1
STUDI EKSPERIMENTAL LAJU KEAUSAN ANTARA 2 BUAH HIGH DENSITY POLYETHYLENE (HDPE) DENGAN VARIASI NORMAL LOAD PADA KONDISI RECIPROCATING SEBAGAI SENDI RAHANG BUATAN (TEMPOROMANDIBULAR JOINT) MANUSIA Susastro dan Y. Kaelani Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail :
[email protected]
Abstrak— Pengujian gesekan reciprocating antar kontak permukaan high density polyethelene dengan high density polyethylene (HDPE) sebagai bahan untuk persendian buatan (prosthesys) pada manusia masih belum banyak dilakukan. Pengujian keausan antar HDPE tersebut perlu dilakukan karena selama ini belum ada kajian tentang topik tersebut. Pada penelitian ini dilakukan pengujian secara experimental untuk menguji keausan antara 2 buah high density polyethylene yang saling kontak secara bolakbalik.Secara garis besar pada penelitian ini dilakukan pengujian experimantasi dengan tribometer reciprocating dalam 2 macam, yaitu tanpa pelumasan (dry sliding) dan dengan pelumasan (wet sliding). Masing- masing specimen uji di berikan jarak tempuh gesekan yang sama, yaitu sejauh 800 meter, kecepatan sliding 0,0893 m/s dan 4 variasi pembebanan (2 kg hingga 5 kg). Pelumas yang digunakan untuk kondisi wet sliding adalah bovin serum. Hasil pengambilan data berupa perubahan masa (∆m) kemudian dilakukan analisa untuk mencari harga volume (∆V) yang tergerus serta mencari nilai specific wear rate (K). Spesimen yang telah dilakukan pengujian wear rate (laju keausan) selanjutnya juga dilakukan uji struktur permukaan dengan cara diambil hasil foto mikronya.Dari penelitian ini didapatkan hubungan antara variasi perubahan pembebanan terhadap perubahan specific wear rate yang terjadi pada 2 buah high density polyethylene yang saling kontak secara recriprocating. Specific wear rate akan cengderung mengalami kenaikan seiring dengan semakin besar beban yang diberikan. .Selain itu juga didapatkan mekanisme keausan dari 2 buah high density polyethylene yang saling kontak dan efektivitas dari pemberian pelumasan (PE 500 &PE 300).
memberikan efek pada permukaan dari benda yang saling bergesekan, yaitu keausan saat beroperasi. Begitu pula pada temporomandibular yang juga akan mengalami keausan karena beban dan gerakan yang dialaminya, sehingga perlu dilakukan operasi pembedahan untuk menggantinya dengan sendi buatan. Penelitian ini dilakukan untuk menguji laju keausan dari material yang akan digunakan pada pembuatan sendi buatan. Pengujian dilakukan dengan cara mencari harga laju keausan dari 2 buah material yang saling digesekan secara bolak balik dengan beberapa variabel uji. Beberapa variabel uji itu diantaranya seperti beban yang diberikan dan ada tidaknya pelumasan untuk bergesekan. Melalui penelitian ini kita dapat membandingkan manakah kondisi yang menyebabkan material akan cepat mengalami keausan dan seperti apa mekanisme keausannya.
Gambar 1 Temporomandibular joint manusia Kata Kunci— Temporomandibular joint, high density polyethylene, reciprocating, dry sliding, wet sliding, specific wear rate.
