Amoranto Trisnobudi2, Ellyza Herda3 dan Parangtopo3

Prosiding Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1996

APLIKASI UJITAK MERUSAK ULTRASONIK UNTUK MENENTUKAN

MODULUS ELASTisITAS DARI PADUAN Ag-Sn DAN Co-So YANG

DIGUNAKAN SEBAGAI BAHAN PENCAMPUR UNTUK MEMBUA T AMALGAM 1

3 Amoranto Trisnobudi2, Ellyza Herda3 dan Parangtopo

ABSTRAK

APLIKASI un TAK MERUSAK ULTRASONIK UNTUK MENENTUKAN MODULUS ELASTISITAS DARI PADUAN Ag-Sn DAN Co-Sn YANG DIGUNAKAN SEBAGAI BAHAN PENCAMPUR UNTUK MEMBUAT AMALGAM. Bahan amalgam yang digunakan untuk keperluan kedokteran gigi biasanya dibuat dengan mencampur air raksa dengan bubuk paduan yang terdiri dari peTak, timah dan tembaga. Kualitas daTi amalgam yang dibuat tergantung pada sifat-sifat paduan pencampumya. Salah satu sifat paduan pencampur yang mempengaruhi kinerja klinis dari amalgam ini adalah modulus elastisitasnya. Dalam makalah ini akan disampaikan basil-basil pengukuran modulus elastisitas dari dua jenis paduan pencampur yang merupakan paduan utama untuk membuat bahan amalgam, yaitu paduan 73% Ag -27% Sn dan 62% Cu -38% Sn. Modulus elastisitas yang akan ditentukan antara lain adalah modulus Young, modulus kekakuan dan perbandingan Poisson. Salah satu cara yang dapat digunakan untuk menentukan modulus elastisitas bahan adalah dengan uji tak merusak ultrasonik. Penentuan modulus elastisitas ini dilakukan dengan memanfaatkan ketergantungan kecepatan gelombang ultrasonik terhadap sifat-sifat elastis bahan. Dengan mengukur kecepatan gelombang longitudinal dan kecepatan gelombang transversal serta mengetahui besamya rapat masa bahan, maka modulus-modulus elastisitas tersebut di atas dapat dihitung. Setiap jenis paduan dibuat tiga buah sampel bahan dengan tiga cara pendinginan yang berbeda, yaitu pendinginan udara, pendinginan semprot udara dan pendinginan celup air. Dari basil-basil pengukuran yang dilakukan diperoleh kesimpulan bahwa pada umurnnya modulus Young dan modulus kekakuan daTi paduan yang dibuat dengan pendinginan celup air lebih kecil dibandingkan modulus Young dan modulus kekakuan daTi paduan yang dibuat dengan kedua cara pendinginan yang lain. ABSTRACT

ULTRASONIC NON DESTRUCTIVE TESTING APPLICATION FOR DETERMINING ELASTIC MODULI OF Ag-Sn AND Cu -Sn ALLOY USED AS MIXING ALLOYS FOR MAKING DENTAL AMALGAM. Amalgams for dental application are usually produced by mixing mercury with a powdered alloy containing silver, tin and copper. The quality of the amalgam depends on the properties of the mixing alloys. One of the properties that influence the clinical performance of the amalgam is its elasticity modulus. This paper deals with elastic moduli measurement of two principal mix alloys, i.e. alloy 73 % Ag -27 % Sn and alloy 62 % Cu -38 % Sn. The elastic moduli that will be determined are Young modulus, rigidity modulus and Poisson ratio. One way of determining the elastic moduli is by ultrasonic non destructive testing. The elastic moduli are determined by employing the dependence of ultrasonic wave velocity on the elastic properties of material being propagated. The calculation of the elastic moduli is based on the density of the material, and the longitudinal and transversal velocity of the waves. Each alloy is made with three different types of cooling i.e. as-cast, air-blown and water quenched cooling. From the measurements we can conclude that the Young modulus and rigidity modulus of the alloy with water quenched cooling is lower than the Young modulus and rigidity modulus of the alloy with two others type of cooling.

