometri memberikan  kontribusi  sebesar  85.81  % terhadap  perubahan  temperatur.  Untuk selanjutnya  dapat  dilihat  nilai  residual probability plot pada gambar 12, menunjukkan  bahwa  titik  plot  berada  pada garis  linier,  juga  terdapat  nilai P-value residual  lebih  besar  dari  0.05  yang  dapat diartikan bahwa pada penelitian ini residual terdistribusi secara normal.
Gambar 12. Grafik normal probability plot
Selanjutnya pada gambar 13 terlihat bahwa  nilai  A  yang  melambangkan point angle dan B melambangkan helix angle dan AB  melambangkan  interaksi,  hannya  nilai B yang memiliki pengaruh paling signifikan  jika  dibandingkan  dengan  faktor yang  lain.  Hal  ini  dapat  diketahui  dari diagram  pareto  terlihat  garis merah dengan nilai batas 3.182 yang melambangkan batas
37 38 39 40 41 42 13° 20° 28° 30° T em pera tur (° C) Point angle 87° 118°
signifikansi hannya faktor B yang melebihi ambang batas tersebut. Berdasarkan tabel 5 juga  dapat  terlihat  hannya  faktor helix angle saja  yang  memiliki  nilai P-value kurang  dari  0.05  yakni  0.032.  Sedangkan untuk point  angle sebesar  0.495  dan interactions hannya 0.361.
Gambar 13. Efek plot tipe pareto
Kemudian terdapat main effects plot yang menggambarkan pengaruh point angle dan helix  angle .  Seperti  terlihat  pada gambar  14,  pengaruh helix  angle terhadap temperatur  sangatlah  tinggi  terlihat  dari garis menukik tajam yang mengindikasikan semakin  tinggi  nilai helix  angle maka temperatur  pengeboran  akan  semakin rendah.  Untuk  pengaruh point  angle tidak terlalu signifikan terlihat bahwa garis point angle bergerak  kearah  positif  yang  dapat diartikan  bahwa  semakin  tinggi  nilai  sudut point  angle maka  temperatur  pengeboran tulang akan semakin meningkat.
Gambar 14. Main effects plot
Dari gambar 15. Interaction plot pula dapat diketahui  bahwa  tidak  ada  pengaruh interaksi antara point angle dan helix angle
yang secara signifikan berpengaruh terhadap  perubahan  suhu.  Ini  dapat  terlihat dari garis interaksi yang saling berjauhan.
Gambar 15. Interaction plot
Kemudian  berdasarkan  data  hasil simulasi  diatas  dapat  ditentukan  pula prediksi  sebaran  kenaikan  temperatur berdasarkan  pengaruh  variabel point dan helix angle seperti terlihat pada gambar 16. Penentuan  perkiraan  temperatur  pada simulasi  pengeboran  juga  dapat  ditentukan dengan menggunakan persamaan regresi
Gambar 16. Contour  plot
yang didapatkan dari hasil analisa faktorial penuh  sebelumnya,  persamaan  tersebut dapat dituliskan sebagai berikut:
Temperatur  =    36.58  + 0.0554 Point angle
+ 0.095 Helix angle - 0.00201 Point angle*
Helix  angle. Didapatkan pula rekomendasi solusi nilai faktor geometri untuk menghasilkan  nilai  temperatur  serendah mungkin sebagai berikut:
Solution  Point angle  Helix angle  Fit             Desirability 1               118             30                 38.8765   0.971391 2               116.806     30                  38.8822   0.969231 3               87               29.9408       39.0292    0.913529
Point angle H el ix a ng le 115 110 105 100 95 90 30.0 27.5 25.0 22.5 20.0 17.5 15.0 > – – – – <  39.0 39.0 39.5 39.5 40.0 40.0 40.5 40.5 41.0 41.0 Temperatur
Contour Plot of Temperatur vs Helix angle, Point angle
Berdasarkan analisis data kemudian dihasilkan  beberapa  konsep  solusi  dimana dari  keseluruhan  konsep  solusi  diatas  nilai point  angle dan helix  angle dengan  sudut yang  lebih  lebar  menjadi  pilihan  utama untuk  mendapatkan temperatur pengeboran yang  paling  rendah.  Penggunaan  sudut helix dengan  sudut  lebar  dapat  membantu membersihkan chips tulang  serta  puing- puing  lebih  efisien,  serta  mencegah  mata bor  mengalami  kemacetan  karena chips yang menumpuk.
