Takım Tezgahları moden imalat yöntemleri - lazerler TAKIM TEZGAHLARI BÖLÜM 9 ALIŞILMAMIŞ İMALAT YÖNTEMLERİ (MODERN TEZGAHLAR) LAZER İLE İŞLEME , LAZER TEZGAHLARI Öğr.Gör. Ömer ERKANLight Amplification Stimulated Emission Radiation Lazer tek bir dalga boyuna sahip yapışık ve yüksek bir ışıktır, atomik enerjiyi elektro manyetik enerjiye dönüştürürLAZERİN TARİHÇESİ • 1961 ALI JAVAN, WILLIAM BENNET JR. , DONALD HERRIOT - Bell Laboratuarlarında HeNe LAZER’in keşfi 1962 ROBERT HALL General Elektrik Laboratuarlarında yarı-iletken LAZER’in keşfi. • 1964 J. E. GEUSIC, H. M. MARKOS, L G VAN UITEIT- Bell Laboratuarları ilk çalışan Nd:YAG LAZER LAZERİN TARİHÇESİ1964 KUMAR N PATEL - Bell Laboratuarlarında CO 2 LAZER’in keşfi. 1964 WILLIAM BRIDGES - Hughes Laboratuarlarında Argon İyon LAZER’in keşfi. 1965 G PIMENTEL&J V V KASPER – Kaliforniya-Berkley ilk kimyasal LAZER 1966 W SILFVAST &G FOWLES AND HOPKINS - Utah üniversitesinde ilk metal buhar LAZER - Zn/Cd 1966 PETER SOROKIN, JOHN LANKARD IBM Laboratuarlarında ilk boya lazer. LAZERİN TARİHÇESİ1970 NIKOLAI BASOV GRUBU - Moskova Lebedev Laboratuarlarında Xenon (Xe) ile yapılan ilk Excimer LAZER 1974 J J EWING &C BRAU - Avco Everet Laboratuarlı ilk nadir gaz halojenür excimer . 1977 JOHN M J MADEY GRUBU - Stanford Üniversitesinde ilk serbest elektron lazeri. 1969 G M DELCO - Otomobil uygulamaları için üçlü lazerlerin ilk endüstriyel donanım 1980 G PERT GRUBU - İngiltere Hull Üniversitesinde X-ışını lazer etkisinin ilk raporu. LAZERİN TARİHÇESİ1984 D MATTHEW GRUBU - Lawrance Livermore Laboratuarlarında ilk X-ışını lazer gözlendi. 1981 A SCHAWLOW & N BLOEMBERGEN - Lineer olmayan optik ve spektroskopide Nobel fizik ödülü. LAZERİN TARİHÇESİ Lazerle oluşturulan plazmadan yayılan X-ışını X-ışını lazerin bir plazma ile etkileşimi X-ışını lazerler litografide ve Hohlaryum plazmaların incelenmesinde kullanılırLAZERİN ÇALIŞMA PRENSİBİ Uyarılmış ışıma ile kuvvetlendirilmiş ışık• Lazer kaynağı olarak kullanılan malzemenin (kristal, gaz, sıvı) yapısını oluşturan atomların en son yörüngelerindeki elektronları dışarıdan enerjilendirilerek (pumped) bir üst yörüngeye çıkması sağlanır . • Verilen enerji kesildiği zaman elektron tekrar kararlı konumuna geçer (bir alt yörüngeye düşer). Bu sırada kazanmış olduğu enerjiyi foton şeklinde yayar . LAZERİN ÇALIŞMA PRENSİBİ •Yayılan bu enerji lazer kaynağının iki tarafında bulunan yansıtmalı aynalar vasıtası ile kendi ortamında döndürülür. Bu işlem elektronların tekrar tekrar uyarılması ile devam eder. Böylece eş fazda şiddeti çok artarak uyarılmış ve o atomun frekans (renk) karakteristiklerini taşıyan güçlü bir ışınım (foton demeti) elde edilirBirleştirilmiş tipik bir lazer şemasıDALGA BOYLARI ve LAZERİN YERİ LAZERLAZERLERİN UYGULAMA ALANLARI ENDÜSTRİDE • Her türlü malzemeyi çok hassas bir şekilde kesme, delme ve kaynak işlemlerinde, • Mikro elektronikte dirençlerin aktif veya pasif olarak %0,01 hassasiyetinde üretilmeleri, • Çip üretiminde hat kalınlıklarının 0,25 µm’den az olarak desenlendirilmesi, • Yüksek ve uzun yapıların düzgünlüğünün ölçümü, • Yeni maddelerin analiz işlemlerinin yapılması,BİLİMSEL ARAŞTIRMALARDA • Çok hassas bilimsel ölçümler (ışık hızı ölçümü), • Yerküre üzerindeki hareketlerin