Lazerlerin Endüstriyel Uygulamalarındaki Son Gelişmeleri

11.07.2018

Özet

Ülkemizde ve dünyada lazerlerin farklı amaçlar için kullanımı her geçen gün artmaktadır. Dördüncü sanayi devrimi (Endüstri 4.0) ve buna bağlı olarak otomasyon sistemlerindeki gelişmeler lazer teknolojilerinin kullanımını vazgeçilmez kılmaktadır. İlk defa 1960’lı yıllarda kullanılmaya başlanan lazer sistemleri başlangıçta endüstri alanında çok da tercih edilmemiştir. Fakat 1970 ‘li yıllarda geliştirilen lazerler ise kesme, delme, ölçme amaçlı kullanılarak ilk defa sanayi uygulamalarına girmiştir. Lazer teknolojisindeki son gelişmeler her geçen gün artan ihtiyaçlar, zaman, seri üretim vb. etkenler göz önüne alındığında, bu etkenlere bağlı olarak lazer teknolojilerindeki gelişmeler son yıllarda oldukça hız kazanmıştır. Özellikle endüstriyel alanlardaki lazer kullanımı kesme, delme ve kaynak işlemleri olup bu konularda sanayinin belirli bir bilgi birikimi ve tecrübesi oluşmuştur. Yüzey işleme, renklendirme, otomasyon uygulamaları gibi konularda ise halen yetersizlik gözlenmektedir. Benzer olarak polimer ve kompozit endüstrisinin özellikle otomasyon uygulamalarında lazer teknolojisi ile tanışması gerekmektedir. Lazerler endüstri uygulamalarına çok ciddi maliyet ve zaman kazandırmaktır. Fakat bu teknolojinin beraberinde getirdiği lazer güvenliği konusu uygulamalarda çok dikkat edilmesi gereken bir olaydır.

1. Giriş

1916 yılında Albert Einstein’ın önerdiği uyarılmış ışıma teorisi, lazerin temelini oluşturmaktadır. Einstein’ın bu teorisine göre uyarılmış ışıma enerji seviyesindeki bir atom, düşük enerji seviyesine indiğinde foton yayması gerekir, yayılan fotonlar aynı yönlü, aynı kuvvetli, tek renkli, polarize bir ışık hüzmesi üretirler. Bunun sonucunda ise enerji ortaya çıkar. Einstein’ ın önerisi ile temellenen lazerlerin tarihsel gelişimi, sırası ile 1928’de Rudolph W. Landenburg tarafından, uyarılmış ışımanın varlığının kanıtlanması, 1940’ta Valentin A FabriKant’ ın sayı yoğunluğu tersiniminin olma olasılığını, 1947’ de Willis E. Lamb ve Rutherford’ un uyarılmış ışımanın ilk gösterimini başarmaları ile ivme kazanmıştır [1-4]. Lazer kelimesi 1957 yılında Gordon Gould tarafından türetilip bilim dünyasına katılmıştır. Uyarılmış ışıma ile kuvvetlendirilmiş ışık anlamına gelir. İngilizcesi “Laser” olup “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” tanımının baş harflerinden oluşan bir sözcüktür [1, 2]. 1960’ların sonuna kadar endüstriyel alanda pek kullanılmayan lazer, 1970’ lerin ortalarında kesme, kaynak, delme ve markalama işlerinde, ölçme ve daha birçok alanda yerini almıştır. Daha sonraki yıllarda boya lazerleri, excimer ve iyot lazerleri bulunarak ve geliştirilerek lazer teknolojisi bugün, savunma sanayinden endüstriye, tıp alanından, haberleşme, bilgisayar ve hatta eğlence sektörüne kadar birçok alanda kullanılır hale gelmiştir [4, 5]. Günümüzde birçok farklı özelliğe sahip lazerler mevcuttur.

Şekil 1. Lazer çeşitleri [32]

Şekil 2. Lazer endüstriyel uygulama alanlarından bazıları

2. Lazerlerin Endüstriyel Uygulamaları

1958 yılında lazerin icadı ile lazerler birçok farklı alanda kullanılmaya başlanmıştır. Lazer teknolojiler, ülkemizde son 20 yılda çok hızlı bir yayılım grafiği göstermektedir. Endüstriyel alanda lazer kesme, lazer delme, lazer markalama, lazer kaynağı ve lazerle yüzey işleme uygulamaları oldukça fazla kullanım alanına sahiptir. Endüstriyel uygulamaların sektör bazında otomotiv, savunma sanayi, sanayi uygulamaları vb. önde gelmektedir. Şekil 3’te otomotiv sanayinde kullanılan lazer sistemi operasyonları görseli verilmiştir.

Şekil 3. Otomotiv sektöründe lazer imalat yöntemleri [6].