I. PENDAHULUAN Pengujian keausan pada bidang kedokteran yang
Psering dianalisa saat ini berupa pergerakan satu arah (uni
direction). Sementara dalam susunan tulang manusia lebih banyak peristiwa kontak sliding bolak-balik daripada kontak sliding satu arah. Pergerakan yang bersifat 2 arah ini tentunya akan memberikan efek yang berbeda dibandingkan pada pengujian 1 arah. Salah satu contoh gerakan sliding bolak-balik pada persendian manusia adalah pada temporomandibular joint, yaitu sendi yang menghubungkan antara rahang bawah dan tulang tengkorak. Selain mengalami gerakan secara bolak-balik, sendi temporomandibular juga menerima sejumlah besar beban ketika digunakan untuk mengunyah makanan. Gerakan sliding bolak-balik serta beban yang terjadi akan
Pada penelitian ini digunakan material uji High Density Polyethylene (HDPE). Hal ini dilakukan karena material ini mudah didapat, banyak digunakan di dunia industri, rumah tangga dan alat kesehatan. Selain itu, material ini juga lebih murah daripada material yang sudah ada sebelumnya. II. KAJIAN PUSTAKA A. Penelitian Terdahulu Jurnal yang ditulis oleh P.Q. Wu [1] (1998) yang berjudul “Comparison of wear and corrosion wear of TiN coatings under uni- and bidirectional sliding” melakukan penelitian tentang perbandingan keausan yang terjadi pada material TiN dalam kondisi uni dan bidirectional. Dari hasil penelitiannya, P.Q. Wu (1998) mengatakan bahwa keausan yang terjadi pada kondisi bidirection memiliki wear rate yang lebih tinggi daripada laju keausan yang terjadi pada kondisi unidirection. Selain itu, P.Q. Wu (1998) juga
2 mendapatkan grafik dari penelitiannya yang mengatakan bahwa pemberian pelumasan ternyata mampu mengurangi besarnya wear rate yang terjadi antara 2 buah permukaan yang saling kontak. Besar dari wear rate untuk pelumas yang berbeda ternyata juga akan memberikan harga wear rate yang berbeda pula. Berikut ini adalah penelitian dan grafik hasil penelitian yang dilakukan oleh P.Q. Wu (1998).
Gambar 4 Spesifik Wear Rate dari Ti3AlC2 dan Ti3AlC2/Al2O3 VS Fraksi Al2O3 yang Diberikan Gaya Normal Berbeda-beda [2]
Gambar 2 Skema penelitian uni dan bidirecton [1]
Bin-Bin Jia, [3] (2006), dalam penelitiannya yang berjudul “Tribological behaviors of several polymerpolymer sliding combination under dry friction and oil lubrication condition” melakukan penelitian tantang laju keausan polymer yang dilakukan pada kondisi pergerakan 1 arah. Bin-Bin Jia dalam penelitiannya ini menggunakan tribometer type pin on disc. Specimen yang diujikan adalah berupa tiga macam specimen polimer pin di gesekkan pada specimen polimer disc yang sama, yaitu polytetrafluoroethylene (PTFE), polyamide 66 (PA66) dan polyphenylene sulfide (PPS). Pengujian dilakukan dengan load dan sliding speed yang bervariasi dengan kondisi tanpa pelumas dan dengan pelumasan, akan dihasilkan dihasilkan grafik seperti pada Gambar 5.
Gambar 3 perbedaan wear factor untuk bi dan unidirection [1] Jurnal yang ditulis oleh Ling Wu [2] (2007) yang berjudul “Reciprocating friction and wear behavior of Ti3AlC2 and Ti3AlC2/Al2O3 composites against AISI52100 bearing steel” menjelaskan tentang pengujian Ti3AlC2 dan Ti3AlC2/Al2O3 composites melawan AISI52100 bearing steel dalam kondisi recriprocating. Pada penelitian yang dilakukannya, Ling Wu memberikan variasi perubahan beban untuk setiap fraksi prosentasi dari Al2O3. Berdasarkan penelitian yang dilakukannya menunjukan bahwa harga specific wear rate (K) akan semakin meningkat dengan semakin tingginya beban yang diberikan Berikut ini adalah penelitian serta grafik hasil penelitian Ling Wu (2007) tersebut :
Gambar 5 Efek Variasi Load (Grafik kiri) dan Efek Variasi Sliding Speed (Grafik kanan) terhadap Specific Wear Rate Material Polimer (a) PTFE (b) PA66 [3].
