VARIASI MATERIAL PENYUSUN BALL HEAD HIP JOINT PROSTHESIS PADA KONDISI BERJALAN NORMAL DENGAN ANALISIS DISTRIBUSI TEGANGAN DAN REGANGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE ABAQUS 6.5-1.

TUGAS AKHIR

VARIASI MATERIAL PENYUSUN

BALL HEAD

HIP JOINT PROSTHESIS PADA KONDISI

BERJALAN NORMAL DENGAN ANALISIS

DISTRIBUSI TEGANGAN DAN REGANGAN

MENGGUNAKAN SOFTWARE ABAQUS 6.5-1

Disusun :

FAJAR SANTOSO

NIM : D200000109

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH SURAKARTA

PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI

Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa skripsi dengan judul:

VARIASI MATERIAL PENYUSUN BALL HEAD HIP JOINT PROSTHESIS PADA KONDISI BERJALAN NORMAL DENGAN

ANALISIS DISTRIBUSI TEGANGAN DAN REGANGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE ABAQUS 6.5-1

Yang dibuat untuk memenuhi sebagian syarat memperoleh derajat sarjana S1 pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta, sejauh yang saya ketahui bukan merupakan tiruan atau duplikasi dan/atau pernah dipakai untuk medapatkan gelar kesarjanaan dilingkungan Universitas Muhammadiyah Surakarta atau instansi manapun, kecuali bagian yang sumber informasinya saya cantumkan sebagaimana mestinya.

Surakarta, 2 Juli 2009 Yang menyatakan

HALAMAN PERSETUJUAN

Tugas Akhir berjudul ” Variasi Material Penyusun Ball Head Hip Joint Prosthesis Pada Kondisi Berjalan Normal Dengan Analisis Distribusi

Tegangan Dan Regangan Menggunakan Software Abaqus 6.5 -1”, telah

disetujui oleh pembimbing dan diterima untuk memenuhi sebagian persyaratan memperoleh derajat sarjana S1 pada jurusan teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.

Dipersiapkan oleh :

Nama : FAJAR SANTOSO NIM : D 200 000 109

Disetujui pada Hari : Tanggal :

Pembimbing Utama Pembimbing pendamping

HALAMAN PENGESAHAN

RINGKASAN/ABSTRAKSI LAPORAN TUGAS AKHIR

Artikel berjudul ”Variasi Material Penyusun Ball Head Hip Joint

Prosthesis pada Kondisi Berjalan Normal dengan Analisis Distribusi Tegangan dan Regangan Menggunakan Software Abaqus 6.5-1”, telah disetujui Pembimbing dan disahkan Ketua Jurusan untuk memenuhi sebagian persyaratan memperoleh derajat S1 pada Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.

Dipersiapkan oleh:

Nama : Fajar Santoso

NIM : D 200 000 109

Disetujui pada:

Hari : ...

Tanggal : ...

Pembimbing Utama

Tri Widodo Besar Riyadi, ST, MSc

Pembimbing Pendamping

Bambang Waluyo Febriantoko, ST, MT

Mengetahui Ketua Jurusan,

MOTTO

“Maka apabila kamu telah selesai (dari suatu urusan), kerjakanlah dengan sungguh-sungguh (urusan) yang lain”

(QS Al Insyirah : 7)

“Sesungguhnya manusia itu tertidur dan baru terbangun ketika mati” (Ali bin Abi Thalib)

PERSANTUNAN

Atas berkat rahmat Allah SWT dimana seluruh rasa syukur tertuju pada-Nya, laporan ini dapat terselesaikan. Shalawat dan salam semoga ditetapkan atas Nabi Muhammad SAW yang telah diutus oleh Allah untuk menunjukkan jalan yang terang di tengah kegelapan.

Karya ini aku haturkan kepada :

? Ibu dan almarhum ayahku yang dengan susah payah membesarkan

aku.

? Saudara-saudaraku.

? Rekan-rekan teknik mesin, khususnya Agus, Yusa’, Alfian, Budi, Aris, dll.

KATA PENGANTAR

Assalamu’alaikum. Wr. Wb.

Syukur Alhamdulillah, penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas berkah dan rahmat-Nya sehingga penyusun laporan penelitian ini dapat terselesaikan.

Tugas Akhir berjudul ” Variasi Material Penyusun Ball Head Hip Joint Prosthesis pada Kondisi Berjalan Normal dengan Analisis Distribusi Tegangan dan Regangan Menggunakan Software Abaqus 6.5-1”, dapat terselesaikan atas dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu pada kesempatan ini, penulis dengan segala ketulusan dan keikhlasan hati ingin menyampaikan rasa terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada.

1. Ir. H Sri Widodo, MT., selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.

2. Marwan Effendy, ST. MT., selaku Ketua Jurusan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Surakarta.

3. Ir. Masyrukan, MT., selaku Dosen pembimbing utama yang telah banyak memberikan ilmu dan arahan serta bimbingannya dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

4. Dr. Supriyono, ST. MT., selaku Dosen Pembimbing pendamping terima kasih atas waktu, pengarahan, saran, dan dorongan dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

5. Seluruh Dosen Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta, terima kasih untuk ilmu yang telah diajarkan selama berada dibangku kuliah.

6. Bapak Sunhaji, selaku kepala Laboratorium Logam Fakultas Teknik Mesin Universitas Gajah Mada Yogyakarta.

7. Semua pihak yang telah membantu, sehingga terselesaikannya Tugas Akhir ini, semoga Allah membalas kebaikannya.

Penulis menyadari bahwa laporan ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu kritik dan saran yang bersifat membangun dari pembaca akan penulis terima dengan senang hati.

Wasalammu’alaikum.Wr.Wb

Surakarta, November 2009

Penulis

DAFTAR ISI

Hal

Halaman Judul i

Pernyataan Keaslian Skripsi ii

Halaman Persetujuan iii

Halaman Pengesahan iv

Lembar Soal Tugas Akhir v

Lembar Motto vi

Abstrak vii

Kata Pengantar viii

Daftar Isi x

Daftar Tabel xii

Daftar Gambar xiii

Daftar Simbol xviii

Daftar Lampiran xix

BAB I PENDAHULUAN 1

1.1. Latar Belakang 1

1.2. Rumusan Masalah 2

1.3. Batasan Masalah 3

1.4. Tujuan Penelitian 4

1.5. Manfaat Penelitian 4

1.6. Sistematika Penulisan 5

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 6

2.1. Kajian Pustaka 6

2.2. Landasan Teori 12

2.2.1. Tulang-tulang anggota gerak 12

2.2.2. Persendian dan pergerakan 15

2.2.3. Hip Joint 17

2.2.4. Gambaran Umum Tentang Hip Joint Replacement 25

2.2.5. Desain Hip Joint Prosthesis 27

2.2.6. Variabel Proses Hip Joint Prosthesis 28

2.2.7. Material untuk Hip Joint Prosthesis 29

2.3. Teori ( latisitas 44

2.3.1. Tegangan (stress) 45

2.3.2. Regangan (strain) 46

2.3.3. Deformasi 48

2.3.4. Kriteria Von Mises 50

2.4. Teori Gesekan 50

2.4.1. Efek dari Gesekan 51

2.5. Metode Elemen Hingga 54

BAB III METODOLOGI PENELITIAN DAN LANGKAH KOMPUTASI 57

3.1. Metodologi Penelitian 57

3.2.1 Cara Membuka Aplikasi Abaqus 60 3.3. Langkah Komputasi dengan Menggunakan Abaqus 6.5-1 61

3.3.1. Desain Part 61

3.3.2. Langkah-langkah Analisis dan Simulasi 67

BAB IV HASIL SIMULASI DAN PEMBAHASAN 115

4.1. Analisis Distribusi Tegangan 115

4.4.1. Disitribusi Tegangan Maksimum pada Ball Head

yang Terbuat dari Alumina 115

4.4.2. Disitribusi Tegangan Maksimum pada Ball Head

yang Terbuat dari SiliconCarbide 116

4.4.3. Disitribusi Tegangan Maksimum pada Ball Head

yang Terbuat dari SiliconNitride 117

4.4.4. Disitribusi Tegangan Maksimum pada Ball Head

yang Terbuat dari Zirconia 118

4.2. Analisis Tegangan pada Ball Head 119

4.2.1 Tegangan yang Terjadi pada Ball Head yang

Terbuat dari Alumina 119

4.2.2 Tegangan yang Terjadi pada Ball Head yang

Terbuat dari Silicon Carbide 121

4.2.3 Tegangan yang Terjadi pada Ball Head yang

Terbuat dari Silicon Nitride 122

4.2.4 Tegangan yang Terjadi pada Ball Head yang

Terbuat dari Zirconia 123

4.3. Analisis Regangan pada Ball Head 125

4.3.1 Analisis Regangan pada Ball Head yang

Terbuat dari Alumina 125

4.3.2 Analisis Regangan pada Ball Head yang

Terbuat dari Silicon Carbide 126

4.3.3 Analisis Regangan pada Ball Head yang

Terbuat dari AluminaNitride 128

4.3.4 Analisis Regangan pada Ball Head yang

Terbuat dari Zirconia 129

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan 132

5.2. Saran 132

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN-LAMPIRAN

DAFTAR TABEL

Tabel 2.3. Macam-macam tipe zirconia 44

Tabel 2.4. Sifat-sifat khusus berbagai tipe zirconia 44

Tabel 3.1. Sifat-sifat beberapa material 61

Tabel 3.2. Nama set dan bagian yang dipilih 77

Tabel 3.3. Amplitudo gaya total untuk simulasi 93

Tabel 3.4. Boundary condition (BC) 102

Tabel 4.1. Tegangan maksimum yang terjadi dalam ball head

pada beberapa material 125

Tabel 4.2. Regangan maksimum yang terjadi pada ball head

DAFTAR GAMBAR

Hal Gambar 2.1. Pengukuran dan perhitungan circumferential strains 7 Gambar 2.2. Hasil pengukuran dan perhitungan relative displacement r 8 Gambar 2.3. Start up friction dari empat material dengan resting 9 Gambar 2.4. Start up friction dari empat material dengan load 10

Gambar 2.5. Finite element analysis pada hip joint head 11

Gambar 2.6. Tulang -tulang lengan dan tangan dilihat dari depan 12

Gambar 2.7. Tulang -tulang kaki dilihat dari depan 14

Gambar 2.8. Struktur dasar persendian lutut dan pinggul 15

Gambar 2.9. Hip joint yang normal 17

Gambar 2.10. Hip arthritis 18

Gambar 2.11. Bandul sederhana dengan panjang L 18

Gambar 2.12. Komponen gesek horizontal gaya FH 20

Gambar 2.13. Besarnya gaya pada hip joint 21

Gambar 2.14. Hasil pengukuran gaya pada hip jointprosthesis 22

Gambar 2.15. Suatu diagram yang menunjukkan rata -rata gaya 23

Gambar 2.16. Sistem koordinat pada tulang paha kiri 24

Gambar 2.17. Hip joint yang normal 25

Gambar 2.18. Indikasi terjadinya arthritis 25

Gambar 2 .19. Pemotongan tulang femur 26

Gambar 2.20. Pemasangan hip joint prosthesis 26

Gambar 2.21. Hip joint sebelum dan sesudah dilakukan hip replacement 27

Gambar 2.22. Hip joint prosthesis 28

Gambar 2.23. Diagram tegangan–regangan 49

Gambar 2.24. Ketika dua bodi saling kontak 51

Gambar 2.25. Interface shear stress 53

Gambar 2.26. Sistem putaran koordinat untuk menghasilkan tegangan 54 Gambar 2.27. Elemen persegi empat untuk analisis elemen hingga 55