hassas ölçümü, • Malzemelerin kimyasal analizleri.HABERLEŞMEDE • Yeryüzü ile uydular arası haberleşme sistemleri, • Haberleşme ağında fiber-optik sistemlerle birlikte kullanılması, • Yüksek yoğunlukta ses ve görüntü bilgileri depolanması.TIP ve ASKERİ ALANLARDA • Zarar görmüş dokuların keserek alınması, • Yaraların iyileştirilmesi, • Kanamanın durdurulması, • Göz retinasında oluşan zedelenmelerin giderilmesi, • Açısal hassasiyet (ışınımlarının doğrusal şekilde olması), • Uzun mesafelere ulaşma (Lazer gücünün yüksek olması), • Mesafe ölçümünde hassasiyet (darbe genişliğinin çok dar olması), • Kullanım kolaylığı (küçük boyutta ve hafif olmaları).Atom Helyu m - Neon İyon Argon iyon Kripton iyon Molekül CO 2 Nitroje n Uzak Kızıl Altı Excime r Metal Buhar Bakır Buharı Altın Buharı Boya Laz. Yakut Nd- YAG Ti- Safir Diyot X Işını Serbest elektro n Fiber•Metal yüzeyler tarafından soğurulması CO 2 lazerden daha iyi olduğu için Nd:YAG lazerlerin kullanılması daha uygundur. •Nd:YAG lazerin ışıması optik fiber yoluyla çalışılacak parça üzerine taşınabilir. Bu kullanmayı kolaylaştırır ve demet anahtarlaması, bölüştürülmesi ve şekillendirilmesi için olasılıkları oluşturur. •Sanayide metalleri özellikle de yansıtıcı metalleri kesme, delme işlemlerinde tercih edilir. Seramik gibi metal olmayan materyalleri işlemede de kullanılır. •Nd:YAG lazerler küçük parçaların veya ince malzemelerin kaynak işlemlerinde kullanım avantajına sahiptir. Nd:YAG LAZERLERİ Lazer ışığı elde etmek için kullanılan kristaller Nd:YAG kristalleridir. Nd: Neodmium, Y: Yitrium, A: Aliminium, G: Garnett kristallerini simgelerCO2 lazeri, kızıl-altı bölgede, aktif ortamı karbon dioksit olan lazerlerdir. Dalga boyu 10.6 micron olan CO2 lazeri 40kW’a kadar güce sahip olabilir. Rezonatör içinde yüksek gerilim ile uyarılan gaz sonucu oluşan demet, bir noktaya aynalar veya mercekler ile taşınır. İşlemedeki başarı gazın saflığına bağlıdır. Eksenel gaz akışlı lazer Aynalar Lazer demeti Lazer aktif ortamı Elektriksel deşarj Gaz akışı Lazer demet ekseni Endüstride özellikle 2-12 kW’a kadar güç gerektiren uygulamalarda kullanılır. CO2 lazeri birçok metal, plastik, ağaç, kuvars, seramik ve cam işlemede tercih edilmektedir CO 2 LAZERLERİFemtosaniye (10 -15 ) atım süresine sahip lazerlerdir • Femtosaniye lazerlerin malzeme işlemede kullanılması ile üretimi yapılan Malzemelerin boyutları nanometre (nm) mertebelerine kadar indirilmiştir. Fotolitografi tekniği kullanılarak sadece düzlemsel yüzeyler işlenebilirken femtosaniye lazerler kullanılarak 100 nm mertebelerinde 3 boyutlu metal ve dielektrik malzemeler işlenebilmektedir • 100 fs süreli bir atım insan saçının küçük bir bölümünü kat ederken, ışık bir saniyede dünyanın çevresini 7,5 kez dolaşır. • Femtosaniye lazer atımları ile malzeme işlemenin temel avantajları: • Verim, hızlı ve yerel enerji aktarımı. • İyi tanımlanmış deformasyon ve aşındırma. • Minimum ısısal ve mekanik zarar . Ti-Saphire LAZERLERPlastik medikal alet üzerine açılmış delik (~80um) ve lazerle kaynak edilmiş ameliyat bileşeni Paslanmaz çelikte 10 µm çapında delikler. Hücre çekirdeği (850 nm) Nöron büyümesi (730 nm) Büyüyen polen (930 nm) Ti-Saphire Lazerler ile üretilebilen fs lazerlerin kullanım