Tabel 1 Properties material uji pada penelitian Ling Wu [2]
Tabel 2 Friction & wear condition [2]
Selain itu dalam penelitiannya, bin bin jia mengatakan bahwa panas yang timbul karena gesekan akan menyebabkan terjadinya perubahan nilai dari wear rate dan koefisien geseknya [3]. Panas yang timbul karena gesekan ini dapat diformulasikan dengan persamaan Q = μ.P.V dengan P dan V masing-masing adalah nilai beban yang diberikan dan kecepatan sliding yang diberikan Adapun grafik nilai perubahan wear rate dan koefisien gesek terhadap nilai P.V untuk material PA 66 yang didapatkan oleh bin bin jia adalah seperti pada gambar 6. Dalam penelitiannya Bin juga melakukan foto mikro untuk mengetahui mekanisme keausan yang terjadi
3 pada permukaan kontak. Dari hasil penelitiannya ini bin memperoleh foto seperti pada gambar 2.8. pada gambar tersebut memperlihatkan bahwa permukaan pengujian dengan metode dry sliding terlihat memiliki goresan yang cenderung terlihat mulus. Hal ini dikarenakan terjadi deformasi plastis pada permukaan material. Sementara pada pengujian dengan metode wet sliding memperlihatkan goresan yang lebih tegas dan lebih dalam.
tersebut terlihat bahwa untuk kondisi tanpa pelumasan maka penambahan beban akan semakin membuat nilai specific wear rate akan menjadi semakin meningkat pula. Akan tetapi hadirnya pelumasan mengakibatkan laju keausan menjadi hampir konstan untuk setiap harga pembebanan yang diberikan.
Gambar 8 grafik specific wear rate untuk setiap kecepatan yang diberikan [4] B. Metode penelitian Metode yang dilakukan dalam penelitian wear rate untuk HDPE ini adalah dengan eksperimentasi. Tribometer Pin-on-Disk digunakan untuk menguji volume keausan kontak. Pin spesimen dibentuk seperti yang terlihat pada gambar 10, sementara plat spesimen dibentuk balok dengan dimensi 20mm x 30 mm x 140 mm.
Gambar 6 Gambar Grafik Hubungan antara Koefisien Gesek dan Wear Rate terhadap PV Value yang Didapatkan oleh Bib-bin Jia [3]
Gambar 10 Dimensi pin spesimen
(a) (b) Gambar 7 Foto Mikro Penelitian Bin-bin Jia(a) Dry Sliding (b) Wet Sliding [3] Tegar [4], 2010 dalam tugas akhirnya yang “berjudul rancang bangun tribometer tipe pin on disk dan study eksperimental karakteristik tribologi polimer-polimer” melakukan perancangan tribomeer tipe pin on disk. Selain melakukan perancangan tegar juga melakukan pengujian keausan pada 2 buah HDPE dengan variasi normal load. Akan tetapi pengujian yang dilakukan oleh tegar bersifat sliding 1 arah dalam kondisi dengan dan tanpa pelumasan. Pada gambar berikut ini menggambarkan hasil pengujian yang telah dilakukan oleh tegar. Pada grafik
Pada penelitian ini terdapat 2 metode sliding, yaitu dry sliding dan wet sliding. Pelumas yang digunakan pada metode wet sliding adalah bovin serum.Variasi beban yang diberikan untuk setiap metode adalah : 1 kg, 2 kg, 3 kg, 4 kg dan 5 kg. Sedangkan kecepatan yang diberikan adalah 0,0893. Lintasan uji yang harus ditempuh spesimen adalah 800 meter. Setiap kondisi akan diulang sebanyak 3 kali pengulangan untuk kemudian diambil rata-ratanya. Berat specimen diukur sebelum dan sesudah pengujian. Selisih berat sebelum dan sesudah pengujian merupakan berat material aus. Dari berat material yang aus kemudian dicari volume keausan yang terjadi dengan masa jenis HDPE. Volume keausan ini selanjutnya dicatat untuk digunakan sebagai data terukur pada perhitungan wear. Selanjutnya nilai specific wear rate dihitung dengan menggunakan persamaan berikut ini [5]:
K=
k ∆V = H F .L
Dimana : K
= Spesific wear rate (mm3/Nm)
ΔV = perubahan Volume yang terjadi (m3)
(1)
4 F
= Gaya yang diberikan (N)
L
= Jarak Sliding (m)
Mekanisme keausan seperti ini adalah mekanisme keausan adhesive.