PENDAHULUAN _{menggunakan jumlah tembaga yang lebih}

banyak yang sering disebut sebagai amalgam bertembaga banyak (high copper amalgam). Kualitas daTi amalgam yang dibuat tergantung pada sifat -sifat paduan pencampumya daD salah satu sifat paduan pencampur yang mempengaruhi kinerja klinis daTi amalgam adalah modulus elastisitasnya. Modulus elastisitas daTi amalgam yang akan digunakan sebagai bahan penambal gigi biasanya harus mempunyai harga tertentu. Untuk memperoleh amalgam dengan modulus elastisitas tertentu perlu diketahui besamya modulus elastisitas daTi paduan-paduan pencampumya. Dalam makalah ini akan dibahas mengenai pengukuran modulus elastisitas daTi dua paduan pencampur yang biasa digunakan untuk membuat amalgam, yaitu paduan logam 73% Ag -27% Sn daD paduan Logam 62 % Cu -38 Amalgam adalah suatu paduan antara air

raksa (Hg) dengan satu atau beberapa logam lain. Amalgam yang dipakai untuk aplikasi kedokteran gigi biasanya dibuat dengan mencampur air raksa dengan bubuk paduan yang mengandung peTak, timah daD tembaga. Amalgam konvensional biasanya dibuat dengan menggunakan paduan yang terdiri daTi 70 % peTak, 27 % timah dan hanya 5 % tembaga. Amalgam konvensional ini sering disebut juga sebagai amalgam bertembaga sedikit (low copper amalgam). Dari berbagai penelitian diperoleh kesimpulan bahwa dengan menambah jumlah tembaga akan mempertinggi kualitas daTi amalgam [1,2]. Oleh karena itu sekarang hampir semua amalgam yang digunakan untuk aplikasi kedokteran gigi

1 Dipresentasikan pada Pertemuan Ilmiah Sains Materi 1996

2 Laboratoria Fisika Bangunan dan Akustik, Jurusan Teknik Fisika ITB 3 Program Materials Science, Program Pasca Sarjana, Universitas Indonesia

% Sn. Modulus-modulus elastisitas yang diukur antara lain adalah modulus Young, modulus kekakuan dan perbandingan Poisson.

Kedua paduan di alas merupakan paduan logam yang cukup getas.- sehingga tidak dapat atau sukar sekali dilakukan uji tarik untuk menentukan modulus elastisitasnya. Seperti kita ketahui, uji tarik memerlukan bahan uji dengan bentuk tertentu agar uji tarik dapat dilaksanakan dengan baik. Oleh karena itu diperlukan cara lain yang tidak merusak bahan uji dan cara yang dipakai dalam penelitian ini adalah dengan menggunakan uji tak merusak ultrasonik. Penentuan modulus elastisitas dilakukan dengan cara mengukur kecepatan gelombang ultrasonik yang dirambatkan di dalam bahan uji. Hal ini dapat dilakukan karena kecepatan gelombang ultrasonik yang merambat di dalam suatu bahan besarnya tergantung pacta sifat-sifat elastis bahan tersebut. Karena tidak merusak bahan uji maka pengukuran dapat dilakukan berulang-ulang.

Modulus elastisitas dari amalgam yang dibuat selain tergantung pacta modulus elastisitas dari paduan-paduan pencampurnya tentunya juga tergantung pacta cara pembuatannya. Dalam penelitian ini setiap jenis paduan dibuat dengan tiga cara pendinginan yang berbeda, yaitu pendinginan udara, pendinginan semprot udara dan pendinginan celup air. Diharapkan dari pengukuran-pengukuran ini dapat diketahui pengaruh dari ketiga jenis pendinginan tersebut di alas.

(3)

A.

v=~i~

dimana E = modulus Young G = modulus kekakuan v = perbandingan Poisson

Dan leon gelombang ultrasonik dapat diturunkan hubungan antara konstanta-konstanta Lame' clan kecepatan gelombang ultrasonik yang menjalar di dalam bahan isotropik, seperti yang ditunjukkan pada persamaan-persamaan di bawah ini [3,4].

(4)

x=J~

Vy=~~

(5) dimana V L = kecepatan gelombang longitudinal

V T = kecepatan gelombang transversal p = rapat massa

Dengan demikian daTi teori elastisitas dan teori gelombang ultrasonik diperoleh hubungan antara modulus-modulus elastisitas daD kecepatan-kecepatan gelombang ultrasonik seperti yang ditunjukkan pada persamaan-persamaan di bawah ini [5]. Ketiga persamaan terakhir inilah yang akan digunakan untuk menghitung modulus-modulus elastisitas setelah terlebih dahulu mengukur rapat massa, kecepatan longitudinal daD kecepatan transversal.