alanlarıX-ışını lazerler, lazerle oluşturulan yüksek yoğunluklu plazmalar kullanılarak üretilir. Dalga boyları 35 Å ile 400 Å arasında değişim gösterir. ÜRETİM ÇEŞİTLERİ 1. Tekrar-birleşme ile pompalanan 2. Çarpışma ile pompalanan -Yarı kararlı durum (QSS) pompalaması -Çok kademeli atımlı pompalama -Geçici pompalama -Optik alan iyonlaşma (OFI) pompalaması -Kılcal tüpte deşarj Pinhole kamera Kristal spektrometre CCD CCD Uzaysal çözücü eksenel spektrometre Hedef Ekseni Döner ayna OAP OAS HEDEFX-ışını lazerlerin uygulama alanları 0.25 µm yapılar 0.2 µm yapılar X-ray mikroskobu ile elde edilen kök sperm hücresi LİTOGRAFİ PLAZMA İNCELEME GÖRÜNTÜLEME MİKROSKOBUNDA •Fiber Lazerler, halen yoğun bir şekilde kullanılmakta olan CO 2 ve Nd-YAG malzeme işleme lazerlerine etkin bir alternatif oluşturmaktadır. • Dalga boyu aralığı, güvenilirlik, yoğunluk, verim ve benzersiz performans parametreleri nedeniyle lazer teknolojilerinde geniş bir alanda uygulanabilir ve kullanılabilir olmaya adaydır. •Yeni üretilen fiber lazerlerinin gücü 20W’a kadar ulaşmıştır. •Lazer başlığının, deflector (saptırma) biriminin ve tedarik biriminin boyutlarının küçüklüğü, küçük makinelerin entegrasyonunu ve çizgilerin üretimini kolaylaştırır. •Markalama kalitesi ve pek çok sayıdaki uygulama için daha kısa süre sağlayan, yüksek seviyede frekans kararlılığı ve mükemmel ışın kalitesine sahiptir. Tüm malzemelerim markalanmasında kullanılabilir. •100.000 saat diyot ömrü •Az yer kaplar •Yüksek verim CO 2 - 10%, Nd-YAG - 2%, Fiber - 25% •Katı-hal lazer teknolojisi •Fiber optik dağıtıcı ile korunan yüksek kalitede ışın FİBER LAZERLERKesme (Cutting) Kaynak (Welding) Hibrit Kaynak (Hybrid welding) Yazı kazıma (Etching) Fiber Lazerlerin tercih edildiği malzeme işleme yöntemleri•Yarı iletken lazerlerdir ve p-n ekleminden (p-n junction) elektrik akımı geçirilmesi ile elde edilen bir aktif ortama sahiptir. •Yarı-iletken diyotlar önemli elektronik parçalardır. Yaklaşık 0.5 W gücündeki yarı iletken diyotlar, Telekomünikasyonda kolay monte edilebilir olması ve fiber optik iletişim ile kolaylıkla etkileşebilen ışık kaynakları olduğundan dolayı tercih edilirler. •Rangefinder gibi ölçü aletelerinde, Barkot okuyucularda kullanılır. Görülebilir lazerler özellikle kırmızı ve yeşil lazer pointer olarak kullanılır. • CD çalıcı, CD-ROMS ve DVD teknolojilerinde kızıl-altı ve kırmızı lazer diyotlar kullanılır. •Mavi lazerler, HD-DVD ve Blu-Işın teknolojilerinde kullanılır. Yüksek güçlü lazer diyotlar (yaklaşık 100 W ile 2 kW arasında), ısıtma, kaplama, dikiş kaynak gibi endüstriyel uygulamalarda geniş olarak kullanılır. • Yüksek hız ve düşük maliyet nedeniyle tercih edilirler. YARI İLETKEN DİYOT LAZERLERMOD • Mod, lazer ışınının yoğunluk değişimi olarak adlandırılmaktadır. K katsayısının değeri azaldıkça, ışının kalitesi de düşmektedir. • Dolayısıyla bir lazer ışınının en küçük odak çapına ve en küçük enerji yoğunluğuna sahip olabilmesi için bu temel moda mümkün olduğu kadar yaklaşması gerekmektedir. K katsayısı azaldıkça lazer ışınının odaklanma yarıçapı büyümekte ve ışın kalitesi azalmaktadırMOD GRAFİK GÖSTERİM UYGULAMA ÖRNEK Sürekli Mod Düşük basınçlı kesme, normal kesme, yüksek basınçlı kesme DKP O 2 ile, Alüminyum N 2 