Pin spesimen yang telah di uji kemudian dilakukan foto mikro untuk mengetahui mekanisme keausan yang menyebabkan keausan pada permukaan kontak HDPE. Data K yang didapatkan untuk setiap pengujian di grafikan untuk mengetahui specific wear rate sebagai fungsi beban untuk tiap kondisi pengujian (dry sliding dan wet sliding). Kemudian kedua grafik juga dibandingkan untuk mengetahui efek pemberian pelumasan pada HDPE.
(a)
III. HASIL PENELITIAN & PEMBAHASAN a. Dry sliding Hasil pengujian dan pengukuran specific wear rate (K) untuk kondisi tanpa pelumsan disajikan seperti grafik 11. Secara garis besar dapat dilihat bahwa dengan semakin besarnya beban yang diberikan, maka specific wear rate juga akan terus mengalami kenaikan hingga mencapai nilai 1,9E-07. kenaikan ini menunjukan bahwa dengan semakin bertambahnya beban maka volume keausan yang terjadi untuk setiap satuan beban per satuan panjang lintasan pada beban besar menjadi semakin tinggi.
Gambar 11 specific wear rate Vs load Pada dasarnya, saat pemberian beban kecil (2 Kg) maka terdapat kemungkinan untuk adanya celah antar permukaan kontak semakin besar. Dengan demikian ketika kontak antar asperity terjadi maka memungkinkan terjadinya slip dan permukaan asperity tidaklah benar-benar tergerus. Kondisi ini mengakibatkan volume keausan pada beban rendah menjadi rendah dan beraakibat pada kecilnya harga specific wear rate untuk beban yang rendah. Saat beban yang diberikan pada permukaan yang saling kontak diperbesar maka kontak antar permukaan yang bergesekan menjadi lebih sempurna, sehingga mengakibatkan semakin kecilnya kemungkinan terdapatnya celah antar permukaan yang saling kontak. Kondisi ini mengakibatkan kemingkinan terjadinya slip saat permukaan asperity bersinggungan menjadi semakin kecil, sehingga volume yang tergerus menjadi lebih banyak dibandingkan saat pemberian beban yang kecil. Hasil foto mikro dari pengujian Dry sliding menunjukan bahwa terdapat bagian dari permukaan HDPE yang mengalami pengelupasan. Pengelupasa ini menunjukan bahwa terjadi perlekatan permukaan (adhesive) antar permukaan benda yang digesekan & terjadi deformasi plastis. Sehingga pada akhirnya terjadi pengikatan (bonding) permukaan material yang satu oleh yang lainnya.
(b) Gambar 12 Foto Mikro Permukaan HDPE Dry Sliding dengan Pembesaran 100 x.(a) Beban 2 kg, (b) Beban 5 kg
b. Wet sliding Hasil pengujian dan pengukuran specific wear rate (K) untuk kondisi dengan pelumasan disajikan seperti grafik 13. Secara garis besar terlihat bahwa specific wear rate akan mengalami peningkatan seiring dengan semakin bertambahnya beban yang diberikan. Peningkatan nilai specifc wear rate ini terjadi karena saat beban yang diberikan semakin di tingkatkan maka lapisan tipis pelumas yang terdapat pada permukaan tidak lagi mampu mengurangi kontak antar asperity seperti yang terjadi pada beban rendah. Adanya pelumasan bovin serum memiliki fungsi positif sekaligus fungsi negatif. Dengan adanya pelumasan ini tentunya akan memperkecil jumlah asperity yang saling kontak . Dengan semakin sedikitnya kontak antar asperity maka specific wear rate pada kondisi wet sliding akan lebih rendah dibandingkan pada pengujian tanpa pelumasan. Akan tetapi Sifat dari pelumas bovin serum yang sedikit berlendir dan mengandung air mengakibatkan terjadinya hal negatif. Saat pengujian dilakukan, maka panas yang timbul karena kontak akan mengakibatkan kandungan air dalam pelumas menguap dan sedikit mengering. Kondisi ini mengakibatkan pelumas yang sudah bercampur dengan material debris malah lengket pada permukaan kontak. Selain itu, arah pergerakan yang reciprocating mengakibatkan pelumas yang mengandung material debris tidak langsung dapat meninggalkan permukaan kontak seperti yang terjadi pada pengujian dengan 1 arah sliding. Hal inilah yang juga mengakibatkan mekanisme keausan yang erjadi pada metode wet sliding secara garis besar adalah mekanisme keausan abrasive.
