Lazerle Derin Oyma Tekniğinde EN 7075 Alüminyum Alaşımı için İşlem Parametrelerinin Etkilerinin Taguchi Methodu Kullanılarak İncelenmesi

Transkript

1 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 8, No: 2, 2011 (41-54) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 8, No: 2, 2011 (41-54) TEKNOLOJĐK ARAŞTIRMALAR e-issn: Makale (Article) Lazerle Derin Oyma Tekniğinde EN 7075 Alüminyum Alaşımı için İşlem Parametrelerinin Etkilerinin Taguchi Methodu Kullanılarak İncelenmesi Şefika KASMAN Dokuz Eylül Üniversitesi, Đzmir Meslek Yüksekokulu, Tek. Prog. Böl., Buca/ĐZMĐR Geliş Tarihi: Kabul Tarihi: Özet Bu çalışmanın amacı, EN 7075 alüminyum alaşımının Fiber lazer kullanılarak oyulması işleminde işlem parametrelerinden etkin gücün, tarama hızının, frekansın ve tarama aralığının yüzey pürüzlülüğüne (Ra) ve oyma derinliğine (D) olan etkilerini araştırmaktır. Oyma işlem parametrelerinin etkileri Taguchi L 18 ortogonal deney düzeni kullanılarak araştırılmıştır. Varyans analizi ve sinyal - gürültü oranlarının sonuçları kullanılarak parametrelerin istatistiksel sel olarak Ra ve D üzerindeki etkileri incelenmiştir. Sonuçlar, tarama hızının ve gücün hem Ra hem de D için en yüksek ve anlamlı etkiye sahip olduğunu bununla birlikte frekansın, hem Ra hem de D üzerinde ihmal edilebilecek kadar küçük bir etkiye sahip olduğunu göstermiştir. Tarama aralığının, D üzerinde ikinci anlamlı etkiye sahip parametre olduğu fakat Ra üzerinde aynı etkinliğe sahip olmadığı tespit edilmiştir. Optimum koşullara göre doğrulama test deneyleri yapılmıştır ve sonuçlar göstermiştir ki, hesaplanan tahmini değerlerle ölçülen değerlerin sonuçları neredeyse aynıdır. Bu nedenle, Taguchi metodunun Ra ve D için optimal koşulların belirlenmesinde kullanılabileceği düşünülmektedir. Anahtar Kelimeler: Lazer derin oyma, Taguchi Metodu, Yüzey pürüzlülüğü, Oyma derinliği Investigation of the Effects of Process Parameters in Laser Deep Engraving Technique Using Taguchi Method for EN 7075 Aluminum Alloy Abstract The objective of this study is to investigate of the effects of engraving parameters including laser power, scan speed, frequency and fill spacing on the surface roughness (Ra) and engraving depth (D) of EN 7075 aluminum alloy machined by fiber laser system. The effects of engraving parameters were investigated using Taguchi L 18 orthogonal array. Using results of analysis of variance (ANOVA) and signal-to-noise noise ratio, effects of parameters on both Ra and D were statistically investigated and presented in this paper. The results showed that the scan speed and laser power has highest significant effect and percentage contribution for both Ra and D. However, the frequency has a slight effect for both Ra and D which can be neglected. The fill spacing is second significant parameters for D but, it has not similar effect on the Ra. Using the results of optimal conditions, a confirmation experimental test was conducted for both Ra and D and showed that the predicted values and measured values from the experimental tests is almost similar. Therefore it is concluded that Taguchi method can be used to find out the optimal conditions for both Ra and D. Keywords : Laser deep engraving, Taguchi Method, Surface roughness, Engraving depth Bu makaleye atıf yapmak için Kasman Ş. *, Lazerle Derin Oyma Tekniğinde EN 7075 Alüminyum Alaşımı için Đşlem Parametrelerinin Etkilerinin Taguchi Methodu Kullanılarak Đncelenmesi Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2011, 8(2) How to cite this article Kasman Ş. *, Investigation of the Effects of Process Parameters in Laser Deep Engraving Technique Using Taguchi Method for EN 7075 Aluminum Alloy Electronic Journal of Machine Technologies, 2011,, 8(2) 41-54