ile, Paslanmaz N 2 ile sabit güç ile hassas kesme elde edilir. Modülasyon Mod Köşeleri kesme, hızlanma ve durma Aktif modülasyonda lazer gücü eksen hızına ayarlanır. Böylece sivri köselerdeki yanık izlerinden kaçınılır. Normal Mod Delme, ince saclardaki hassas konturlar. DKP sac üzerindeki Başlama delikleri küçük delikler hassas delikler SuperPlus Mod Delme, yüksek yansıtma özelliğine bağlı malzemeler. Bakır N 2 ile, paslanmaz O 2 ile MegaPlus Mod Delme, kalın saclarda hassas konturlar. Kalın malzemelerde az artık ile hızlı delme, O 2 ile çinko deliği.BAZI LAZER TÜRLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI Karşılaştırma CO 2 Lazeri Nd: YAG Lazeri Excimer lazeri Dalga Boyu (µm) 10,6 1,06 0,3-0,2 Tahrik Tekniği Düşük basınçlı gaz boşaltımı Ark lambası Yüksek basınçlı gaz boşaltımı Çalışma Şekli CW/P P/CW P Maksimum Güç (kW) 25 2 0,4 Darbe Gücü (kW) 10 kW’a kadar 100 kW’a kadar 30000 kW’ a kadar Işın Kalitesi Maksimum Düşük Düşük Verimlilik (%) 5-10 2-5 1-2 Fiyat (€) 500.000 800.000 650.000 Kullanım Yeri Termik prosesler, makro işleme Termik Prosesler, mikro işleme Mikro alanda termik olmayan işlemeLAZER İLE KESİM 1. CO 2 lazer rezonatörü, uyarılmış karbon atomlarının oluşturduğu tek dalga uzunluğundaki hafif yayınım. 2. Dağıtıcı ayna 3. Direkt görüş periskobu 4. Direkt görüş periskobu 5. İyon tutcular 6. Odaklama Lensi 7. Kesme kafası 8. Kesici Uç (Nozzle) 9. İş parçasıKESİCİ KAFA •Rezanatörden gönderilen uyarılmış karbon atomları lazer ışınını meydana getirir . •optik aynalardan geçirilir ve iyonlar tutulur •Lazer ışını kesmeden hemen önce odaklama lensinde toplanır • kesici uç (nozzle) dan geçirilerek parça üzerine etki ettirilir . KESME OLAYI Lazer ışını Kesici Gaz İ parçası Nozzle (uç) Hava Kesme kafasıİKİZ LAZER SİSTEMİ •Lazerler münferit odaklanma noktasına sahiptirler • Aynı enerji için %70-100 arasında daha fazla kesme hızına sahip olurlar . •Üstün kesme kalitesi sunar . •Önem arz eden işler yapılırken bir lazer devre dışı kalsa dahi %50 güç ile iş tamamlanabilir . LAZERDE FARKLI MALZEMELERİN İŞLENEBİLİRLİĞİ Endüstriyel çelikler •Endüstriyel çeliklerde, kesme gazı olarak oksijen kullanılmaktadır. Lazer tezgahı sürekli ışın (CW) modunda kullanılır. Bu çeliklerde karbon yüzdesi arttıkça, kesme kenarlarında malzemenin sertleşme özelliği artar ve köşelerde yanık izlerinin oluşumuna sebebiyet verir. Sertleşmenin kesim hızıyla bir ilgisi yoktur. Alaşım oranı fazla malzemelerin kesmek, düşük alaşım oranına sahip malzemeleri kesmekten zordur. •Oksijen, kesme gazı olarak kullanıldığından kesme hattında çok az oksitlenme oluşur. Kesme gazı olarak yüksek basınçlı azot kullanılırsa, 4 mm’ye kadar kesim yapmak mümkündür. •Bunun sonucu olarak kesim hattında oksitlenme görülmez. Fakat kesim hızı, oksijenle kesim hızıyla kıyaslandığında oldukça yavaştır . •Oksijenle kesme hızının %10 ile %30’una 23 ulaşılabilir. Oksitli malzemeler ve temiz olmayan malzeme üzeyleri düşük kesim kalitesine sebebiyet verirPaslanmaz Çelik • Bu çeliklerde, oksijen kesme gazı olarak kullanılabileceği gibi, yüksek basınçlı azot ile de kesim yapılabilir. • Eşit kalınlıktaki paslanmaz çelikte; yüksek basınçlı azot, oksijene göre daha hızlı bir kesim sonucu verir. • Azotla kesimde, 5 