Gambar 3.1. Metodologi Penelitian 57

Gambar 3.2. Diagram Alir Proses Running 58

Gambar 3.4. Menjalankan aplikasi ABAQUS 6.5-1 60

Gambar 3.5. Session ABAQUS 6.5 -1 60

Gambar 3.6. Kotak dialog Create Part 62

Gambar 3.7. Tool standar ABAQUS 6.5 -1 63

Gambar 3.8. Sketsa dimensi cone 63

Gambar 3.9. Kotak dialog Create Part 64

Gambar 3.10. Sketsa dimensi ball head 65

Gambar 3.11. Kotak dialog Create Part 66

Gambar 3.12. Sketsa dimensi stem 67

Gambar 3.13. Langkah untuk masuk ke kotak dialog Edit Material 68

Gambar 3.14. Kotak dialog Edit Material 68

Gambar 3.15. Proses pengisian nilai Young’s Modulus 69

Gambar 3.16. Cara masuk ke kotak dialog Create Section 70

Gambar 3.17. Kotak dialog Create Section 70

Gambar 3.18. Kotak dialog Edit Section 71

Gambar 3.19. Cara masuk ke Section Assignment Manager 72

Gambar 3.20. Kotak dialog Section Assignment Manager 72

Gambar 3.21. Kotak dialog Section Assignment 73

Gambar 3.22. Module Assembly 73

Gambar 3.23. Cara masuk ke kotak dialog Create Instance 74

Gambar 3.24. Kotak dialog Create Instance 74

Gambar 3.25. Tampilan part-part setelah dilakukan proses assembly 75

Gambar 3.26. Cara memulai set 75

Gambar 3.27. Kotak dialog Create Set 76

Gambar 3.28.Bagian-bagian yang diberi set 76

Gambar 3.29. Cara memulai Surface 78

Gambar 3.30. Kotak dialog Create Surface 78

Gambar 3.31. Penandaan surface untuk ball head bagian dalam 79

Gambar 3.32. Penandaan surface untuk cone bagian atas 79

Gambar 3.33. Penandaan surface untuk stem dan stem bagian bawah 79

Gambar 3.34. Cara masuk ke Module Step 80

Gambar 3.36. Kotak dialog Edit Step 81

Gambar 3.37. Cara masuk ke menu interaction 82

Gambar 3.38. Kotak dialog Create Interaction 82

Gambar 3.39. A wal penentuan surface yang akan diberi interaction 83

Gambar 3.40. Cara menentukan surface pertama 84

Gambar 3.41. Penentuan surface kedua 84

Gambar 3.42. Pemilihan surface kedua untuk interaction 85

Gambar 3.43. Kotak dialog Edit Interaction 86

Gambar 3.44. Kotak dialog Create Interaction Properties 86

Gambar 3.45. Kotak dialog Edit Contact Property 87

Gambar 3.47. Kotak dialog Edit Interaction 87

Gambar 3.48. Permukan yang digunakan dalam interaction kedua 88

Gambar 3.49. Memilih Interaction pada Module 89

Gambar 3.50. Kotak dialog Create Constraint 89

Gambar 3.51. Kotak dialog Region Selection 90

Gambar 3.52. Tombol Surface untuk memilih slave surface 90

Gambar 3.53. Kotak dialog Region Selection 91

Gambar 3.54. Kotak dialog Edit Constraint 91

Gambar 3.55. Grafik gaya total pada hip joint prosthesis 93

Gambar 3.56. Memilih Interaction pada Module 94

Gambar 3.57. Cara masuk ke Create Amplitude 94

Gambar 3.58. Kotak dialog Create Amplitude 95

Gambar 3.59. Cara masuk ke pilihan Load 96

Gambar 3.60. Kotak dialog Create Load 97

Gambar 3.61. Kotak dialog Region Selection 97

Gambar 3.62. Kotak dialog Edit Load 98

Gambar 3.63. Cara membuka aplikasi mesh 99

Gambar 3.64. Kotak dialog Global Seeds 99

Gambar 3.65. Cara memilih Element Type 100

Gambar 3.66. Kotak dialog Element Type 100

Gambar 3.67. Memilih menu part pada mesh di toolbar 101

Gambar 3.69. Tampilan part yang telah di-meshing 102

Gambar 3.70. Langkah awal membuat boundary condition 103

Gambar 3.71. Kotak dialog Create Boundary Condition 103

Gambar 3.72. Tombol Sets untuk memilih region 104

Gambar 3.73. Kotak dialog Region Selection 104

Gambar 3.74. Kotak dialog Edit Boundary Condition 105

Gambar 3.75. Langkah awal memasuki mode job 106

Gambar 3.76. Kotak dialog Create Job 106

Gambar 3.77. Kotak dialog Edit Job 107

Gambar 3.78. Cara memunculkan kotak dialog Job Manager 107

Gambar 3.79. Kotak dialog Job Manager 108

Gambar 3.80. Model visualisasi plot countours 108

Gambar 3.81. Model visualisasi 109

Gambar 3.82. Cara masuk ke History Output 110

Gambar 3.83. Kotak dialog History Output 110

Gambar 3.84. Kotak dialog Save XY Data As 111

Gambar 3.85. Kotak dialog XY Data Manager 111

Gambar 3.86. Kotak dialog Edit XY Data 112

Gambar 3.87. Cara membuka Field Output 113

Gambar 3.88. Mengambil data file report 113

Gambar 3.89. Cara menyimpan format file 114

Gambar 3.90. Menyimpan hasil simulasi dalam format video 114

Gambar 4.1. Distribusi tegangan maksimum pada ball head

yang terbuat dari alumina 116

Gambar 4.2. Distribusi tegangan maksimum pada ball head

yang terbuat dari silicon carbide 117

Gambar 4.3. Distribusi tegangan maksimum pada ball head

yang terbuat dari silicon nitride 118

Gambar 4.4. Distribusi tegangan maksimum pada ball head

yang terbuat dari zirconia 119

Gambar 4.5. Distribusi tegangan maksimum pada ball head

Gambar 4.6. Grafik tegangan yang terjadi pada ball head

yang terbuat dari alumina 120

Gambar 4.7. Distribusi tegangan maksimum pada ball head

yang terbuat dari silicon carbide 121

Gambar 4.8. Grafik tegangan yang terjadi pada ball head

yang terbuat dari silicon carbide 122

Gambar 4.9. Distribusi tegangan maksimum pada ball head

yang terbuat dari silicon nitride 122 Gambar 4.10. Grafik tegangan yang terjadi pada ball head

yang terbuat dari silicon nitride 123

Gambar 4.11. Distribusi tegangan maksimum pada ball head

yang terbuat dari zirconia 124

Gambar 4.12. Grafik tegangan yang terjadi pada ball head

yang terbuat dari zirconia 124

Gambar 4.13. Regangan maksimum pada ball head

yang terbuat dari alumina 126

Gambar 4.14. Grafik profil regangan pada ball head

yang terbuat dari alumina 126 Gambar 4.15. Regangan maksimum pada ball head

yang terbuat dari silicon carbide 127

Gambar 4.16. Grafik profil regangan pada ball head

yang terbuat dari silicon carbide 127 Gambar 4.17. Regangan maksimum pada ball head

yang terbuat dari silicon nitride 128

Gambar 4.18. Grafik profil regangan pada ball head

yang terbuat dari silicon nitride 129

Gambar 4.19. Regangan maksimum pada ball head

yang terbuat dari zirconia 130

Gambar 4.20. Grafik profil regangan pada ball head

DAFTAR SIMBOL

s = Tegangan normal [N]

F = Gaya normal [N]

E = Modulus Young [Pa]

r = Diameter [mm]

L = Lebar [m]

A = Luas [m2]

T = Waktu [s]

ln = Logaritma natural

Leff = Panjang efektif kaki [m]

T = Periode [s]

N = Gaya tegak lurus dengan permukaan tanah [N]

µ = Koefisien gesek statis antara dua permukaan

W = Berat tubuh [kg]

Ftotal = Gaya total [N]

Fz = Gaya ke atas [N]

Fx = Gaya ke depan [N]

Fy = Gaya ke samping [N]

seng =Engineering stress [MPa]

A0 = Luas permukaan awal [mm2]

A = Luas permukaan sebenarnya [mm2]

s =True stress [MPa]

eeng =Engineering strain [%]

?l = Perubahan panjang [mm]

l0 = Panjang mula-mula [mm]

l = Panjang setelah diberi gaya [mm]

P = Beban [N]

K = Matriks kekakuan elemen

DAFTAR LAMPIRAN

VARIASI MATERIAL PENYUSUN

BALL HEAD

HIP JOINT

PROSTHESIS

PADA KONDISI BERJALAN NORMAL DENGAN

ANALISIS DISTRIBUSI TEGANGAN DAN REGANGAN

MENGGUNAKAN

SOFTWARE

ABAQUS 6.5-1

Fajar Santoso, Tri Widodo Besar Riyadi, Bambang Waluyo Febriantoko Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Surakarta

Jl. A. Yani Tromol Pos I Pabelan, Kartasura ABSTRAKSI

Aplikasi dari disiplin ilmu yang berkaitan dengan teknik mesin dalam berbagai aspek kehidupan semakin luas cakupannya, termasuk di bidang ortopedi. Hip joint manusia yang telah mengalami kerusakan parah pada bagian tulang rawannya akibat penyakit maupun benturan dapat diatasi dengan cara mengganti hip joint tersebut dengan hip joint prosthesis. Sebelum hip joint prosthesis dipasang pada tubuh, perlu dilakukan simulasi proses ini dengan program komputer agar diperoleh gambaran tentang kekuatan material hip joint sebelum benar-benar ditanam.

Simulasi komputer dilakukan dengan software Abaqus 6.5-1. Hip joint prosthesis yang terdiri dari cone, ball head, dan stem diberi beban tubuh pada stem sebesar 610 N untuk orang berjalan normal dengan amplitudo untuk gaya total. Empat simulasi yang dilakukan dibedakan berdasarkan material yang digunakan untuk ball head, yaitu alumina, silicon carbide, silicon nitride, dan zirconia. Density alumina sebesar 3970 kg/m³, silicon carbide sebesar 3200 kg/m3, silicon nitride sebesar 3250 kg/m3, dan zirconia sebesar 6050 kg/m3. Young’s modulus alumina sebesar 4,0 × 1011 Pa, silicon carbide sebesar 4,4 × 1011 Pa, silicon nitride sebesar 3,0 × 1011 Pa, dan zirconia sebesar 2,1 × 1011 Pa. Poisson’s ratio alumina sebesar 0,23, silicon carbide sebesar 0,16, silicon nitride sebesar 0,28, dan zirconia sebesar 0,31. Koefisien gesek untuk gesekan antara stem dengan ball head bagian dalam sebesar 0,35 dan untuk gesekan antara ball head dengan cone bagian dalam sebesar 0,3. Analisis dilakukan terhadap tegangan dan regangan yang terjadi pada ball head.

Tegangan maksimum yang terjadi pada ball head dengan material alumina sebesar 9,565 x 1010 Pa, silicon carbide sebesar 9,661 x 1010 Pa, silicon nitride sebesar 1,009 x 1011 Pa, dan zirconia sebesar 9,888 x 1010 Pa. Sementara itu, regangan maksimum yang terjadi pada ball head dengan material alumina sebesar 1,509 x 10-1 %, silicon carbide sebesar 1,42 x 10-1 %, silicon nitride sebesar 1,366 x 10-1 %, dan zirconia sebesar 3,031 x 10-1 %. Material yang paling baik digunakan untuk ball head adalah silicon nitride.