2 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011(8) Lazerle Derin Oyma Tekniğinde EN 7075 Alüminyum Alaşımı 1. GĐRĐŞ Lazer ışın demetinin mikronluk bir alana odaklanabilir olması, önceleri imkânsız olarak değerlendirilen birçok konstrüksiyonun imalatını mümkün kılmaktadır. Lazer yardımıyla metal bir iş parçası yüzeyinde özellikle dar ve karmaşık şekillerin oyulması işleminin, kalıp, model v.b. yapımında kullanılan talaşlı işleme yöntemlerine alternatif ve gelişmekte olan yeni bir yöntem olduğu düşünülmektedir. Karmaşık geometriye ve dar tolerans aralıklarına sahip iş parçalarının talaşlı imalat yöntemleri kullanılarak işlenmesi çoğu zaman sıkıntı yaratmaktadır. Lazer ışının kesici bir takım gibi kullanılması ve işlem sırasında talaş oluşumunun söz konusu olmaması hem takım kaynaklı problemlerin hem de iş parçasında talaş takım etkileşimi sonucu meydana gelebilecek işleme hatalarını eline etmektedir. Malzeme çeşidinde ve sertliğinde sınırlandırma olmaksızın her geometriye uygulanabilir olması bununla birlikte esnek üretim çeşitliliği ve işlem süresinin kısa olması bu yöntemi talaşlı imalat yöntemlerine göre metal işleme endüstrisinde öne çıkarmaktadır. Son yıllarda lazer üretiminin kolaylaşması ve yaygınlaşması bu sistemlerin özellikle otomotiv, havacılık, biyomedikal, elektronik v.b. endüstrilerde; kesme, delme, kaynak, oyma, ısıl işlem, yüzey kaplama ve markalama gibi uygulamalarda kullanımını yaygınlaştırmıştır. Lazer ışını yardımıyla işleme tekniklerinin hepsi temelde aynı çalışma sistemine sahiptir. Yüksek yoğunlukta ve iş parçası yüzeyine odaklanmış bir lazer ışını, hedef geometrinin yüzeyinde hareket ettirilir. Lazer ışının iş parçasıyla teması sonucunda bölgesel ve çok hızlı gelişen termal bir reaksiyon başlar ve sonuçta bir miktar metal işlem görmüş yüzeyden buharlaştırılarak uzaklaştırılır. Işının işlenecek yüzeydeki hareketi sonrasında kaldırılan malzeme miktarı mikron seviyelerinde olduğu için oyma işlemi belirli bir tekrar sayısından sonra tamamlanmaktadır. Her seferinde kaldırılan malzeme miktarı iş parçasının malzeme cinsine ve seçilen parametrelere bağlı olarak değişmektedir. Lazerle oyma yönteminde proses çıktılarında en iyi sonuçları elde edebilmek için işleme ait parametrelerin etkilerinin doğru tespit edilmesi gerekmektedir. Lazer yardımıyla yapılan tüm işleme tekniklerinde prosese etki eden parametre sayısı çoktur ve her birinin çıktı üzerinde tek başına yada birlikte etkisi vardır. Parametrelerin hangi değerlerde beklenen yada beklenene yakın sonuç verdiğinin ve işlem performansında en iyinin elde edilmesine yönelik hangi iyileştirmelerin yapılmasının gerektiği deneysel olarak tespit edilmelidir. Ancak her parametrenin çıktı performansı üzerindeki etkisinin tespiti hem maliyet hem de zaman kaybına neden olmaktadır. Bu amaçla, en iyi performans için yönteme ait parametre girdilerinin iyileştirilmesi amaçlanan hedef değere göre (optimal kritik değer) belirlenmesi gerekmektedir. Đmalat endüstrisinde mevcut şartlarda prosesteki değişkenlerin farklılıklarının ortaya çıkarılmasında prosese etki eden faktörlerin ve bu faktörlerin farklı değerlerinin meydana getirdiği kombinasyonların her birinin etkileri deneylerle belirlenebileceği gibi istatistiksel deney tasarım yöntemleriyle de belirlenebilmektedir. Deney