A Numerical study of the effect of twist drill bit geometry to the generation in bone drilling process

ARIFVIANTO, Budi, Ir. Rini Dharmastuti, M.Sc., Ph.D

2008 | Tesis | S2 Rekayasa Biomedis

Kajian ini bertujuan untuk mensimulasikan karaketeristik panas yang dihasilkan serta distribusi temperatur pada tulang dalam proses drilling dengan variasi sudut mata dan sudut ulir sebuah twist-drill. Kenaikan temperatur yang berlebih merupakan salah satu faktor potensi penyebab terjadinya thermal necrosis pada tulang. Oleh karenanya, beberapa metode telah digunakan untuk mengendalikan panas yang terjadi, termasuk di antaranya penggunaan drill dengan ciri-ciri geometri yang tepat. Simulasi untuk menunjukkan kinerja suatu twist-drill dengan sudut mata dan ulir tertentu pada twist-drill akan ditunjukkan dalam kajian ini sebagai evaluasi tahap pertama dalam perancangan drill untuk bedah tulang. Di dalam kajian ini, karaketeristik panas dan distribusi temperatur pada tulang ditunjukkan melalui dua cara, yaitu dengan perhitungan analitis dan simulasi numerik. Cara yang pertama dilakukan untuk mendapatkan jumlah panas yang dihasilkan dengan mengaplikasikan rumus-rumus yang digunakan dalam kasus-kasus pemotongan bahan dalam manufaktur. Simulasi numerik dilakukan dengan metode finite difference untuk memperkirakan karakteristik distribusi temperatur pada tulang. Dalam hal ini, simulasi perpindahan kalor satu dimensi digunakan karena ketiadaan beberapa parameter yang dibutuhkan untuk simulasi dua- atau tigadimensi. Hasil menunjukkan bahwa temperatur maksimum yang terjadi pada suatu titik pada tulang di dekat lubang drill bergantung pada temperatur yang terjadi di daerah batas antara tulang dan drill. Di samping itu, hasil simulasi juga menunjukkan bahwa twist drill dengan sudut mata kurang dari 90° dan sudut ulir lebih dari 67° dapat menghasilkan temperatur kurang dari 50° di titik sejauh 0.5 mm dari lubang yang dibuat.Twist-drill dengan kombinasi sudut mata yang kecil dan sudut ulir yang besar dapat dipilih untuk meminimalkan resiko terjadinya thermal necrosis pada tulang akibat proses drilling.

This study is aimed to simulate the characteristics of the heat generation and temperature distribution in bone during the bone drilling process with various pointand helix-angle. An excessive temperature elevation due to the heat generation in bone is considered to be one of the potential factors to cause the bone thermal necrosis. A number of methods are therefore employed to control the heat, including the application of drill with appropriate geometrical features. A simulation to show the twist-drill performance with certain values of point- and helix-angle in generating heat will be performed for the first-step evaluation in the design process of orthopedic drill. In the current study, the characteristics of the heat generation and temperature distribution were performed in two ways, i.e. by an analytical calculation and a numerical simulation. The first one was carried out to perform the heat generation in drilling by implementing a number of equations derived from the case in common material cutting. The numerical simulation was conducted using a finite difference method to estimate the characteristics of temperature distribution in bone. A onedimensional heat transfer simulation was performed due to the absence of several parameters required for the two-or three-dimensional one. The results showed the dependency of the maximum temperature at any point in the bone near to the hole toward the boundary temperatures at the bone-drill interface. Moreover, the result of simulation revealed temperatures less than 50° in a point of 0.5 mm from the drilled hole-wall in drilling with point-angle less than 90° and helixangle greater than 67°. In conclusion, a twist-drill with a combination of lower pointangle and higher point-angle is preferable to minimize the risk of thermal necrosis in bone due to a drilling process.

Kata Kunci : Pembangkit panas,Distribusi temperature,Tulang,Sudut point,Sudut ulir,Simulasi, Heat generation, temperature distribution, bone, point-angle, helix-angle, simulation