Kata kunci: Hip joint prosthesis, abaqus, ball head, tegangan, regangan.

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Sendi merupakan suatu engsel yang menghubungkan ruas tulang yang satu dengan yang lain, sehingga tulang-tulang tersebut dapat digerakkan sesuai dengan jenis persendian yang diperantarainya. Hal ini memungkinkan tubuh yang ditopang oleh tulang bisa melakukan gerakan.

Sebagian besar sendi manusia adalah sendi sinovial. Permukaan tulang yang bersendi diselubungi oleh tulang rawan yang lunak dan licin. Keseluruhan daerah sendi dikelilingi sejenis kantong yang terbentuk dari jaringan berserat yang disebut kapsul. Jaringan ini dilapisi membran sinovial yang menghasilkan cairan sinovial untuk melumasi. Bagian luar kapsul diperkuat oleh ligamen berserat yang melekat pada tulang, menahannya kuat-kuat di tempatnya dan membatasi gerakan yang dapat dilakukan.

Tulang rawan sendi yang melapisi ujung -ujung tulang mempunyai fungsi ganda yaitu untuk melindungi ujung tulang agar tidak aus dan memungkinkan pergerakan sendi menjadi mulus dan licin, serta sebagai penahan beban sekaligus peredam benturan.

Tulang rawan yang normal berwarna putih mengkilap dengan permukaan yang halus dan rata. Seiring dengan bertambahnya usia, tulang rawan bisa menjadi rusak dan menipis atau bahkan hilang sama sekali, sehingga warnanya menjadi kuning pucat. Apabila tulang rawan sendi rusak dan menipis, ujung tulang pembentuk sendi akan saling bertemu dan bergesekan secara langsung tanpa pelapis tulang rawan, sehingga gerakan sendi menjadi terbatas (kaku) dan menimbulkan rasa nyeri. Dalam istilah

kedokteran, penyakit sendi yang disebabkan karena penipisan tulang rawan sendi akibat proses penuaan serta kemunduran fungsi tulang rawan sendi disebut dengan istilah osteoartritis (osteoarthritis) atau pengapuran sendi. Meskipun demikian osteoartritis dapat menyerang pada orang yang relatif masih muda.

Pada kondisi osteoartritis yang sangat parah, selain rasa sakit yang semakin hebat, sendi menjadi kaku sehingga penderita sulit melakukan aktivitas.

Para ahli ortopedi telah menemukan cara untuk untuk mengatasi orsteoartritis yang sudah sangat parah, yaitu dengan melakukan hip joint implant. Hip joint implant adalah proses penggantian tulang pinggul dengan tulang buatan (hip prothesis) yang terdiri dari ball head, cup dan stem. Teknik

hip joint implant ini telah dipraktekkan dengan sukses selama beberapa tahun. Kemungkinan kegagalan hip joint implant sangat kecil karena pergeseran ball head dalam vivo hanya berjarak 1/10000. Semua itu dipengaruhi oleh adanya penggabungan antara stem dan ball head.

1.2. Rumusan Masalah

Osteoartritis dapat mengenai hampir semua sendi pada tubuh manusia, yaitu sendi di daerah tulang belakang, sendi di bahu, sendi pada jari-jari tangan, sendi pada jari-jari kaki, sendi pinggul, sendi lutut, sendi pada pergelangan tangan, dan sendi pada pergelangan kaki. Meskipun sendi pinggul merupakan salah satu sendi yang paling sering terserang osteoartritis, tetapi pada beberapa ras (misalnya ras Negro Afrika dan ras

Cina Selatan) sendi mereka sangat imun terhadap penyakit ini. Ini berarti bahwa kebanyakan orang Indonesia rawan terhadap penyakit ini.

Pada saat berjalan, terjadi tegangan dan regangan pada sendi pinggul karena pada tempat itu terjadi kontak akibat beban yang dinamis. Perubahan ini seiring dengan posisi telapak kaki berada, baik sewaktu posisinya masih melayang maupun sesudah menginjak tanah secara penuh.

Distribusi tegangan dan regangan yang terjadi pada ball head akan memberikan informasi tentang material mana ya ng lebih tepat digunakan untuk ball head.

1.3. Batasan Masalah

Dalam penelitian ini diberikan batasan-batasan masalah agar tidak terjadi meluasnya permasalahan yaitu sebagai berikut:

1. Analisis dan simulasi dilakukan dengan software ABAQUS 6.5-1 pada

hip joint bagian kiri orang yang berjalan pada kecepatan normal dengan berat badan 610 N.

2. Material benda uji untuk ball head masing-masing adalah alumina,

silicon carbide, silicon nitride, dan zirconia. Material untuk cone

menggunakan stainless steel. Material untuk stem menggunakan

titanium.

3. Density material alumina sebesar 3970 kg/m³, silicon carbide sebesar 3200 kg/m3, silicon nitride sebesar 3250 kg/m3, stainless steel sebesar 7900 kg/m³, titanium sebesar 4430 kg/m³, dan zirconia sebesar 6050 kg/m3.

4. Modulus elastisitas untuk material alumina sebesar 4,0 × 1011 Pa,

untuk silicon carbide sebesar 4,4 × 1011 Pa, untuk silicon nitride

sebesar 3,0 × 1011 Pa, untuk stainless steel sebesar 2,1 × 1011 Pa, untuk titanium sebesar 1,05 × 1011 Pa, dan untuk zirconia sebesar 2,1 × 1011 Pa.

5. Poisson’s ratio untuk material alumina sebesar 0,23, untuk silicon carbide sebesar 0,16, untuk silicon nitride sebesar 0,28, untuk

stainless steel sebesar 0,3, untuk titanium sebesar 0,3, dan untuk

zirconia sebesar 0,31.

6. Koefisien gesek yang digunakan untuk gesekan antara stem dengan

ball head bagian dalam sebesar 0,35 dan untuk gesekan antara ball head dengan cone bagian dalam sebesar 0,3.

1.4. Tujuan Penelitian

Tujuan dari simulasi ini adalah untuk mengetahui pengaruh variasi material penyusun ball head pada hip joint prosthesis dilihat dari distribusi tegangan dan regangan.

1.5. Manfaat Penelitian

Penelitian pada simulasi ini akan mendatangkan beberapa manfaat yang bisa diambil, yaitu:

1. Penelitian ini dapat memberikan tambahan pengetahuan te ntang teknologi hip joint implant.

2. Penelitian ini dapat dijadikan acuan bagi penelitian-penelitian yang lain, terutama yang berkaitan dengan teknologi hip joint implant.

1.6. Sistematika Penulisan

Sistematika laporan tugas akhir ini memuat tentang isi bab-bab yang dapat diuraikan sebagai berikut:

BAB I PENDAHULUAN

Bab ini berisi tentang latar belakang, tujuan penelitian, perumusan masalah, batasan masalah, manfaat penelitian, sistematika penulisan.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI

Bab ini berisi tentang teori-teori yang berhubungan dengan proses hip joint implant.

BAB III METODOLOGI PENELITIAN DAN LANGKAH SIMULASI

Bab ini meliputi penjelasan tentang metode penelitian, cara pemodelan dengan ABAQUS CAE serta penjelasan bagaimana melakukan simulasi.

BAB IV HASIL SIMULASI DAN PEMBAHASAN

Bab ini berisi tentang hasil simulasi untuk beragam material pembentuk ball head yang berbeda jenisnya, gambar grafik dan gambar material.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Berisi tentang kesimpulan hasil penelitian dan saran-saran. DAFTAR PUSTAKA

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA DAN LANDASAN TEORI

2.1. Kajian pustaka

Arthritis Research Campaign (ARC) menyatakan bahwa diperlukan penggantian pinggul secara total (Total Hip Replacement atau THR) jika sendi pinggul rusak akibat radang sendi. Kerusakan semacam ini kebanyakan disebabkan oleh osteoarthritis atau bisa juga akibat radang sendi jenis yang lain, yaitu rheumatoid arthritis.

Penggantian secara total terhadap permukaan persendian tampaknya merupakan cara ideal untuk mengobati setiap kelainan yang menyebabkan kerusakan sendi (Charnly, 1979). Sebelum sendi-sendi artifisial (prosthese) tersedia, satu-satunya pilihan selain artrodesis adalah memotong bagian sendi tersebut. Tindakan ini disebut artroplastieksisi dan jarang diperlukan sekarang. Aliase logam modern dan plastik dengan kerapatan tinggi sudah memungkinkan dikembangkannya suatu sendi artifisial untuk berbagai tempat. Panggul adalah tempat pertama yang dikerjakan dan tetap menjadi yang paling dapat diandalkan (Paul A. Dieppe,1995).

Implan pada sendi buatan harus mampu mengatasi masalah-masalah yang akan ditimbulkan antara lain: (1) implan prostetik harus tahan lama; (2) implan harus memungkinkan pergerakan mulus pada persendian; (3) implan harus terikat erat pada kerangka; dan (4) implan harus lembam dan tidak menimbulkan reaksi yang tidak dikehendaki dalam jaringan (A. Graham Apley, 1995).

Di Jepang, seperti yang dimuat dalam www.beritaiptek.com (16 April 2006), menyebutkan jumlah pasien yang menjalani operasi pemasangan

sendi buatan mencapai sekitar 150000 orang tiap tahunnya. Hal ini kebanyakan diakibatkan oleh kelainan (perubahan bentuk) pada tulang akibat penuaan atau reumatik pada sendi. Jumla h ini terus mengalami peningkatan sebesar 8 persen setiap tahunnya. Data dari American Academy of Orthopaedic Surgeons (AAOS) menyebutkan bahwa beratus ribu orang yang mengalami penggantian pinggul memiliki kemungkinan untuk hidup lebih aktif, 80 persen dari mereka yang mengalami penggantian sendi pinggul atau sendi lutut bisa bertahan sedikitnya 20 tahun. Data dari Pusat Statistik Kesehatan Nasional Amerika pada tahun 2001 menyatakan bahwa telah dilakukan penggantian tulang pinggul pada sekitar 165000 orang. Penggantian ini mempunyai kelemahan karena tidak bertahan seumur hidup, sehingga mereka memerlukan perawatan. Selama ini kelonggaran adalah masalah komplikasi utama pada penggunaan sendi buatan ini.

Bernhard Weisse (2003) menunjukkan hasil dari pengukuran dan perhitungan tegangan pada ball head tipe L untuk kasus beban statis yang melawan 100º cone dengan axial load FR 5, 10, 20, dan 30 kN seperti yang

ditunjukkan pada gambar 2.1.

Gambar 2.1. Pengukuran dan perhitungan circumferential strains pada ball head tipe L pada kasus beban statis yang melawan 100º cone (Weisse, dkk., 2003)

Hasil pengukuran dan perhitungan relative displacement r pada kerucut antara ball head dengan stem ditunjukkan pada gambar 2.2. Pada analisis FE (Finite Element) perbedaan koefisien gesek antara stem dengan ball head diperhitungkan sebanyak: 0,2, 0,35, dan 0,5.

Gambar 2.2 . Hasil pengukuran dan perhitungan relative displacement r pada kerucut antara ball head dengan stem pada kasus beban statis yang

melawan 100º cone (Weisse, dkk., 2003)

Y.S. Zhou (1997) melakukan penelitian tentang perbandingan friction properties dari empat material untuk joint replacement. Gambar 2.3.a dan 2.3.b menunjukkan start up friction dengan empat material dengan resting time pada pembebanan 40 N dan 120 N secara berturut-turut. Resting time

mempunyai suatu pengaruh pada start up friction dari alumina pada alumina,

silicon carbide pada silicon carbide, dan silicon nitride pada silicon nitride. Bagaimanapun, itu berpengaruh pada start up friction dari zirconia pada

zirconia. Sebagai tambahan, resting time mempunyai pengaruh yang berbeda pada start up friction pada perbedaan pembebanan.