tasarımı yöntemiyle proses performansına etki eden faktörlerin ve seviyelerinin belirlenmesine yönelik ilk istatistiksel çalışmalar 1920 lerde istatistikçi R.A. Fisher tarafından tarımsal uygulamalar için gerçekleştirilmiştir. Đmalat endüstrisindeki uygulamaları 1980 lerde G.Taguchi tarafından başlatılmış ve üretimde sağladığı olumlu sonuçlar bu yöntemin uygulama alanını genişletmiştir den günümüze endüstrinin birçok alanında uygulanan istatistiksel deney tasarım yöntemleri gerçeğe yakın sonuçlar vermesi ve uygulama öncesi proseste önlemler alınmasında etkili olması bilimsel çalışmalarda da işleme ait girdi ve çıktılar arasındaki ilişkilendirilmelerde ve modellerin oluşturmasında kullanılmaktadır. Literatürde lazer sistemleri sıklıkla kaynak, yüzey sertleştirme, kesme gibi işlemler için kullanılmış ve işlem performansına etkileri araştırılmıştır. Lazer oyma işlemi ile ilgili literatürde çok az sayıda çalışmaya rastlanmıştır. Leone ve ark. Nd: YAG lazer kullanarak ahşapların lazerle oyulmasında işlem parametrelerinin oyma derinliğine etkisini araştırmışlardır [1]. Wendland ve ark, çelik ve alüminyum malzemelerin Q-anahtarlamalı Nd: YAG lazer kullanarak derin oyma işleminde işlem parametrelerinin 42

3 Kasman Ş. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011(8) yüzey pürüzlülüğüne ve oyma derinliğine etkisini araştırmışlardır [2]. Campanelli ve ark. 30W lık Nd:YVO 4 lazer kullanarak alüminyum magnezyum alaşımı işlenmiş ve işlem parametrelerinin yüzey pürüzlülüğüne ve oyma derinliğine etkilerini faktöriyel analizle araştırmışlardır [3]. Kaldos ve ark. Nd: YAG lazer kullanarak işlenmesi zor metaller ve seramiklerin işlenmesinde işlem parametrelerinin yüzey pürüzlülüğüne ve oyma derinliğine etkilerini faktöriyel analizle araştırmışlardır [4]. Melkote ve ark. 35W sürekli modda fiber lazer kullanarak sertleştirilmiş takım çeliğinin işlenebilirliğini araştırmışlardır [5]. Slocombe ve ark. Q-anahtarlamalı 75 W gücündeki Nd: YAG lazer ile metal/polimer kompozit malzemelerin argon gazı atmosferinde işlenmesini araştırmışlardır [6]. Deney tasarım yöntemlerinden Taguchi metodu kullanılarak 20W gücündeki Fiber lazer markalama sistemi ve bu sistemde kullanılan parametrelerle ile ilgili herhangi benzer bir çalışmaya rastlanılmamıştır. Bu çalışmada endüstride oyma işleminde kullanılan lazer sistemlerinden farklı bir lazer sistemi olan Fiber lazer markalama sistemi kullanılmıştır. Farklı bir sistemin ve dolayısıyla işleme parametrelerinin etkilerinin değişkenlik göstereceği düşüncesiyle maksimum çıkış gücü 20W olan Fiber Lazer markalama sisteminin oyma yönündeki performansı yüzey pürüzlülüğü ve oyma derinliği için araştırılmıştır. Bu kapsamda EN 7075 alüminyum alaşımına farklı işleme parametrelerinin oluşturduğu deney kombinasyonlarına göre oyma işlemi uygulanmış ve en iyi yüzey pürüzlülüğünün ve en yüksek oyma derinliğinin elde edilebileceği optimal parametreler Taguchi metodu kullanılarak tespit edilmiştir. 2. DENEY TASARIMI Endüstride üretim çeşitliğinin artması ve alternatif ileri imalat yöntemlerinin gelişmesiyle birlikte üründen beklenen maksimum performansın elde edilmesine yönelik çalışmalarda da artış görülmektedir. Bu amaçla yapılan araştırmalar, üründe proses değişkenlerinin yarattığı varyasyonlar ve etkilerinin belirlenmesine yönelik olmuş bununla birlikte daha az maliyet ve zaman kaybıyla en iyiyi belirlemek yönünde araçlar denenmiştir. Sistemde ürün üzerinde etkisinin olduğu düşünülen parametrelerin her birinin farklı değerleri için kombinasyonlar