5 Gambar 15 Foto Mikro Permukaan HDPE Dry Sliding dengan Pembesaran 100 x. (a) Beban 3 kg, (b) Beban 5 kg IV. KESIMPULAN
Gambar 13 Specific wear rate vs beban untuk kondisi dengan pelumasan Apabila diperhatikan lagi pada gambar 15 (a) memperlihatlan adanya goresan yang tegak lurus adah goresan yang lain. Goresan ini terjadi karenasempat terjadi peristiwa cutting pada permukaan yang mengalami kontak. Cutting ini terjadi karena beban dan arah pergesekan berulang-ulang yang diberikan pada permukaan material mengakibatkan permukaan mengalami kelelahan sehingga terjadilah cutting ini. Peristiwa ini tentunya juga akan menambah jumlah volume keausan yang terjadi, akan tetapi tidak terlalu segnifikan dibandingkan mekanisme keausan abrasive yang terjadi pada pengujian ini. Dengan demikian maka terdapat 2 buah mekanisme keausan yang terjadi pada pengujian wet sliding yaitu mekanisme keausan abrasive dan mekanisme keausan lelah. Meskipun demikian keausan abrasiv-lah yang paling dominan mendominasi pada metode pengujian dengan pelumasan ini.
Adapun Kesimpulan Yang dapat diambil dari penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Harga wear rate untuk metode dry sliding lebih tinggi daripada harga wear rate pada metode wet sliding (dengan pelumasan). 2. Pada metode Dry sliding wear rate memiliki harga range antara 9,49848E-05 hingga 0,000197207, sementara pada metode Wet Sliding memiliki harga wear rate dengan range antara 8,59386E-05 hingga 0,000140216. 3. Pada metode wet sliding maupun dry sliding, laju keausan akan terus mengalami peningkatan untuk pemberian beban dari range 2 kg hingga 5 kg. 4. Mekanisme keausan yang terjadi pada pengujian dry sliding adalah mekanisme keausan adhesive, sementara mekanisme keausan yang terjadi pada pengujian wet sliding adalah mekanisme keausan abrasive. 5. Pemberian pelumasan pada gerakan recriprocating ternyata mampu memperkecil laju keausan antara 5% hingga 50%. DAFTAR PUSTAKA [1]
P.Q. Wu, Comparison of wear and corrosion wear of TiN coatings under
uni-
and
bidirectional
sliding,
Journal
at
www.sciencedirect.com, 1998. [2]
Ling Wu, Reciprocating friction and wear behavior of Ti3AlC2 and Ti3AlC2/Al2O3 composites against AISI52100 bearing steelI, Journal at www.sciencedirect.com , 2007
[3]
Tegar, Rancang bangun tribometer tipe pin on dick dan studi ekspeimental karakteristik tribologi polymer-polymer, surabaya, 2010.
[4]
Bin-bin Jia, Tribological behaviors of several polymer-polymer sliding combination under dry friction and oil lubrication condition,
Gambar 14 Grafik Perbandingan Wear Rate antara Dry Sliding dan Wet Sliding
(a)
(b)
at www.sciencedirect.com,2006 [5]
MM. Khonsari, ER. Booster, Applied Tribology, Bearing Design and Lubrication, New York, 2001.