TEORI

Dalam penelitian ini paduan-paduan logam yang digunakan dianggap sebagai bahan isotropik. Menurut leon elastisitas sifat-sifat mekanik dari bahan isotropik ditentukan oleh dua konstanta elastisitas, yaitu A daD ~ yang sering disebut sebagai konstanta-konstanta Lame'. Dan teori elastisitas dapat diturunkan hubungan antara konstanta-konstanta Lame' ini dengan modulus-modulus elastisitas seperti yang ditunjukkan pada persamaan-persamaan di bawah ini.

(6)

E=pVy

1 3VL -4Vy \1:1_\,:1_{L y} z

G= pVr

(7)

(1)

E=~~~

(A,+J.1) \1:2-2\1;2 v= L Y 2(VL 2 -Vy2)

(8)

G=~

(2)

CARA KERJA tumpang tindih dan gelombang kontinu [6J. Dalam penelitian ini digunakan metoda pengukuran yang paling sederhana yaitu metoda pantuian pulsa. Secara umum blok diagram dari metoda ini dapat dilihat pada Gambar I.

Kecepatan gelombang ultrasonik dapat ditentukan dengan menggunakan berbagai metoda pengukuran seperti metoda-metoda pantuIan pulsa, sing-around, superposisi pulsa,

Gambar Diagram blok metoda pantulan pulsa

Generator pulsa mengeluarkan pulsa-pulsa elektronik dengan durasi yang sangat pendek dan dengan frekuensi perulangan yang cukup rendah, Pulsa-pulsa elektronik ini diubah oleh transduser T menjadi gelombang ultrasonik yang diradiasikan ke dalam bahan, Gelombang

ultrasonik ini akan dipantulkan berulang-ulang oleh permukaan-permukaan bahan sehingga transduser R akan menerima pulsa-pulsa berturutan dengan selang waktu sebesar waktu tempuh dua kali melintasi tebal bahan, Gelombang ultrasonik yang diterirna oleh transduser R ini diubah kembali menjadi pulsa-pulsa elektronik yang setelah diperkuat ditampilkan pada alat peraga. Teknik pengukuran dengan menggunakan dua buah transduser ini disebut teknik transrnisi. Teknik pengukuran dapat juga dilakukan dengan menggunakan hanya satu buah transduser yang disebut teknik refleksi dimana transduser T bertindak baik sebagai transduser pemancar

maupun sebagai transduser penerima. Kecepatan gelombang ultrasonik yang akan ditentukan dapat dihitung dari persamaan :

2L

V=-AT

(9)

dimana v = kecepatan gelombang L = leba! bahan

~ T = selang waktu antara dua pulsa

berturutan

Pengukuran kecepatan dengan cara tersebut di atas hanya dapat dilakukan bila atenuasi bahan tidak terlalu besar sedemikian rupa sehingga pada alat peraga dapat diamati minimum dua pulsa berturutan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Bila atenuasi bahan terlalu besar atau bahannya terlalu tebal, maka pada alat peraga hanya dapat diamati satu buah pulsa seperti terlihat pada Gambar 3 dan kecepatan gelombang dihitung dari persamaan :

L

V=-T

(10)

P .L\T

~

I~

~

_I~

: AT :

:. --~

Gambar 2. Pulsa-pulsa yang diamati pada alat peraga hila atenuasi bahan kecil.

:

I

T

Gambar 3. Pulsa yang diamati pada alat peraga bila atenuasi bahan besar.