Jacob (1976)
menjelaskan  bahwa  nilai point  angle yang lebih  besar  pada  kombinasi  tertentu  dapat mengurangi  nilai  gaya  dan  torsi  pada pengeboran  oleh  sebab  itu,  pada  kondisi tersebut  pemilihan  sudut  yang  lebih  besar dapat  memungkinkan  untuk  menurunkan temperatur pengeboran [16].

## Kesimpulan
Kombinasi  parameter point  angle 118°  dan helix  angle 28°  menjadi kombinasi yang terbaik karena berdasarkan hasil  simulasi  didapatkan  nilai  kenaikan temperatur  yang  relatif  rendah.  Selain  itu faktor helix  angle menjadi  faktor  yang paling  dominan  dalam  mempengaruhi kenaikan  temperatur  pengeboran  tulang selama simulasi berlangsung.

## Referensi
[1] Douglas  C.  Montgomery.  2013. Design  and Analysis  of Experiments. John wiley & son, Inc: United States.
[2] A.  Hermanto  et,  al.  2016.  Peluang dan  Tantagan  Aplikasi  Baut  Tulang Mampu Terdegradasi
Berbasis Logam Magnesium. Dinamika
Teknik Mesin, Vol. 6.
[3] Rusnaldy,  Prahasto,  Toni,  Prasetyo Lis  dkk.  2017.  Studi  Pengaruh Parameter Proses Drilling pada Tulang  terhadap  Temperatur  dan Kualitas  Lubang  yang  Dihasilkan: Prosiding SNTTM XVI, hal 11-14.
[4] Alam,  Khurshid.  Khan  Mushtaq  dan Silberschmidt  V.  2013.  3D  Finite- Element Modelling of Drilling
Cortical  Bone  Temperature  Analysis. Journal  of  Medical  and  Biological Engineering.
[5] Eriksson  A.R,  dan  Albrektsson  T. 1983.  Temperature  threshold  levels for  heat-inducted  bone  tissue  injury: A  vital-microscopic  study  in  the rabbit.
Journal of Prosthetic
Dentistry.
[6] Sui Jianbo, Wang, Chengyong, Sugita Naohiko.  2020.  Experimental  study of  temperature  rise  during  bone drilling process: Medical Engineering and Physics, Elsevier.
[7] Moh  Faizal  Ali  Akhbar  dan  Ahmad Razlan  Yusoff.  2018.  Drilling  Of Bone:  Effect  Of  Drill  Bit  Geometri On  Thermal  Osteonecrosis  Risk Region.  Journal  of  Engineering  in Medicine.
[8] Moh  Faizal  Ali  Akhbar  dan  Ahmad Razlan Yusoff. 2019. Multi-Objective
Optimization Of Surgical Drill Bit To
Minimize Thermal  Damage  In Bone- Drilling. Thermal Engineering,
Elsevier.
[9] Sean  R.H.  Davidson.  1999.  Heat Transfer  in  Bone  During  Drilling.
Institute of Biomaterials and Biomedical Engineering. Toronto.
[10]  Holler  W  Christian.  2015.  Technical and  Economic  Analysis  of  the
Process of Surgical Bone Drilling and Improvement Potentials. Graz University of Technology: Austria.
[11]  JuEun  Lee  et  al.  2018.  Parameters Affecting  Mechanical  and  Thermal Responses  in  Bone  Drilling.  Journal of Biomechanics.
[12]  Mahfudz  Al  Huda,  2008.  Modul Kuliah  Proses  Produksi.  Universitas Mercubuana: Jakarta.
[13]  Moh  Faizal  Ali  Akhbar  dan  Akmal Wani Sulong. 2020. Surgical Drill Bit Designand Thermomechanical Damage  in  Bone  Drilling.  Annals  of
Biomedical Engineering.
[14]  Yali Hou et. al. 2015. An Experimental  research  on  Bone Drilling  Temperature  in  Orthopedic
Surgery. School of Mechanical Engineering, Qingdao. The chnological University. China. [15]  Mahyudin,  2018.  Graf  Tulang  dan Material Pengganti Tulang Karakteristik  dan  Strategi  Aplikasi Klinis.  Airlangga  University  Press: Surabaya.
[16]  Jacob.  C.  H  et  al.  1976. A  Study  of The Bone Machining Process-
Drilling.  J.  Biomechanics .  Pergamon press: Britain.