oluşturmak ve bunlar için deneysel uygulamaları gerçekleştirmek maliyet ve zaman kaybıyla birlikte proseste kontrol edilemeyen faktörlerin etkilerinin tespitinin zorlaşması, istatistiksel deney tasarımlarının endüstride kullanımını arttırmıştır. Kalite maliyetlerinden ve üründen beklenen sonuçlarda güvenirliliği arttırması deney tasarım yöntemlerini istatistiksel bir araç olmaktan çıkarmış, araştırma geliştirme aracı olarak tamamlayıcı kalite faaliyetleri arasına yerleştirmiştir. Optimum deney şartlarının belirlenmesine yönelik birçok deneysel yöntem bulunmaktadır. Bunlar arasında en güçlü araçlar istatistiksel deney tasarım yöntemleridir ve iki farklı deney tasarım yöntemi; faktöriyel analiz ve Taguchi metodu kalite kontrolde sıklıkla kullanılmaktadır. Bu araçlar kalite değişkenlerini ürünle birlikte tasarlayıp üründeki varyasyonu azaltıp kalite kontrol sürecini ortadan kaldırmaktadır. Endüstride metal işleme uygulamalarında Taguchi metodu en güvenilir sonuçları vermesi sebebiyle tercih edilmektedir. Taguchi Metodu, parametrelerin ürünü ne ölçüde etkilediğinin tespitine yönelik araçları sunmaktadır. Bunun için ürün ve proses tasarımını gerçekleştirerek prosesteki varyasyonu en aza indirmeye yönelik çözümler oluşturmaktadır. Bu metot, hedef ürün kalitesini belirlemeye yönelik çalışmaları, üretim başlamadan önce hem ürün hem de proses tasarımı olarak iki aşamada değerlendirilmiştir [7]. Her iki tasarım, üç temel aşamayı da kullanmaktadır. Bunlar, sistem tasarımı, parametre tasarımı ve tolerans tasarımıdır. Sistem tasarımı aşamasında, mühendislik ve bilimsel prensipler kullanılarak ürünün beklenen performansı sağlamasına yönelik prototip üretim yapılır. Parametre tasarım aşaması, üründe çıkabilecek varyasyonların (farklılıkların) en aza indirilerek imalat ve sonraki kullanım aşamalarında maliyetleri azaltmaya yönelik faaliyetleri içermektedir. Burada amaç farklılık yaratan faktör ve seviyelerin ürün üzerindeki etkisini en aza indirecek tedbirleri almak ve parametreler için en uygun değerlerin seçilmesini sağlamaktır. Tolerans tasarımı aşamasında amaç ürün için belirlenen kalite hedefine ulaşma yönünde 43

4 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011(8) Lazerle Derin Oyma Tekniğinde EN 7075 Alüminyum Alaşımı seçilen her bir parametrenin nominal değer etrafındaki tolerans değerlerini belirlemektir. Ürünün hedef değerden farklı bir sonuç vermesi durumunda kayıplar tespit edilerek sapmalar hesaplanır. Taguchi kayıp fonksiyonu, beklenen hedef değerle deneysel değer arasındaki sapmadır ve sinyal/gürültü (S/N) oranına dönüştürülerek hesaplanmaktadır [8,9]. S/N oranının hesaplanmasında sıklıkla kullanılan üç farklı karakteristik; hedef (nominal) değer en iyi, en küçük en iyi ve en büyük en iyidir. Bu çalışmada, en düşük yüzey pürüzlülüğü değeri en iyi performansı ifade edeceğinden ve literatürde işlenmiş yüzeylerde en düşük yüzey pürüzlülüğü değeri için en küçük en iyi S/N karakteristiği kullanılması sebebiyle analizlerde minimum yüzey pürüzlülüğü için en küçük en iyi S/N karakteristiği kullanılmıştır. Bununla birlikte, maksimum oyma derinliği değeri için en büyük en iyi S/N karakteristiği kullanılmıştır. Bu kapsamda deneysel çalışmalarda kullanılacak S/N oranı formülleri aşağıdaki gibidir [8-10]. En küçük en iyi: η n 2 = S / N = 10 log Yi n i= 1 En büyük en iyi: 1 (1) n 1 1 η= S / N = 10log 2 (2) n i= 1 Yi Burada, Y i : Performans karakteristik değeri (yüzey pürüzlülüğü ya da oyma derinliği) n: Deney sayısı Burada amaç S/N oranını maksimize