(a)

(b)

Gambar 2.3.(a) Start up friction dari empat material dengan resting time

(lubricant, CMC-Na wt.% water solution; load 40 N). (b) Start up friction dari empat material dengan resting time (lubricant, CMC - Na wt. %

(a)

(b)

Gambar 2.4.(a) Start up friction dari empat material dengan load (lubricant,

CMC-Na wt.% water solution; resting time 3 s) (b) Start up friction dari empat material dengan load (lubricant, CMC-Na wt.% water solution; resting time

300 s) (Zhou, dkk., 1997)

H.G. Richter dan G Willmann (1997) menyatakan bahwa reliabilitas dari komponen untuk total hip endoprosthesis untuk perhitungan finite element

(gambar 2.5 .a) dan eksperimen menunjukkan bahwa kedua taper material dan struktur permukaannya mempunyai pengaruh penting pada kemampuan menahan beban pada ball head/stem (gambar 2.5 .b).

(a)

(b)

Gambar 2.5.(a) Finite element analysis dari distribusi tegangan pada hip joint head. (b) Pengaruh dari taper material dan struktur permukaan pada kemampuan menahan beban dari ball/stem (Richter dan Willmann, 1997)

Situasi dua bounderline harus dihindari. Area kontak pada bagian akhir pada taper yang mana lebih dekat pada kubah tidak harus semua kecil. Pada sisi lain, sudut dari metal taper tidak harus menjadi sangat besar seperti lapisan pelindung kontak antara taper dan ball to the rim pada ball opening. Ini berarti keduanya sangat membutuhkan toleransi.

Eksperimen ini menunjukkan bahwa kemampuan menahan beban pada

ball head betul-betul tergantung pada material. Titanium, secara umum, menunjukkan kemampuan yang lebih tinggi untuk menahan beban ball head

tambahan, struktur ujung permukaan sangat berpengaruh terhadap kemampuan menahan beban.

2.2. Landasan teori

2.2.1. Tulang-tulang anggota gerak 2.2.1.1. Tulang-tulang lengan

Tulang-tulang lengan dan tangan manusia terdiri dari beberapa bagian yaitu: skapula, klavikula, humerus, ulnaris, ossa kalpalia, ossa metakarpalia, dan phalanges seperti terlihat pada gambar 2.6.

Gambar 2.6. Tulang-tulang lengan dan tangan dilihat dari depan (Gibson,1995)

Keterangan gambar:

- Skapula adalah tulang segitiga datar yang membentuk bagian dari korset bahu.

- Klavikula adalah tulang kolar yang hampir menyerupai huruf S yang melekat pada ujung medial kemanubrium sternum, pada ujung lateral ke processus acromiom dari skapula.

- Humerus adalah tulang panjang dengan kaput (ujung atas), korpus, dan ujung bawah.

- Radius adalah tulang pada sisi luar dari lengan bawah yang memiliki ujung proksimal dengan kaput, collum, dan tuberositas

(tempat melekatnya tendon dari otot bisep).

- Ulna adalah tulang panjang pada sisi dalam lengan bawah.

- Karpalia adalah tulang pergelangan yang terdiri dari delapan ruas tulang kecil yang tidak beraturan yang tersusun menjadi dua baris. - Metakarpal adalah lima ruas tulang pada tangan.

2.2.1.2. Tulang-tulang tungkai

Tulang-tulang tungkai manusia terdiri dari beberapa bagian yaitu os coxae, femur, patella, tibia, fibula, ostarsal, metatarsal, dan

Gambar 2.7. Tulang -tulang kaki dilihat dari depan (Gibson,1995) Keterangan gambar:

- Os coxae adalah tulang besar, kuat, dan merupakan tulang yang berbentuk tidak teratur.

- Femur adalah tulang panjang yang terdiri dari tiga bagian yaitu ujung atas, korpus, dan ujung bawah.

- Patela adalah tulang berbentuk segitiga kasar dengan sudut-sudut yang membulat dan bagian apeksnya meruncing kebawah.

2.2.2. Persendian dan pergerakan 2.2.2.1. Persendian

Persendian adalah kumpulan dari jaringan-jaringan yang menghubungkan antara dua tulang atau lebih, baik yang dapat bergerak maupun yang tidak bergerak. Beberapa persendian (misalnya pada lutut) mempunyai bantalan jaringan yang di antaranya seperti pada gambar 2.8.

Gambar 2.8. Struktur dasar persendian: (a) lutut, (b) pinggul (Gibson,1995)

Ada beberapa jenis persendian pada tulang manusia diantaranya:

(a)

1. Sendi hinge. Sendi hinge adalah sendi yang dapat menghasilkan pergerakan fleksi dan ekstensi, seperti pada siku.

2. Sendi bola dan soket. Pada sendi jenis ini, kaput salah satu tulang masuk ke dalam mangkuk tulang yang lainnya, seperti halnya pada sendi panggul.

3. Sendi kondiloid, yaitu suatu sendi hinge yang memungkinkan pergerakan lateral seperti persendian temporomandibular

(dagu).

4. Sendi plana. Sendi plana merupakan salah satu permukaan artikulasio tulang yang mempunyai bentuk plana, seperti persendian pada pergelangan.

2.2.2.2. Gerakan Persendian

Ada tiga macam pergerakan persendian pada tulang manusia, yaitu:

1. Glinding. Pada tipe ini pergerakan sendi dimulai dari salah satu permukaan yang berada di atas, sedangkan yang lain sebagai sendi bidang.

2. Flexi. Pergerakan flexi merupakan gerakan menurunkan sudut persendian, seperti halnya ketika melipat siku.

3. Ekstensi. Pergerakan ekstensi yaitu menambah besar sudut persendian, seperti halnya ketika meluruskan siku.

2.2.3. Hip joint

2.2.3.1. Hip joint yang normal

Hip joint adalah sambungan dari tulang-tulang yang menjadi tumpuan paling besar (weight bearing). Hip joint terdiri dari tiga bagian utama, yaitu: femur, femoralhead, dan rounded socked.

Gambar 2.9. Hip joint yang normal (www.nlm.nih.gov)

Di dalam hip joint yang normal (gambar 2.9) terdapat suatu jaringan yang lembut dan tipis yang disebut dengan selaput

synovial. Selaput ini membuat cairan yang melumasi dan hampir menghilangkan efek gesekan di dalam hip joint. Permukaan tulang juga mempunyai suatu lapisan tulang rawan (articular cartilage) yang merupakan bantalan lembut dan memungkinkan tulang untuk bergerak bebas dengan mudah. Lapisan ini mengeluarkan cairan yang melumasi dan mengurangi gesekan di dalam hip joint. Akibat gesekan dan gerak yang hampir terjadi setiap hari, maka articular cartilage akan semakin melemah dan bisa menyebabkan arthritis seperti ditunjukkan pada gambar 2.10.

Gambar 2.10. Hip arthritis (www.nlm.nih.gov) 2.2.3.2. Gaya-gaya yang terjadi saat berjalan

2.2.3.2.1. Gerakan oscillatory

Ketika berjalan, kaki (dan tangan) melakukan

gerakan berulang yang serupa bandul. Dengan

menggunakan observasi ini, kecepatan berjalan pada langkah alamiah dapat dihitung.

John R, Cameron (1999) menjelaskan bahwa besarnya amplitudo pada gerakan osilasi kecil, sementara periode bandul T= 2? (L/g)1/2, dimana g adalah gravitasi (lihat gambar 2.11). Untuk tipe kaki orang yang tingginya 2 m, panjang efektif kaki (Leff) = 0,2 m dan periode (T) = 0,9

s (lihat gambar 2.11).

Gambar 2.11.(a) Bandul sederhana dengan panjang L melakukan getaran amlitudo kecil. (b) Kaki saat berjalan juga berlaku seperti bandul (Cameron, dkk., 1999)

2.2.3.2.2. Gaya gesekan

Gaya gesekan terjadi bila tubuh melakukan gerakan, misalnya memegang tambang, berjalan, atau berlari. Penyakit pada tulang seperti seperti arthritis, akan menambah besarnya gesekan, dan lama-kelamaan akan mengakibatkan kerusakan permanen.

Ketika tumit seseorang menyentuh tanah saat berjalan, suatu gaya dari tanah mendesak kaki (gambar 2.12.a). Gaya dari tanah dapat diurai menjadi komponen horizontal dan vertikal. Gaya vertikal, yang didukuk ung oleh permukaan, diberi label N (suatu gaya tegak lurus dengan permukaan). Komponen horizontal FH didukung

oleh gaya gesek. Gaya gesek maksimum Ff biasanya

dijabarkan dengan:

Ff = ?N...(1)

Dengan :

?= Koefisien statis antara dua permukaan (dimana nilai koefisien gesekan sendi tulang berpelumas adalah 0,003).

N= Gaya tegak lurus dengan permukaan (Newton).

Dari hasil pengukuran telah didapatkan komponen gaya horizontal pada tumit saat menjejak tanah ketika seseorang berjalan yaitu: 0,15 W. Dimana W adalah berat tubuh (John R. Cameron, 1999).

Gambar 2.12.(a) Komponen gesek horizontal gaya FH

dan komponen vertikal gaya N dengan resultan R yang ada pada tumit pada saat menjejakkan tanah, memperlambat kaki dan tubuh. (b) ketika kaki

meninggalkan tanah komponen gesek gaya FH

mencegah kaki tergelincir ke belakang dan menyediakan gaya untuk mengakselerasikan tubuh ke depan (Cameron, dkk., 1999)

2.2.3.2.3. Gaya dinamis pada sendi pinggul

Ketika berjalan beban yang terjadi pada kaki, khususnya sendi pinggul, bersifat dinamis. Seperti ditunjukkan hasil penelitian Paul J. P (Adams, Direct measurement of local pressures in the cadaveric human hip joint during simulated level walking, 1985) dimana ia membagi proses sekali langkah dalam enam tahapan. Pada setiap tahapan beban yang terjadi tidak sama (dinamis), puncaknya saat beban tubuh tertumpu pada satu kaki. Dari penelitiannya juga dicantumkan waktu yang dibutuhkan untuk setiap tahapan, sementara waktu yang dibutuhkan untuk sekali langkah kurang lebih 7 detik (gambar 2.13).

Gambar 2.13. Besarnya gaya pada hip joint dan waktu yang dibutuhkan untuk sekali langkah (Adams, 1985) Sementara itu hasil pengukuran lainnya (gambar 2.14) menunjukkan besarnya gaya maksimum yang terjadi pada

hip joint prosthesis saat kaki berjalan dengan kecepatan normal sebesar 610 N (www.orthoload. com, akses: 20 Juli 2009). Dimana diletakkan suatu alat yang dapat mengukur besarnya gaya yang terjadi pada hip joint baik gaya vertikal (Fz), gaya arah depan (Fx), gaya arah ke

Gambar 2.14. Hasil pengukuran besarnya gaya pada hip joint prosthesis kaki kiri seorang pria dengan berat 62 kg dengan waktu sekitar 1.2 detik untuk sekali langkah (www.orthoload.com) Sewaktu berjalan terdapat saat ketika hanya satu kaki yang menjejak tanah dan pusat gravitasi tubuh terletak pada kaki tersebut. Gambar 15 menunjukkan gaya yang paling penting yang terjadi pada kaki tersebut. Dimana gaya itu adalah:

1. Gaya vertikal ke atas pada kaki, setara dengan berat tubuh W;

2. Berat kaki WL, yang rata -rata setara dengan W/7; 3. R, gaya reaksi antara femur dan pinggul sebesar

2,4W;

4. T, tekanan pada kelompok otot antara pinggul dan

menyediakan gaya untuk menjaga tubuh tetap seimbang yang besarnya 1,6W.