mm’den kalın paslanmaz çeliklerde çapaksız kesim yapılabilmesi için, odak pozisyonunun ayarlanması gereklidir. • Odak pozisyonunun ayarlanması ve kesim hızının düşürülmesi düzgün kesimi sağlar.Paslanmaz Çelik • Alüminyum alaşımları, yüksek yansıtma özelliği ve ısıl iletkenliğine sahip olmasına rağmen 6 mm kalınlığa kadar kesim işlemi yapılabilmektedir . • Alüminyum ve alaşımlarının lazer ile kesiminin sürekli modda yapılması tavsiye edilmektedir . • Alüminyum alaşımlarının, paslanmaz çelik gibi oksijen ve yüksek basınçlı azot ile kesimi mümkündür . • Kesme gazı olarak oksijen olarak kullanılması kesim yüzeyinde pürüzlülüğün oluşumuna ve az da olsa çapak oluşumuna sebebiyet verir . • Kesimin azot ile yapılmasıyla, kesim yüzeyinde oksijene göre daha temiz bir yüzey elde edilir . 4 mm’ye kadar çapaksız kesim elde edilmektedir . • Saf alüminyumun yüksek yansıtma özelliği nedeniyle 4 mm’ye kadar lazer kesimi mümkündürTitanyum • Titanyumda en uygun kesme gazı bir soy gaz olan argondur. Fakat azot da kullanılabilmektedir. Kesim gazı olarak oksijen kullanılmaz. • Oksijen ile yapılmak istenirse titanyum yüksek sıcaklıkta yanarBakır ve Pirinç • Bakır ve pirinç yüksek ısı iletkenliği ve yüksek ısı yansıtma özelliklerine sahip olduklarından 3 mm’ye kadar kesimleri mümkündür . • Bakırın 3 mm’ye kadar kesilmesinde kesme gazı olarak oksijen kullanılır . • Azot, yüksek yansımaya sebep olmakla beraber ekipmanlara zarar verebilir . • Pirinçlerin, 3 mm’ye kadar kesimde, azot ve oksijen kesme gazı olarak kullanılıp, yüksek basınçla işlem yapılır . • Oksijen ile yapılan kesimler daha kaliteli olduğundan dolayı avantajlıdırSentetik Malzemeler • Sentetik malzeme olarak termoplastik, termoset malzemeler ve sentetik kauçuk malzemeler işlenebilir. • Çok yoğun duman çıkmasından dolayı PVC ve polietilen malzemeleri lazer işlerken su jeti kullanılmalıdır. • Akrilik cam lazer ile kesilebilir. Kesme gazı olarak basıncı 0,5 bardan daha düşük olmak üzere azot kullanılır. Bu yolla daha parlak kesme yüzeyi elde edilebilirOrganik Malzemeler • Tahta, deri, kağıt lazer ile işlenebilir. İşlenmiş kenarlar, yanmaktan kömür haline gelecektir. • Yapışkan tahta işlerken her yapışkan tipi ve çeşidine bağlı olarak temiz bir işleme garantisi elde etmek imkansızdırLAZERLE KESMENİN AVANTAJLARI • Laser kesim teknolojisi ile yüksek işleme hızına ulaşılmakta ve birim maliyet düşerken kalitesinin artması. • Parça imalatında kalıp maliyeti yoktur. • Aynı plaka sac üzerinden birbirinden farklı parçalar işlenebilir. • Fire oranı minimum seviyeye indirilir. • İşlenecek parçaların uygun olması durumunda ortak yüzeyler beraber kesilerek maliyet azaltılabilir AVANTAJLAR • Çapaksız bir kesim sağlanır ve ısı deformasyonu minimum seviyedir. • Ek işlem gereksinimi yoktur • Sac deformasyonları yoktur • Sac kalınlığının yarısı çapındaki delikler işlenebilir • Her türlü yazı, resim, amblem sac üzerinden kesilebilir ve markalanabilir. • 0,05 mm hassasiyet ile parçalar kesilebilirLAZER TEZGAHLARITRUMPF TRUMATIC L4030TABLAIŞIN ODASIKONTROL ÜNİTESİKESME KAFASIKESME GAZLARINOZZLE (UÇLAR)İŞLEME VİDEOLARIİŞLEME VİDEOLARITEZGAH VİDEOSUBÖLÜM 9 SONU BÖLÜM 10 ALIŞILMAMIŞ (MODERN) İMALAT YÖNTEMLERİ PLAZMA İLE KESİM, PLAZMA TEZGAHLARI 5354