3. Lazerlerde Güvenlik

Lazerlerin sanayi uygulamalarının artması güvenlik problemlerini de yanında getirmektedir. Bu konuda özellikle lazer operatörlerinin eğitilmesi gerkmektedir. Lazer ışını, özellikle göze ciddi hasarlar verebilir ve bu hasar görme yetisini kaybetmeye kadar gidebilir. Yine lazer ışınları için gerekli önlem alınmadığı taktirde cilt ve deri yanıkları da oluşabilmektedir. Lazer güvenliğinin temeli ilk defa 1973’li yıllarda American National Standard Institute’nün, Lazerlerin Güvenli Kullanım Standartlarını (ANSI Z136.1) yayınlaması ile atılmıştır. Daha sonra lazer kullanımı ve güvenliği konusunda Uluslararası Elektroteknik Birliği (The International Electrotechnical Commission) IEC 825 standardını getirmiştir [7, 8].

Şekil 4. Lazer cihazlarının tehlike sınıflandırması [7-9].

Şu an dünyada ANSI Z131 ve IEC 825 standardı kullanılmakta olup ülkemizde böyle bir çalışma henüz yapılmamıştır. Fakat dünya çapında lazer standartlarının düzenlenmesi sonucunda çalışma güvenliğinin sağlanması amacıyla lazerler çeşitli tehlike sınıflarına ayrılmıştır [7, 8].

Şekil 5. Lazer tehlike sınıflarına göre sağlık ve güvenlik işaretleri [7-9].

4. Lazerlerin Endüstriyel Uygulamalarındaki Son Gelişmeleri

Ülkemizde ve dünyada lazerlerin kullanım alanının artması ve bu artışa bağlı olarak lazer teknolojilerinin oldukça önem kazanmasına neden olmuştur. Buna bağlı olarak lazer teknolojilerindeki gelişmeler son yıllarda oldukça hız kazanmıştır. Özellikle endüstriyel alanlardaki lazer uygulamalarında, gün geçtikçe lazer sistemi ihtiyaçları artmaktadır. Lazerlerde son yıllarda özellikle polimer veya plastik esaslı malzemeler üzerinde mekanik olarak yapılması güç olan mikro delik açma işlemleri bu yenilikçi uygulamalar arasındadır. Özellikle çok katmanlı imalatlarda, endüstride lazerle mikro delik açma yönteminin her geçen gün önemi artmaktadır. Mekanik olarak ulaşılamayan, ya da gerçekleştirilmesi zor olan mikro düzeydeki delik ve kanal açma işlemlerinin lazer teknolojisi ile gerçekleştirilebilir düzeylere gelebilmesi ülkemiz ve dünyadaki birçok sektörde, özellikle endüstride büyük avantajlar sağlamaktadır [9]. Ülkemizde Kocaeli Üniversitesi bünyesinde kurulan Lazer Teknolojileri Araştırma ve Uygulama Merkezi (Latarum) 2005 yılında kurulmuş ve merkezde lazer teknolojileri konularında güncel çözümler üretilmekte, eğitimler verilmekte, bilimsel araştırmalar ve projeler yapılmaktadır. Sanayi problemlerine çözümler sunan ülkemizin ilk ve tek merkezidir. Merkezde geliştirilen teknolojiler neticesinde lazerlerin metal yüzey temizliği, yüzey sertleştirme, mikromachining, pas sökme ve boya kaldırma konularında da kullanılabileceği gösterilmiştir. Bu konuda araştırma ve geliştirme çalışmaları devam etmektedir. Yakın zamanda lazerlerin sanayideki bilindik uygulamalarının dışında yukarıda bahsedilen uygulamalar için de kullanılabileceğini göreceğiz. Ayrıca merkezde polimerler, plastikler ve polimer esaslı kompozit malzemeler üzerinde de lazerli mikro delik açma, lazer kesim, metallerle kaynak edilmesi vb. işlemleri deneme çalışmaları da devam etmektedir. Metalik malzemelere göre ısıl etkilerden çok daha fazla etkilenen polimer esaslı malzemeler üzerinde lazer teknolojisi ile mikro boyutta delikler açılımı, polimerik malzemelerin üretim ve şekillendirilmesinde önemli bir artı sağlayacaktır. Lazerle yapılan polimer çalışmaları teknolojik uygulamalar açısından oldukça umut vericidir. Farklı lazer uygulamaları Şekil 6 ve 7 ‘de verilmiştir.

Şekil 6. Metal yüzeylerde lazerle yapılan işlemler.

Şekil 7. Polimer malzeme ve polimer esaslı kompozit malzemelerde lazerle mikro-delik açma işlemleri (PE1000 ve CTP malzemeler kullanılmıştır.).

Prof. Dr. Ersin Kayhan FBE/Elektro-Optik Sistem Mühendisliği Bölüm Başkanı Kocaeli Üniversitesi Müdür Yardımcısı / Latarum (Lazer Teknolojileri Araştırma ve Uygulama Merkezi)

Mehtap Türkmen FBE/Elektro – Optik Sistem Mühendisliği Kocaeli Üniversitesi Mekanik Ar-Ge Polin Waterparks

Serçin Basut Mekanik Ar-Ge Müdürü Polin Waterparks

Levent Candan Elektro-Optik Sistem Mühendisliği Kocaeli Üniversitesi Uzman Araştırmacı Latarum (Lazer Teknolojileri Araştırma ve Uygulama Merkezi)