Gambar 2.15. Suatu diagram yang menunjukkan rata-rata gaya dan dimensi (dalam cm) untuk pinggul-kaki di bawah beragam kondisi (Cameron, dkk., 1999)

Dari gambar 2.15 di atas dapat dijelaskan sebagai berikut: (a).Ketika seseorang berdiri di atas satu kaki. Gaya

vertikal ke atas merupakan berat W seseorang. Berat kaki WL diambil menjadi W/7 dan sudut otot

abductor pinggul yang diindikasikan dengan T adalah sebesar 700. R adalah gaya raksi antara pinggul dan kepala femur (sendi pinggul).

(b).Ketika sendi pinggul maupun otot abductor terluka, tubuh bungkuk ke arah cg melalui pusat femur dan pusat kaki, yang kemudian mengurangi gaya reaksi R dan gaya otot abductor. Gaya reaksi rata -rata setara dengan berat tubuh di atas sendi ditambah kaki yang lain atau (6/7)W.

(c). Ketika tongkat dipergunakan, gaya abductor T dan gaya reaksi R pada kepala femur berkurang cukup besar. Gaya ke atas Fc = W/6 memberikan T?

0,65W dan R? 1,3W.

2.2.3.2.3.Sistem koordinat pada sendi pinggul

Komponen-komponen arah beban pada sendi pinggul ditulis dengan -Fx, -Fy, -Fz dengan suatu tanda

yang negatif. Nilai-nilai gaya positif menandai (adanya)

aksi komponen-komponen terhadap femoral head.

Tegangan ke arah atas ditulis dengan Fz, sementara

beban arah depan dengan Fx dan beban arah samping

dengan Fy.

Gambar 2.16. Sistem koordinat pada tulang paha kiri (www.orthoload.com)

2.2.4. Gambaran umum tentang hip joint replacement 2.2.4.1. Indikasi dan proses hip joint replacement

Gambar-gambar di bawah menunjukkan gambaran tentang hip joint yang normal serta indikasi terjadinya radang sendi dan

tahapan-tahapan proses hip replacement sampai hasil hip

replacement.

Gambar 2.17. Hip joint yang normal (www.nlm.nih.gov). Gambar 2.17 menunjukkan anatomi hip joint yang normal.

Femoral head masih memiliki articular cartilage yang baik, dimana masih mampu mengeluarkan cairan yang melumasi dan mengurangi efek gesekan pada sambungan sendi.

Pada gambar 2.18 terlihat bahwa articular cartilage pada

femoral head telah berkurang, hal inilah yang menyebabkan

terjadinya radang sendi.

Gambar 2.19 dan 2.20 adalah gambaran tentang penggantian sambungan tulang pinggul dengan sambungan tulang pinggul tiruan (hip joint prosthesis). Gambar 2.18 menunjukkan pemotongan tulang

femur, yang kemudian diganti dengan hip joint prosthesis dengan cara menanam stem pada tulang femur dan cup pada acetabulum, seperti terlihat pada gambar 2.19.

Gambar 2.19. Pemotongan tulang femur (www.nlm.nih.gov)

Gambar 2.20. Pemasangan hip joint prosthesis

Gambar 2.21 menunjukkan perbandingan antara hip joint yang belum dilakukan penggantian sambungan tulang dan setelah dilakukan penggantian tulang.

Gambar 2.21. Hip joint sebelum dan sesudah dilakukan hip replacement (www.nlm.nih.gov)

2.2.5. Desain hip joint prosthesis

Hip joint prosthesis terdiri dari empat bagian(gambar 2.22): 1. Cup. Cup berfungsi untuk menggantikan hip socket. Cup

umumnya terbuat dari plastik, keramik, atau metal.

2. Metal ball head, yang akan menggantikan fractured head dari femur.

3. Stem (batang metal) yang terkait dengan batang tulang untuk menambahkan stabilitas hip joint prosthesis.

Gambar 2.22. Hip joint prosthesis (Suhendra, 2005) Keterangan:

A. Cup

B. Ball head

C. Stem

D. Batang

2.2.6. Variabel proses hip joint prosthesis

Terdapat beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam melakukan simulasi hip joint antara lain:

1. Gesekan

Pada saat simulasi hip joint prosthesis berlangsung, besarnya gesekan antara permukaan stem dengan ball head bagian dalam dan ball head bagian luar dengan cone akan mempengaruhi penyaluran tegangan dan hasil dari produk ya ng dibuat.

2. Kekuatan material

Material hip yang mempunyai kekuatan elastisitas maksimum yang besar mampu menahan tegangan yang lebih besar sehingga produk tidak mudah mengalami deformasi, sedangkan material dengan kekuatan elastisitas maksimum yang kecil akan mudah mengalami cacat.

2.2.7. Material untuk hip joint prosthesis

Material yang digunakan untuk hip joint prosthesis umumnya terbuat dari bahan keramik pada bagian ball head-nya. Bahan keramik yang sering digunakan adalah alumina, silicon, carbide, silicon nitride , dan

zirconia. Tabel 2.1 menunjukkan sifat-sifat dari keempat material tersebut. Tabel 2.1. Sifat-sifat alumina, silicon carbide, silicon nitride, dan

zirconia (Weisse, 1997)

Sementara itu untuk bahan stem dan cone serta bahan ball head yang lain bisa dilihat pada tabel 2.2.

Tabel 2.2. Sifat-sifat material untuk ball head, stem, dan cone (Weisse dkk.,2003)

2.2.7.1. Aluminium oksida (alumina)

Aluminium oksida adalah sebuah senyawa kimia dari aluminium dan oksigen, dengan rumus kimia Al2O3. Nama mineralnya adalah

alumina, dan dalam bidang pertambangan, keramik dan teknik material senyawa ini lebih banyak disebut dengan nama alumina.

Aluminium oksida berperan penting dalam ketahanan logam aluminium terhadap perkaratan dengan udara. Logam aluminium sebenarnya amat mudah bereaksi dengan oksigen di udara. Aluminium bereaksi dengan oksigen membentuk aluminium oksida, yang terbentuk sebagai lapisan tipis yang dengan cepat menutupi permukaan aluminium. Lapisan ini melindungi logam aluminium dari oksidasi lebih lanjut. Ketebalan lapisan ini dapat ditingkatkan melalui proses anodisasi. Beberapa alloy (paduan logam), seperti perunggu aluminium, memanfaatkan sifat ini dengan menambahkan aluminium pada alloy untuk meningkatkan ketahanan terhadap korosi.

Al2O3 yang dihasilkan melalui anodisasi bersifat amorf, namun

beberapa proses oksidasi seperti plasma electrolytic oxydation

menghasilkan sebagian besar Al2O3 dalam bentuk kristalin, yang

meningkatkan kekerasannya.

Secara alami, aluminium oksida terdapat dalam bentuk kristal

corundum. Batu mulia rubi dan sapphire tersusun atas corundum

dengan warna-warna khas yang disebabkan oleh karena kadar ketidakmurnian dalam struktur corundum.

Aluminium oksida merupakan komponen dalam bijih bauksit aluminium yang utama. Bijih bauksit terdiri dari Al2O3, Fe2O3, dan

SiO2 yang tidak murni. Campuran ini dimurnikan terlebih dahulu

melalui Proses Bayer dengan reaksi seperti di bawah:

Al2O3 + 3H2O + 2NaOH + panas ? 2NaAl(OH)4

Fe2O3 tidak larut dalam basa yang dihasilkan, sehingga bisa

dipisahkan melalui penyaringan. SiO2 larut dalam bentuk silikat

Si(OH)62-. Ketika cairan yang dihasilkan didinginkan, maka akan

terjadi endapan Al(OH)3, sedangkan silikat masih larut dalam cairan

tersebut. Al(OH)3 yang dihasilkan kemudian dipanaskan seperti

reaksi di bawah:

2Al(OH)3 + panas ? Al2O3 + 3H2O

Al2O3 yang terbentuk adalah alumina.

Data dari www.wikipedia.org (28 Maret 2009) menyatakan bahwa setiap tahunnya, 45 juta ton alumina digunakan, lebih dari 90%-nya digunakan dalam produksi logam aluminium. Aluminium hidroksida digunakan dalam pembuatan bahan kimia pengelolaan air seperti aluminium sulfat, polialuminium klorida, dan natrium aluminat. Berton-ton alumina juga digunakan dalam pembuatan zeolit, pelapisan pigmen titania dan pemadam api. Alumina

merupakan insulator listrik, tetapi memiliki konduktivitas termal yang relatif tinggi

2.2.7.2. Silicon carbide

Silicon carbide (SiC, dan juga disebut dengan carborundum) adalah persenyawaan dari silicon dan karbon. Biasanya SiC merupakan senyawa sintetis yang digunakan secara luas sebagai bahan abrasif. Silicon carbide juga terbentuk secara alamiah di alam sebagai mineral yang teramat la ngka yang disebut dengan

moissanite. Bijih silicon carbide diikat bersama dengan disinter untuk dapat membentuk keramik yang sangat keras.

Karena jarang terdapat moissanite alami, silicon carbide pada umumnya merupakan buatan manusia. Kebanyakan sering digunakan sebagai bahan abrasif, semikonduktor dan sebagai berlian tiruan dengan kualitas seperti aslinya. Proses fabrikasi yang sederhana adalah dengan mengkombinasikan pasir silika dan karbon dalam tungku grafit tahanan listrik Acheson pada temperatur yang tinggi (1600°C dan 2500°C).

Material ini terbentuk di dalam tungku Acheson dengan tingkat kemurnian yang bervariasi tergantung pada jaraknya dari sumber panas resistor grafit. Kristal yang tidak berwarna, kuning pucat, dan hijau memiliki kemurnian yang paling tinggi dan ditemukan paling dekat dengan resistor. Perubahan warna menjadi biru dan hitam akan ditemukan pada jarak yang lebih jauh dari resistor, dan kristal-kristal gelap itu kurang murni.

Silicon carbide yang ada sedikitnya terdiri dari 70 bentuk kristal.

dijumpai; yang terbentuk pada temperatur lebih dari 2000°C dan memiliki struktur kristal heksagonal (serupa dengan Wurtzite). Modifikasi beta (ß-SiC), dengan suatu struksur kristal batuan seng (serupa dengan berlian), terbentuk pada temperatur di bawah 2000°C.

Silicon carbide memiliki massa jenis 3,2 g/cm³, dan

memiliki temperatur sublimasi (kira-kira 2700°C). Inilah yang

membuatnya berguna untuk bearing dan komponen tanur.

SiC memiliki koefisien muai termal yang sangat rendah (4,0 ×

10-6/K) dan dialami tanpa peralihan fase yang akan

menyebabkan diskontinyunitas pada ekspansi panas.

www.wikipedia.org (11 April 2009) menyatakan bahwa silicon carbide memiliki ketahanan alami terhadap oksidasi.

Sekarang, material ini telah dikembangkan menjadi keramik untuk teknik dengan tingkat mutu yang tinggi dengan sifat-sifat mekanik yang sangat bagus. Material ini juga digunakan untuk bahan-bahan abrasif, bahan-bahan tahan pecah, keramik, dan banyak kegunaan untuk aplikasi lainnya.