etmektir [10]. Dolayısıyla değerlendirmelerde, her bir parametre için hesaplanan ortalama S/N oranları içinde en büyük S/N oranına sahip seviye en iyi sonucu belirlemede kullanılmaktadır. Bu çalışmada, en düşük yüzey pürüzlülüğü (oluşturulan deney sınırları içindeki en düşük değer) ve en yüksek oyma derinliği değeri (oluşturulan deney sınırları içindeki en yüksek değer) en iyi sonucu yani en iyi performansı ifade etmektedir. Deneysel çalışmalardan elde edilen verilerin analizi, parametrelerin çıktı (yüzey pürüzlülüğü yada oyma derinliği) üzerindeki etkilerinin istatistiksel olarak güvenirliliğinin ve farklı seviyelerin nasıl bir değişkenlik meydana getirdiğinin belirlenmesi amacıyla varyans analizi (ANOVA) yapılır [7]. Bu çalışmada, ANOVA analizi için anlamlılık düzeyi %95 (α=0,05) olarak seçilmiştir. Bu analiz sonucunda eğer P değeri (olasılık değeri) 0,05 den küçük olursa parametrenin çıktı üzerindeki etkisinin istatistiksel olarak anlamlı olduğu kabul edilmektedir. Parametrelerin her bir seviyesi için ortalama S/N oranın grafiksel gösteriminden yararlanılarak her bir parametre için optimal bir seviye belirlenmektedir. Buna göre, parametrelerin her bir seviyesi için tespit edilen S/N oranı kullanılarak tahmini bir değer hesaplanmaktadır. Tahmini S/N oranı ve çıktı (yüzey pürüzlülüğü ya da oyma derinliği) değerinin hesaplanmasında 3 numaralı formül kullanılmaktadır [8,9]. n η= η + ( η η ) (3) m i m i= 1 Burada, ƞ : Tahmin edilen S/N oranı 44

5 Kasman Ş. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011(8) ƞ m : Toplam ortalama S/N oranı ƞ i : parametrenin i. seviyesindeki S/N oranı Bununla birlikte optimal değerler için doğrulama test deneyi yapılmaktadır. Test deneyi sonucunda işlenmiş yüzeyin ölçümünden elde edilen değer ile 3 nolu formülden elde edilen tahmini değer karşılaştırılarak oluşturulan kombinasyonun çıktı üzerindeki performansı kontrol edilebilmektedir. Genel bir ifadeyle, bir prosesin tasarım aşaması en önemli aşamadır ve doğru sistemin seçilmesi ve kontrol edilebilen proses parametreleri için uygun değerlerin (seviyelerin) belirlenmesi faaliyetlerini kapsamaktadır. Böylece, ürünü etkileyen ve kontrol edilemeyen faktörlere karşı kontrol edilebilen faktörlerin değerlerini optimal seçerek üründeki ve prosesteki varyasyon en aza indirilebilmektedir [7]. 3. MALZEME ve METOT 3.1 Malzeme Lazer derin oyma deneysel çalışmaları için kalıp imalatında sıklıkla kullanılan ve kimyasal bileşimi Tablo 1 de verilen EN 7075 alüminyum alaşımı kullanılmıştır. Numuneler oyma işleminden önce 40x150x20mm ölçülerinde dikdörtgen kesitli lamalar halinde kesilerek tüm yüzeyleri taşlanmıştır. Tablo 1. EN 7075 alüminyum alaşımının kimyasal analizi Si Fe Cu Mg Mn Zn Al 0,298 0,277 0,087 2,902 0,287 0,075 Kalan 3.2 Oyma Đşlem Parametrelerinin Seçimi Đş parçası malzemesine ve lazer markalama sistem özelliklerine bağlı olarak yapılan ön çalışmalardan elde edilen sonuçlara göre dört farklı parametre; lazer ışın tarama hızı, güç, frekans ve tarama aralığının farklı değerleri için oyma işlemi başarıyla gerçekleştirilebilmiştir. Seçilen dört farklı parametre ve her bir parametrenin farklı seviyeleri Tablo 2 de listelenmiştir. Tablo 2 deki parametre ve seviyeleri için Tablo 3 de görülen Taguchi L 18 orthogonal deney düzeni seçilmiş ve deneysel çalışmalar bu düzene göre gerçekleştirilmiştir. Sembol Tablo 2. Lazer oyma işlem parametreleri Parametre Seviyeler TA Tarama Aralığı (mm) 0,02 0,04 - G Etkin Güç (W) F Frekans (khz) TH Tarama Hızı (mm/s) Deney tasarımı kullanılmadan parametrelerin yüzey pürüzlülüğüne ve oyma derinliğine olan etkilerinin tespiti için faktöriyel deney düzeninde toplam 54 deney yapılması gerekirken Taguchi ortogonal deney düzenine göre toplam 18 adet deneyle oyma işlem performansı ve etkileri tespit edilebilmektedir. 3.3 Lazer Oyma Yöntemi 45