Dalam penelitian ini sebagai generator pulsa digunakan Ultrasonic Flaw Detector Type USIP-12 dari KRAUTKRAMER sedangkan sebagai penguat dan alat peraga digunakan Oscilloscope Type 88-7610 dari tWAT8U. Untuk mengukur kecepatan gelombang longitudinal digunakan satu buah transduser ultrasonik Type V-Z-l"-5 dari NORTEC. Transduser ultrasonik ini merupakan transduser gelombang longitudinal lurns berpita lebar (straight beam broad-band transducer) dengan frekuensi tengah 5

megahertz. Sedangkan untuk mengukur kecepatan gelombang transversal digunakan dua buah traDsduser ultrasonik Type MWB45-4E dari KRAUTKRAMER. Transduser ultrasonik ini merupakan transduser gelombang transversal bersudut berpita sempit (angle beam narrow-band transducer) dengan frekuensi resonansi sebesar 4 megahertz. Pemasangan transduser pada saat pengukuran dapat dilihat pada Gambar 4. Pengukuran dilakukan di Laboratorium Mekanika Struktur, Pusat Antar Universitas -Ilmu Rekayasa, lnstitut Teknologi Bandung.

T/R T

(1

Gambar 4. Pemasangan transduser pada bahan uji

massa dapat dilihat pada Tabel I. Kecepatan gelombang longitudinal ditentukan dengan mengukur tebal bahan uji dan selang waktu antara dua pulsa berturutan. Hasil perhitungan kecepatan longitudinal dapat dilihat pada Tabel 2. Kecepatan transversal ditentukan dengan mengukur tebal bahan uji, jarak transduser dan waktu tempuh. Hasil perhitungan kecepatan transversal dapat dilihat pada Tabel 3.

BASIL DAN PEMBAHASAN

Rapat rnassa bahan uji ditentukan dengan mengukur massa dan volume. Massa bahan uji diukur dengan menggunakan neraca analitis sedangkan volume benda uji diukur dengan menggunakan gelas ukur. Basil pengukuran rnassa dan volume serta basil perhitungan rapat

Tabell. Hasil perhitungan rapat massa bahan uji.

Rapat Massa [kg/In3] No. Bahan

~

1

Jenis Paduan Cara Pendinginan Massa

[gram] Volume (mIJ -10074 73 % Ag -27 % So udara 70,5 7 9283 2 73 % Ag -27 % So semprot udara 111,4 12 10455 3 73 % Ag -27 % Sn celup air 115 1]

~

17 18 9095 8706 8472 J- 620/0 Cu -3!!-O/O SO f udara

~

148 152.5 4 5 6 162 % Cu -38 % Sn se~prot udara ---I 62 %~- 38 % Sn I ~lupair 116

Tabel 2. Hasil perhitungan kecepatan gelombang longitudinal. Kecepatan Longitudinal VL[m/s] Tebal d[mrnJ Selang Waktu No. Bahan Uji

8.00

-

~

~

~

~

3604 3562 3548 4477 4458 2 3 4 5 6

Tabel3. Hasil perhitungan kecepatan transversal.

Waktu Tempuh T

[~]

TebaJ d [mm] Jarak Transduser a [rnrn] Kecepatan Transversal Vr [m/s]

No. Bahan Uji

~~

2:d

.i2

~

5,0 .?f:J.

~

~

~

4,56 1783 1656 1533 2383 2210 2195 2 3 4 5 6

dari bahan uji. Hasil perhitungan modulus Young, modulus kekakuan dan perbandingan Poisson dari bahan uji dapat dilihat pada Tabel

4.

Hasil perhitungan rapat massa, kecepatan longitudinal dan kecepatan transversal pada ketiga label di alas selanjutnya digunakan untuk menentukan modulus-modulus elastisitas

Tabel4. Hasil perhitungan modulus Young, modulus kek kuan dan perbandingan Poisson.

Perbandingan Poisson Cara Pendinginan Modulus Young [GPa] Modulus Kekakuan (GPa] No. Bahan Uji Jenis Paduan 32.0

-

~

, .

~

~~

2 3 , '-73 % Ag -27 % % Ag -27 %-Sn-r celuD air 6~% Cu -38 o/-;;Sn~ udara 113,8 0-34 --~I 62 % Cu -38 % So I celup air