Material ini dapat juga digunakan sebagai konduktor listrik dan untuk aplikasi-aplikasi yang membutuhkan ketahanan terhadap panas, pemantik nyala api, dan komponen-komponen elektronik. Aplikasi yang berkaitan dengan struktur dan pemakaian material ini terus dikembangkan hingga saat ini.

Sifat-sifat utama silicon carbide:

? Massa jenisnya rendah

? Kekuatannya tinggi

? Ekspansi panasnya rendah

? Penghantar panas yang baik

? Kekerasannya tinggi

? Modulus elastisitasnya tinggi

? Ketahanannya terhadap thermal shock sangat tinggi

? Ketahanannya terhadap reaksi kimia sangat bagus.

2.2.7.3. Silicon nitride

Silicon nitride (Si3N4) merupakan senyawa buatan manusia

yang digabungkan menjadi satu melalui beberapa metode reaksi kimia. Bagian-bagian di-press dan disinter dengan metode yang dikembangkan dengan baik untuk menghasilkan sebuah keramik dengan sifat-sifat yang unggul. Keberadaan silicon nitride di alam terbatas pada batu meteorit, di mana hal itu merupakan kejadian yang sangat jarang terjadi.

Material ini memiliki warna mulai dari gelap kelabu sampai hitam dan dapat dibuat mengkilat sehingga menjadi permukaan halus yang memantulkan cahaya. Silicon nitride dengan performa yang tinggi telah dikembangkan untuk dipakai sebagai komponen mesin otomotif, seperti katup dan cam pengikut.

Sifat –sifat utama:

? Kekuatannya yang sangat tinggi pada rentang temperatur yang luas

? Ketangguhannya yang tinggi terhadap retak

? Kekerasannya tinggi

? Ketahanan yang tinggi terhadap pemakaian, baik terhadap tumbukan maupun akibat gesekan

? Ketahanan yang baik terhadap kejutan panas

? Ketahanan yang baik terhadap bahan kimia

Silicon nitride (Si3N4) adalah zat padat yang keras. Zat ini

adalah komponen utama keramik silicon nitride yang mempunyai ketahanan kejut yang baik dan sifat-sifat mekanik serta panas yang baik dibandingkan dengan keramik jenis yang lain.

Silicon nitride dapat diperoleh dengan reaksi langsung antara

silicon dengan nitrogen pada temperatur yang tinggi. Silicon nitride

juga dibentuk dengan menggunakan CVD (chemical vapor

deposition), atau satu di antara jenis-jenis ini, seperti PECVD

(plasma-enhanced chemical vapor deposition).

Ada tiga jenis struktur kristalografik dari silicon nitride, yaitu fase a, fase ß, dan fase ?. Fase a and ß merupakan bentuk Si3N4 yang

paling umum, dan dapat diproduksi pada kondisi di bawah tekanan normal. Fase ? hanya dapat disatukan di bawah tekanan dan temperatur yang tinggi dan mendapatkan kekerasannya pada 35 GPa.

Sebagiaan besar monolithic silicon nitride digunakan sebagai material untuk alat potong, kaitannya dengan kekerasannya, stabilitas panasnya, dan ketahannya untuk digunakan. Material ini secara khusus disarankan untuk permesinan berkecepatan tinggi pada besi cor. Pada permesinan baja, material ini selalu dilapisi dengan titanium nitride untuk meningkatkan ketahanan kimianya.

Silicon nitride memiliki massa molar 140,28 g/mol, massa jenis 3.44 g/cm3, dan titik leleh 1900°C.

2.2.7.4. Stainless steel

Stainless steel merupakan baja paduan yang mengandung minimal 10.5% Cr. Sedikit saja stainless steel yang mengandung lebih dari 30% Cr atau kurang dari 50% Fe. Karakteristik khusus

stainless steel adalah pembentukan lapisan film kromium oksida (Cr2O3). Lapisan ini berkarakter kuat, tidak mudah pecah dan tidak

terlihat secara kasat mata. Lapisan kromium oksida dapat terbentuk kembali jika lapisan rusak dengan kehadiran oksigen. Pemilihan

stainless steel didasarkan atas sifat-sifat materialnya antara lain ketahanan korosi, fabrikasi, mekanik, dan biaya produk.

Umumnya berdasarkan paduan unsur kimia dan persentasi,

stainless steel dibagi menjadi lima kategori (Gadang Priyotomo, 2007). Lima kategori tersebut yaitu:

2.2.7.4.1. Stainless steel martensitik

Baja kategori ini merupakan paduan kromium dan karbon yang memiliki struktur martensit body-centered cubic

(bcc) yang terdistorsi saat kondisi bahan dikeraskan. Baja ini merupakan ferromagnetic, bersifat dapat dikeraskan dan umumnya tahan korosi di lingkungan yang kurang korosif. Kandungan kromium umumnya berkisar antara 10,5 – 18%, dan karbon melebihi 1,2%. Kandungan kromium dan karbon dijaga untuk mendapatkan struktur martensit saat proses pengerasan. Karbida berlebih meningkatkan ketahanan aus. Unsur niobium, silicon, tungsten, dan vanadium ditambah untuk memperbaiki proses temper setelah proses pengerasan. Sedikit kandungan nikel meningkatkan ketahanan korosi dan ketangguhan.

2.2.7.4.2. Stainless steel feritik

Baja jenis ini mempunyai struktur body centered cubic

(bcc). Unsur kromium ditambahkan ke dalam paduan sebagai penstabil ferit. Kandungan kromium umumnya berada pada kisaran 10,5 – 30%. Beberapa tipe baja mengandung unsur

molybdenum, silicon, aluminium, titanium, dan niobium. Unsur sulfur ditambahkan untuk memperbaiki sifat mampu mesin. Paduan ini merupakan feromagnetik dan mempunyai sifat ulet dan mampu bentuk baik namun kekuatan di lingkungan suhu tinggi lebih rendah dibandingkan stainless steel austenitik.

Kandungan karbon yang rendah pada baja feritik menyebabkannya tidak dapat dikeraskan dengan perlakuan panas. Sifat mampu las, keuletan, dan ketahanan korosi dapat ditingkatkan dengan mengatur kandungan tertentu dari unsur karbon dan nitrogen.

2.2.7.4.3. Stainless steel austenitik

Stainless steel austenititk merupakan paduan logam besi-krom-nikel yang mengandung 16-20% kromium, 7 - 22% dari berat nikel, dan nitrogen. Logam paduan ini merupakan paduan berbasis ferrous dan struktur kristal face centered cubic (fcc). Struktur kristal akan tetap berfasa austenit bila unsur nikel dalam paduan diganti dengan mangan (Mn) karena kedua unsur merupakan penstabil fasa austenit.

Stainless steel austenitik tidak dapat dikeraskan melalui perlakuan celup cepat (quenching). Umumnya jenis baja ini dapat tetap dijaga sifat austenitiknya pada temperatur ruang, lebih bersifat ulet dan memiliki ketahanan korosi lebih baik dibandingkan stainless steel ferritik dan martensit.

Stainless steel austenitik hanya bisa dikeraskan melalui pengerjaan dingin. Material ini mempunyai kekuatan tinggi di lingkungan bersuhu tinggi dan bersifat cryogenic. Unsur

molybdenum, tembaga, silicon, aluminium, titanium dan

niobium ditambah dengan karakter material tertentu seperti ketahanan terhadap korosi atau oksidasi.

Salah satu jenis stainless steel austenitik adalah AISI 304. Baja austenitik ini mempunyai struktur kubus satuan bidang (face center cubic atau fcc) dan merupakan baja dengan ketahanan korosi yang tinggi. Komposisi unsur-unsur pemadu yang terkandung dalam AISI 304 akan menentukan sifat mekanik dan ketahanan korosi. Baja AISI 304 mempunyai kadar karbon sangat rendah 0,08% dari berat. Kadar kromium berkisar 18 - 20% dari berat dan nikel 8 - 10,5% dari berat. Kadar kromium cukup tinggi membentuk lapisan Cr2O3 yang protektif untuk meningkatkan ketahanan

korosi.

2.2.7.4.4. Stainless steel dupleks

Jenis baja ini merupakan paduan campuran struktur ferit (bcc) dan austenit. Umumnya paduan-paduan itu didesain mengandung kadar seimbang untuk tiap fasa saat kondisi anil. Paduan utama material adalah kromium dan nikel, tapi nitrogen, molybdenum, tembaga, silicon dan tungsten

ditambah untuk menstabilkan struktur dan untuk memperbaiki sifat tahan korosi. Ketahanan korosi stainless steel dupleks hampir sama dengan stainless steel austenitik. Kelebihan

stainless steel dupleks yaitu nilai tegangan tarik dan luluh tinggi dan ketahanan korosi retak tegang lebih baik daripada stainless steel austenitik. Ketangguhan stainless steel

2.2.7.4.5. Stainless steel pengerasan endapan

Jenis baja ini merupakan paduan unsur utama kromium-nikel yang mengandung unsur precipitation-hardening antara lain tembaga, aluminium, atau titanium. Baja ini berstruktur austenitik atau martensitik dalam kondisi anil. Kondisi baja berfasa austenitik dalam keadaan anil dapat diubah menjadi fasa martensit melalui perlakuan panas. Kekuatan material melalui pengerasan endapan pada struktur martensit.

2.2.7.5. Titanium

Titanium mempunyai ketahanan korosi sangat baik, hampir serupa dengan ketahanan korosi baja tahan karat. Titanium sendiri merupakan suatu logam yang aktif, tetapi titanium membentuk lapisan pelindung yang halus pada permukaannya yang mencegah terjadinya korosi ke dalam. Ketika titanium dipanaskan di udara, maka akan terjadi lapisan kulit TiO, Ti2O dan TiO2, sedangkan

hidrogen yang terbentuk dari uap air di udara di-absorb oleh

titanium. Selanjutnya O dan N, juga di-absorb oleh titanium. Inilah yang menyebabkan titanium menjadi keras. Titanium akan menjadi getas bila dipanaskan pada atau diatas temperatur 700ºC. Oleh karena itu pemanasan titanium di udara harus dilakukan secara hati-hati.

Dilihat dari struktur mikronya paduan titanium terbagi atas fasa a, fasa a+ß, dan fasa ß.

2.2.7.5.1. Paduan titanium fase a

Paduan Ti-5%Al-2,5%Sn adalah paduan fasa a yang khas yang mempunyai keuletan cukup dan mampu las yang baik dan kekuatan melar yang tinggi sampai kira-kira 500ºC. Paduan-paduan titanium terutama yang mempunyai larutan padat interstisi rendah dari atom C, N, O, dan sebagainya, baik dipakai sebagai komponen-komponen mesin dan untuk penggunaan di bidang kriogenik. Keuletan dan kekuatan yang tinggi dari titanium dapat bertahan hingga temperatur -253ºC.

Paduan Ti-8%Al-1%Mo-1%V telah dikembangkan agar dapat bertahan secara baik pada temperatur yang tinggi, baik kekuatannya maupun kekuatan melarnya. Paduan ini merupakan paduan terbaik di antara paduan fasa a dan fasa a+ß. Oleh karena itu proses penganilan dilakukan dua tahap agar tingkat keuletannya pada temperatur rendah dapat diperbaiki.

2.2.7.5.2. Paduan titanium fasa a+ß

Paduan Ti-6%Al-4%V adalah paduan tipikal dari jenis fasa a+ß yang banyak digunakan. Paduan jenis ini mempunyai kekuatan pada temperatur tinggi, tetapi di bawah temperatur 150ºC keuletannya akan menurun. Paduan Ti-4%Al-3%Mo-1%V adalah juga paduan yang

banyak digunakan. Paduan ini sangat baik kekuatan dan mampu bentuknya.