A~-Ketelitian basil perhitungan pada Tabel 4 di atas tergantung pada kesalahan pengukuran rapat massa, kecepatan longitudinal dan kecepatan transversal. Pada pengukuran rapat massa kesalahan terutarna disebabkan karena ketidaktelitian mengukur volume bahan uji dengan gelas ukur. Kecepatan longitudinal dapat ditentukan dengan cukup teliti karena tebal bahan uji diukur dengan jangka sorong (ketelitian 0,05 rom) dan pada osiloskop dapat diarnati dua buah pulsa yang berturutan sehingga selang waktu yang diukur mernang benar-benar merupakan waktu tempuh gelombang ultrasonik melintasi dua kali tebal bahan uji. Hal ini disebabkan karena untuk gelombang longitudinal atenuasi bahan uji mempunyai harga yang tidak terlalu besar. Berbeda halnya dengan penentuan kecepatan transversal dirnana basilnya tidak begitu teliti karena dua halo Hal yang pertarna adalah pengukuran jarak transduser dilakukan dengan

menggunakan penggaris dengan ketelitian maksimum 0,5 mm. Hal yang kedua adalah untuk gelombang transversal bahan uji mempunyai atenuasi yang cukup besar. Di samping itu gelombang uItrasonik menempuh jarak yang lebih jauh karena arahnya miring.

Akibatnya hanya ada satu pulsa yang dapat diamati dan waktu tempuh yang diukur tidak benar-benar waktu tempuh di dalam bahan tetapi juga ditambah dengan waktu tempuh di dalam transduser dan kabel-kabel penghubung. U otuk mengurangi kesalahan ini dilakukan terlebih dahulu penentuan titik nolnya dengan melekatkan kedua transduser tanpa bahan uji. Pengukuran waktu tempuh akan menjadi lebih teliti bila transduser R yang digeser kekanan (Gambar 5) dapat menerima satu puIsa lagi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Di sini selang waktu 6- T yang diamati adalah benar-benar waktu tempuh gelombang ultrasonik selama melintasi tiga kali tebal bahan uji.

Gambar 5. Pergeseran transduser penerima R untuk mengukur kecepatan transversal

I I

: L\T ~

:4 .;

I

~--Gambar 6. Pulsa-pulsa yang diterima transduser R pacta dua posisi yang berbeda.

UCAPAN TERIMA KASIH

KESIMPULAN

Penulis mcngucapkan tcrimakasih kepada Dr.Ir. Adang Surahman yang mengijinkan penulis untuk menggunakan perangkat uji tak merusak ultrasonik yang ada di Laboratorium Mekanika Struktur, Pusat Antar Universitas-Ilmu Rekayasa, ITB.

Dan basil penclitian untuk menentukan modulus-modulus elastisitas pada berbagai paduan logam ini dapat ditarik beberapa kesimpulan, yaitu :

1

DAFT AR PUST AKA

2.

3.

Dcngan mcnggunakan uji tak P'lerusak ultrasonik, pengukuran sifat-sifat elastis daTi paduan logam dapat dilakukan dengan cara yang relatip mudah.

Modulus Young dan modulus kekakuan daTi paduan logam 62 % Cu -38 % Sn ul;Ilumnya relatip lebih. besar (lebih daTi 50 %) hila dibandingkan dengan modulus Young dan modulus kekakuan dari paduan logam 73 %Ag-27%Sn. .

Paduan logam yang di9~t!;lengan pendinginan celup- air metnpunyai modulus Young daD modulus kekakuan yang sedi.kit .Icbih kecil hila dibanding~nd~ganpaduan logam yang dib~t dengan pendinginan udara atau pendinginan semprot udara. Hal yang sebaliknya terjadi pada harga perbandingan Poisson-nya.

1. FERRACANE, Materials in Dentistry : Principals and Applications, J.B. Lippincott Company, 1995,. p. 117. 2. CRAIG, Restorative Dental Materials,

Mosby Company, St. Louis, 1993, p. 214. 3. GOOBERMAN, Ultrasonics: Theory and

Applications, English Universities Press Ltd., London, 1968, p. 9.

4. THURSTON, Physical Acoustics (W.P. Mason,ed.) : Wave Propagation in Fluids and Normal Solids, Vol. lA, Chap. I, Academic Press, New York, 1964, p. 72. . 5. GRENOBLE and J.L. KATZ, The Pressure ~ndence of the Elastic Constants of Dental Amalgam, J. Biomed. Mater. Res., 5 (1971) 490-491.

6. TRUELL, C. ELBAUM and B.B. CmCK, illtrasonic Methods in Solid State Physics, Academic Press, New York, 1969, p.77-87.