2.2.7.5.3. Paduan titanium fasa ß

Paduan Ti-13%V-11%Cr-3%Al adalah salah satu dari paduan fasa ß. Kekuatan yang tinggi dan perbandingan batas mulurnya bertahan sampai kira-kira pada temperatur 400ºC. Paduan ini memiliki kekuatan yang lebih baik pada daerah temperatur tersebut dibandingkan dengan baja 4340 (Ni-Cr-M0), baja tahan karat, dan paduan aluminium .

2.2.7.6. Zirconia (zirconium oxide)

Zirconia adalah material yang sangat keras. Zirconia

menunjukkan kelambanannya terhadap korosi dan terhadap bahan kimia pada temperatur di atas titik leleh alumina. Material ini memiliki konduktivitas termal yang rendah. Konduktivitas listriknya di atas 600°C dan digunakan sebagai sel sensor oksigen dan sebagai suspector (pemanas) pada tanur induksi temperatur tinggi. Sifat-sifat utama zirconia:

1. Dapat digunakan hingga temperatur 2400°C 2. Massa jenisnya tinggi

3. Konduktivitas termalnya rendah

4. Kelambanan bereaksi terhadap bahan kimia 5. Tahan terhadap logam cair

7. Ketahanan terhadap patah yang tinggi 8. Kekerasannya tinggi

Zirconia terdiri dari tiga fase kristal pada temperatur yang berbeda. Pada temperatur yang sangat tinggi (>2370°C) material ini memiliki struktur kubus. Pada temperatur menengah (1170 - 2370°C) material ini memiliki struktur tetragonal. Pada temperatur yang rendah (di bawah 1170°C) material ini berubah ke dalam struktur monoklinik. Transformasi dari tetragonal ke monoklinik berlangsung cepat dan disertai oleh tiga sampai lima persen peningkatan volume yang menyebabkan terjadinya cracking yang luas pada material. Perilaku ini menghancurkan sifat-sifat material selama komponen dibuat (selama pendinginan) dan membuat

zirconia yang murni menjadi tidak berguna untuk seluruh aplikasi secara struktur maupun secara mekanik. Beberapa oksida yang pecah dari zirconia dalam struktur kristal zirconia dapat melambat atau menghilangkan struktur kristal ini. Umumnya digunakan zat tambahan yang efektif seperti MgO, CaO, dan Y2O3. Dengan

sejumlah zat tambahan yang cukup, struktur kubus temperatur tinggi dapat dipertahankan pada temperatur ruang. Zirconia yang berstruktur kubus merupakan material yang sangat kuat karena material ini tidak melalui fase transisi yang merusak selama proses pemanasan dan pendinginan.

Ada bermacam jenis tipe zirconia seperti yang ditunjukkan pada tabel 2.3. Sementara itu sifat-sifat khusus dari tipe zirconia

tersebut ditunjukkan pada tabel 2.4.

Tabel 2.3. Macam-macam tipe zirconia (www.azom.com)

Material Singkatan

Tetragonal Zirconia Polycrystals TZP

Partially Stabilised Zirconia PSZ

Fully Stabilised Zirconia FSZ

Transformation Toughened Ceramics TTC

Zirconia Toughened Alumina ZTA

Transformation Toughened Zirconia TTZ

Tabel 2.4. Sifat-sifat khusus berbagai tipe zirconia

(www.azom.com)

Sifat-sifat Y-TZP

Ce-TZP ZTA Mg-PSZ 3Y20A

Density (g.cm-3)

6.05 6.15 4.15 5.75 5.51

Kekerasan

(HV30) 1350 900 1600 1020 1470

Young,s

modulus (GPa) 205 215 380 205 260

Poisson’s ratio

0.3 - - 0.23 -

Fracture toughness

(Mpa.m-1/2)

9.5 15-20 4-5 8-15 6

2.3. Teori Elastisitas

Simulasi hip joint prosthesis perlu memperhatikan sifat mekanik yang dimiliki material dalam pelaksanannya . Sifat mekanik yang dimiliki material

antara lain: kekuatan (strength), keliatan (ductility), kekerasan (hardness),

dan kekuatan lelah (fatique). Sifat mekanik material didefinisikan sebagai ukuran kemampuan material untuk mendistribusikan dan menahan gaya serta tegangan yang terjadi. Proses pembebanan, struktur molekul yang berada dalam ketidaksetimbangan, dan gaya luar yang terjadi akan mengakibatkan material mengalami tegangan.

Sebuah material yang dikenai beban atau gaya akan mengalami deformasi, pada pembebanan di bawah titik luluh deformasi akan kembali hilang. Hal ini disebabkan karena material memiliki sifat elastis (elastic zone). Jika beban ditingkatkan sampai melewati titik luluh (yield point), maka deformasi akan terjadi secara permanen atau terjadi deformasi plastis

(plastic deformation). Jika beban ditingkatkan hingga melewati tegangan maksimal, maka material akan mengalami patah (Timoshenko, 1986).

2.3.1. Tegangan (stress)

Tegangan adalah besaran pengukuran intensitas gaya atau reaksi dalam yang timbul persatuan luas. Tegangan menurut Marciniak (2002) dibedakan menjadi dua yaitu engineering stress dan true stress.

Engineering stress dapat dirumuskan sebagai berikut:

?eng = 0

A F

...(2)

dengan:

?eng = Engineering stress (MPa)

F = Gaya (N)

Sedangkan true stress adalah tegangan hasil pengukuran intensitas gaya reaksi yang dibagi dengan luas permukaan sebenarnya (actual). True stress dapat dihitung dengan:

s = A F

...(3)

dengan:

s = True stress ( MPa) F = Gaya (N)

A = Luas permukaan sebenarnya (mm2)

Tegangan normal dianggap positif jika menimbulkan suatu tarikan

(tensile) dan dianggap negatif jika menimbulkan penekanan

(compression).

2.3.2. Regangan (strain)

Regangan didefinisikan sebagai perubahan panjang material dibagi panjang awal akibat gaya tarik ataupun gaya tekan pada material. Apabila suatu spesimen struktur material diikat pada penjepit di mesin penguji dan beban serta pertambahan panjang spesifikasi diamati secara serempak, maka dapat digambarkan pengamatan pada grafik dimana ordinat menyatakan beban dan absis menyatakan pertambahan panjang. Batasan sifat elastis perbandingan regangan dan tegangan akan linier dan akan berakhir sampai pada titik mulur. Hubungan tegangan dan regangan tidak lagi linier pada saat material mencapai batasan fase sifat plastis.

LAMPIRAN 1. Dari

www.orthoload.com

Data File: EBL5078A.AKF Measurement Programm: 5.0.9

---MEASURING INFOS---

Diagram Title #1 Forces at Hip Joint

Diagram Title #2 Relative to Femur

Comment #1 HIP JOINT Walking free; Velocity: normal

Comment #2 Pat.: EBL, left Side, 47 Month PO

BodyWeight [N]: 610.0 Implant Type: Hip Joint

Axes Directions X, Y, Z: Medial, Anterior, Superior

Axes Origin: Center of Femoral Head

Angle of Rotation (Deg): Z = 5.0 X = 10.0 Y = 0.0

Displacement X, Y, Z (mm): 0.0 0.0 0.0

Activity Code: HIPJOINT 1P_1_7_1 2P_1_3_1

---DATA--- Number of Data Sets = 2257

Number of analog channels = 0

Time-Offset(sec) = -0.04

Max. Force (N, sec): 2124.55 6.227

Time -Fx -Fy -Fz Fres

[s] [N] [N] [N] [N]

0.000 00131.81 00047.27 00094.96 00169.19

0.005 00133.05 00046.76 00098.14 00171.81

0.009 00134.69 00046.08 00102.39 00175.36

0.014 00136.89 00045.17 00108.05 00180.15

0.018 00139.31 00044.47 00114.59 00185.79

0.023 00141.65 00043.92 00122.03 00192.06

0.027 00143.60 00043.47 00130.49 00198.84

0.032 00145.31 00043.08 00139.66 00206.10

0.036 00146.93 00042.73 00149.79 00214.13

0.041 00148.59 00042.38 00160.72 00222.95

0.045 00150.44 00042.00 00172.83 00232.95

0.050 00152.62 00041.05 00186.14 00244.19

0.054 00154.82 00039.46 00200.21 00256.14

0.059 00156.70 00037.60 00214.70 00268.45

0.063 00158.42 00035.32 00229.29 00280.92

0.068 00160.12 00032.42 00244.18 00293.79

0.072 00161.95 00029.17 00259.08 00306.93

0.077 00164.06 00025.81 00273.72 00320.16

0.081 00166.12 00022.56 00287.78 00333.05

0.086 00167.79 00019.67 00301.94 00345.99

0.090 00169.71 00017.41 00316.34 00359.41

0.095 00172.06 00015.58 00330.68 00373.09

0.099 00174.51 00014.54 00344.61 00386.55

0.104 00177.26 00014.20 00357.78 00399.54

0.108 00180.56 00014.54 00369.75 00411.74

0.113 00184.16 00015.58 00380.51 00423.02

0.118 00188.36 00017.41 00389.94 00433.40

0.122 00193.01 00019.67 00398.32 00443.05

0.131 00203.20 00024.74 00412.59 00460.58

0.136 00209.08 00027.45 00419.16 00469.22

0.140 00215.09 00029.92 00425.09 00477.35

0.145 00221.24 00032.33 00430.85 00485.41

0.149 00227.53 00034.90 00437.45 00494.31

0.154 00233.97 00037.32 00445.93 00504.96

0.158 00239.57 00039.81 00457.00 00517.52

0.163 00244.80 00042.56 00472.10 00533.49

0.168 00249.59 00045.82 00491.47 00553.11

0.172 00254.34 00049.33 00515.70 00577.12

0.177 00259.95 00052.88 00544.27 00605.47

0.181 00266.38 00056.27 00577.02 00638.02

0.186 00274.67 00059.26 00613.63 00674.91

0.191 00285.02 00061.59 00653.09 00715.23

0.195 00297.76 00062.96 00695.63 00759.29

0.200 00312.95 00063.99 00740.22 00806.20

0.204 00329.82 00065.26 00786.51 00855.36

0.209 00348.25 00067.40 00834.29 00906.57

0.214 00367.75 00070.58 00882.98 00959.10

0.218 00387.39 00075.07 00931.53 01011.66

0.223 00407.28 00080.73 00979.43 01063.81

0.228 00427.57 00087.53 01026.10 01115.06

0.233 00447.40 00095.01 01070.83 01164.42

0.237 00466.38 00102.78 01113.31 01211.42

0.242 00484.08 00110.48 01153.50 01255.82

0.247 00500.42 00118.23 01191.71 01297.91

0.252 00515.77 00125.67 01228.07 01337.89

0.256 00530.39 00132.39 01263.06 01376.29

0.261 00543.96 00138.46 01296.06 01412.38

0.266 00557.11 00143.87 01327.25 01446.61

0.271 00569.92 00148.56 01356.72 01479.04

0.276 00582.95 00152.41 01384.86 01510.27

0.280 00596.27 00155.23 01411.50 01540.12

0.285 00609.97 00156.76 01436.81 01568.77

0.290 00623.67 00157.12 01461.37 01596.64

0.295 00637.99 00156.34 01485.22 01623.99

0.300 00651.60 00154.86 01508.28 01650.30

0.305 00665.12 00152.56 01530.46 01675.70

0.310 00678.66 00149.25 01552.09 01700.54

0.314 00691.82 00145.16 01572.91 01724.45

0.319 00704.68 00140.46 01593.16 01747.70

0.324 00716.79 00135.26 01612.48 01769.79

0.329 00728.14 00129.65 01630.95 01790.81

0.334 00738.66 00123.65 01648.09 01810.28

0.339 00748.20 00117.29 01663.79 01828.05

0.344 00756.56 00110.53 01677.34 01843.38

0.349 00763.91 00103.83 01688.33 01856.01

0.354 00769.86 00097.15 01696.66 01865.68

0.358 00774.39 00090.42 01702.01 01872.08

0.363 00777.87 00083.61 01704.83 01875.78

0.368 00780.10 00076.65 01705.36 01876.88

0.373 00781.24 00069.46 01703.63 01875.51

0.378 00781.41 00062.48 01700.01 01872.04

0.383 00780.61 00055.61 01694.71 01866.68

0.388 00779.29 00048.81 01687.80 01859.66

0.393 00777.34 00042.01 01679.70 01851.33

0.398 00774.59 00035.14 01670.27 01841.47

0.402 00771.32 00028.16 01659.73 01830.42

0.412 00764.15 00014.03 01635.78 01805.52

0.417 00760.15 00007.23 01622.92 01792.14

0.422 00755.97 00000.52 01609.58 01778.27

0.427 00751.74 -00006.14 01596.17 01764.35

0.432 00747.13 -00012.81 01582.60 01750.14

0.436 00742.26 -00019.53 01569.24 01736.04

0.441 00737.22 -00025.84 01556.02 01722.02

0.446 00732.11 -00031.76 01543.35 01708.48

0.451 00727.01 -00037.28 01531.70 01695.88

0.456 00722.00 -00042.35 01521.11 01684.30

0.461 00716.66 -00047.39 01511.73 01673.67

0.465 00711.57 -00052.32 01503.27 01664.00

0.470 00706.81 -00057.03 01496.05 01655.60

0.475 00702.50 -00061.40 01490.49 01648.89

0.480 00698.27 -00065.31 01486.12 01643.28

0.485 00694.28 -00069.06 01483.08 01639.00

0.489 00690.70 -00072.47 01481.12 01635.86

0.494 00687.24 -00075.81 01480.08 01633.61

0.499 00683.61 -00078.87 01479.88 01632.05

0.504 00680.01 -00081.38 01480.49 01631.22

0.509 00676.65 -00083.56 01481.96 01631.27

0.513 00673.26 -00085.08 01483.91 01631.72

0.518 00670.05 -00086.06 01486.51 01632.82

0.523 00666.77 -00086.59 01489.97 01634.65

0.528 00663.13 -00086.71 01493.55 01636.45

0.533 00659.35 -00086.42 01497.57 01638.57

0.538 00655.10 -00085.21 01501.84 01640.71

0.542 00650.55 -00083.48 01506.21 01642.82

0.547 00645.81 -00081.07 01510.55 01644.81

0.552 00641.01 -00078.30 01514.69 01646.61

0.557 00635.75 -00074.95 01519.00 01648.38

0.562 00630.08 -00071.23 01522.80 01649.55

0.566 00624.06 -00066.83 01525.92 01649.95

0.571 00617.69 -00061.91 01528.60 01649.84

0.576 00610.93 -00056.55 01531.07 01649.43

0.581 00603.75 -00050.83 01533.03 01648.42

0.586 00596.56 -00044.76 01534.14 01646.65

0.591 00589.26 -00038.36 01534.99 01644.65

0.595 00581.76 -00031.59 01535.15 01641.98

0.600 00573.94 -00024.41 01534.62 01638.62

0.605 00565.65 -00017.23 01533.38 01634.48

0.610 00557.23 -00009.96 01531.82 01630.05

0.615 00548.98 -00002.50 01529.81 01625.33

0.620 00539.72 00005.25 01527.18 01619.75

0.624 00530.19 00013.45 01523.71 01613.38

0.629 00520.11 00021.75 01519.64 01606.33

0.634 00510.17 00030.33 01515.11 01598.99

0.639 00500.04 00038.90 01509.76 01590.89

0.644 00489.90 00047.67 01503.65 01582.16

0.649 00479.41 00056.34 01496.78 01572.69

0.653 00468.70 00064.62 01489.58 01562.92

0.658 00457.92 00072.69 01481.98 01552.82

0.663 00447.17 00080.73 01474.35 01542.79

0.668 00436.58 00088.37 01466.57 01532.72

0.673 00426.79 00095.75 01459.00 01523.16

0.677 00417.48 00102.98 01451.53 01513.88

0.682 00408.91 00109.64 01444.03 01504.81

0.687 00400.86 00115.78 01436.39 01495.76

0.697 00387.30 00126.46 01421.73 01478.95

0.701 00381.16 00130.88 01414.50 01470.78

0.706 00375.26 00135.02 01407.21 01462.63

0.711 00370.14 00138.72 01400.27 01454.99

0.716 00365.36 00141.78 01393.10 01447.18

0.721 00361.03 00144.46 01385.11 01438.66

0.725 00357.31 00146.46 01376.14 01429.30

0.730 00353.89 00147.96 01365.95 01418.78

0.735 00350.97 00148.58 01354.19 01406.80

0.740 00348.33 00148.36 01340.40 01392.85

0.745 00345.75 00147.28 01324.44 01376.73

0.749 00343.50 00145.27 01306.01 01358.22

0.754 00341.42 00142.65 01285.59 01337.78

0.759 00339.32 00139.71 01263.01 01315.24

0.764 00337.03 00136.22 01238.43 01290.68

0.768 00334.87 00132.39 01211.82 01264.19

0.773 00332.66 00127.90 01183.00 01235.52

0.778 00330.21 00122.89 01151.61 01204.30

0.783 00327.83 00116.94 01117.57 01170.52

0.787 00325.32 00110.05 01081.10 01134.33

0.792 00322.47 00102.17 01042.20 01095.72

0.797 00319.04 00093.65 01001.69 01055.44

0.801 00314.75 00084.80 00959.78 01013.62

0.806 00309.74 00075.90 00917.01 00970.88

0.811 00304.12 00067.23 00873.40 00927.28

0.815 00297.91 00059.08 00829.38 00883.23

0.820 00291.11 00051.27 00785.33 00839.12

0.824 00283.66 00044.18 00741.66 00795.28

0.829 00275.95 00037.73 00698.80 00752.26

0.834 00267.86 00031.87 00657.24 00710.44

0.838 00259.22 00026.64 00617.07 00669.83

0.843 00250.32 00022.10 00578.51 00630.73

0.847 00241.44 00018.38 00541.89 00593.53

0.852 00232.85 00015.69 00507.23 00558.35

0.856 00224.86 00013.80 00475.19 00525.89

0.861 00217.31 00012.56 00445.64 00495.96

0.865 00210.07 00011.84 00418.14 00468.10

0.870 00203.57 00011.61 00392.97 00442.72

0.875 00197.76 00011.84 00370.03 00419.73

0.879 00192.17 00012.55 00348.96 00398.58

0.884 00186.84 00013.28 00330.03 00379.48

0.888 00182.33 00014.11 00313.18 00362.67

0.893 00178.27 00015.09 00298.55 00348.05

0.897 00174.33 00016.31 00285.40 00334.83

0.902 00170.68 00017.88 00273.68 00323.03

0.906 00167.53 00019.41 00263.40 00312.77

0.911 00164.62 00021.04 00254.75 00304.04

0.915 00162.21 00022.39 00247.50 00296.77

0.920 00160.10 00023.56 00241.05 00290.33

0.924 00158.11 00024.67 00235.38 00284.62

0.929 00156.59 00025.80 00230.50 00279.86

0.933 00155.42 00027.05 00226.54 00276.06

0.938 00154.48 00028.52 00223.16 00272.90

0.942 00153.71 00029.82 00220.07 00270.09

0.947 00153.05 00031.06 00217.53 00267.78

0.951 00152.42 00032.36 00215.32 00265.79

0.956 00151.79 00033.80 00213.27 00263.95

0.961 00151.11 00035.02 00211.20 00262.04

0.970 00150.88 00037.14 00207.86 00259.52

0.974 00150.82 00038.23 00206.32 00258.41

0.979 00150.62 00039.45 00204.68 00257.17

0.983 00150.76 00040.90 00203.32 00256.41

0.988 00151.28 00042.21 00202.65 00256.38

0.992 00152.70 00043.48 00202.59 00257.39

0.997 00154.66 00044.81 00203.15 00259.22

1.001 00156.79 00046.32 00203.86 00261.32

1.006 00159.28 00047.62 00205.30 00264.17

1.010 00162.33 00048.83 00207.57 00267.99

1.015 00166.20 00050.03 00210.37 00272.73

1.019 00170.20 00050.83 00213.42 00277.67

1.024 00174.15 00051.30 00216.46 00282.51

1.028 00178.38 00051.97 00219.74 00287.76

1.033 00182.73 00052.39 00223.04 00293.05

1.037 00187.05 00053.12 00226.62 00298.61

1.042 00191.21 00053.69 00230.28 00304.10

1.046 00195.04 00054.17 00233.82 00309.26

1.051 00198.85 00054.58 00237.01 00314.16

1.055 00202.45 00054.97 00240.13 00318.86

1.060 00205.65 00054.86 00242.42 00322.60

1.064 00208.69 00054.74 00244.07 00325.76

1.069 00211.34 00054.61 00245.22 00328.30

1.073 00213.81 00054.46 00245.95 00330.42

1.078 00215.80 00054.27 00245.84 00331.59

1.083 00216.96 00054.03 00244.86 00331.58

1.087 00217.39 00053.71 00242.94 00330.40

1.092 00217.63 00053.30 00240.42 00328.64

1.096 00217.72 00052.75 00237.60 00326.55

1.101 00217.13 00052.02 00234.25 00323.62

1.105 00215.84 00051.05 00230.09 00319.58

1.110 00214.23 00049.76 00225.78 00315.20

1.114 00212.17 00048.56 00220.98 00310.17

1.119 00209.49 00047.33 00215.78 00304.45

1.123 00206.48 00045.98 00210.26 00298.26

1.128 00202.89 00044.39 00204.47 00291.45

1.132 00199.42 00042.95 00198.44 00284.59

1.137 00195.80 00041.52 00192.17 00277.47

1.141 00192.23 00040.00 00185.64 00270.22

1.146 00188.92 00038.25 00179.34 00263.28

1.150 00185.60 00036.64 00172.73 00256.18

1.155 00182.49 00035.54 00165.78 00249.10

1.159 00178.84 00034.86 00158.41 00241.43

1.164 00174.83 00034.54 00151.02 00233.59

1.168 00170.66 00034.57 00143.50 00225.64

1.173 00166.98 00034.93 00136.26 00218.33

1.177 00163.49 00035.66 00129.69 00211.70

1.182 00159.90 00036.31 00123.76 00205.43

1.186 00155.91 00036.93 00118.49 00199.27

1.191 00151.69 00037.58 00113.94 00193.40

1.195 00147.41 00038.32 00110.25 00188.02

1.200 00143.21 00039.20 00107.10 00183.07

1.204 00139.25 00039.79 00104.75 00178.73

1.209 00135.71 00040.13 00102.99 00175.03

1.213 00132.81 00040.26 00102.18 00172.34

1.218 00130.30 00040.69 00102.27 00170.57

1.222 00128.48 00040.96 00103.25 00169.84

1.227 00126.70 00041.08 00105.22 00169.74