6 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011(8) Lazerle Derin Oyma Tekniğinde EN 7075 Alüminyum Alaşımı Lazer derin oyma işlemi için maksimum çıkış gücü 20W olan Fiber lazer markalama sistemi kullanılmıştır. Oyma işlemi Tablo 3 de verilen deney düzenine göre, metal yüzeyine 175mm de odaklanmış olan ışının 10mmx10mm lik bir alanın paralel tarama yönünde (0º) yirmi kez taramasıyla gerçekleştirilmiştir. 3.4 Ölçümler Bu çalışmada oyma işleminin çıktısı ve performansı yüzey pürüzlülüğü ve oyma derinliğidir. Deneysel çalışmalar sonucunda aşağıdaki yöntemlere göre ölçümler yapılmıştır Yüzey Pürüzlülüğü Ölçümleri Yüzey pürüzlülük ölçümleri için Mitutoyo SJ 301 yüzey pürüzlülük ölçüm cihazı kullanılmıştır. Ölçümlerde örnekleme uzunluğu 0,8mm ve ölçüm uzunluğu 5mm olarak seçilmiştir. Pürüzlülük parametresi olarak Ra seçilmiştir ve yüzey pürüzlülüğü değerlendirmelerinde bu parametre kullanılmıştır. Đş parçasının işlenmiş yüzeyinde beş farklı noktadan işleme yönüne zıt yönde pürüzlülük ölçümleri yapılmıştır ve beş ölçümün ortalaması nihai yüzey pürüzlülük (Ra) değeri olarak kullanılmıştır ve sonuçlar µm olarak verilmiştir Oyma Derinliği Ölçümleri Deney numunelerinin oyma derinliği ölçümleri için Mitutoyo dijital komparatör kullanılmıştır. Đş parçasının beş farklı bölgesinden alınan ölçümlerin ortalaması nihai oyma derinliği (D) değeri olarak kullanılmıştır. Derilik ölçüm sonuçları µm olarak verilmiştir. Tablo 3. Taguchi L 18 orthogonal deney düzeni Deney no TA G F TH 1 0, , , , , , , , , , , , , , , , , ,

7 Kasman Ş. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011(8) SONUÇLAR Tablo 2 deki oyma işlem parametrelerine göre oluşturulan ve Tablo 3 de gösterilen Taguchi L 18 ortoghonal deney düzenine göre gerçekleştirilen deneyler sonrasında, işlem görmüş yüzeylerin yüzey pürüzlülüğü ve oyma derinliği ölçülmüştür. Ölçüm sonuçları S/N oranlarının hesaplanmasında ve ANOVA analizinde kullanılmıştır. Bu kapsamda değerlendirilen sonuçlar aşağıdaki başlıklar altında verilmiştir. 4.1 Yüzey Pürüzlülüğü için S/N oranı ve ANOVA analizi L 18 deney düzenine göre yapılan oyma işleminde ölçülen Ra değerleri ve S/N oranları Tablo 4 de listelenmiştir. Tablo 4 de verilen S/N oranları, deneyler sonucunda ölçülen Ra değerleri kullanılarak 1 numaralı formüle göre hesaplanmıştır. Tablo 5 de verilen ortalama S/N oranları parametrelerin her bir seviyesi için hesaplanmıştır. Hesaplamalar sonrasında her bir parametre için belirlenen en büyük S/N oranı, en iyi deney sonucunu yani en düşük yüzey pürüzlülük değerini ifade etmektedir. Buna göre hem Tablo 5 de verilen ortalama S/N oranları hem de Şekil 1 de gösterilen S/N oranlarının grafiksel gösterimine göre minimum yüzey pürüzlülüğü için belirlenen deney kombinasyonu tarama aralığı için 0,02mm, güç için 12W, frekans için 40kHz ve tarama hızı için 1200mm/s dir. Tablo 6, ANOVA analizi sonuçlarını göstermektedir. Tabloda verilen P değeri sonuçlarına göre frekans hariç diğer tüm parametrelerin yüzey pürüzlülüğü üzerinde istatistiksel olarak anlamlı bir etkiye sahip oldukları tespit edilmiştir. Tablo 4. L 18 deneysel çalışma sonuçlarına göre yüzey pürüzlülüğü (Ra) ve S/N oranları Deney no TA G F TH Ra S/N 1 0, ,50-17,5 2 0, ,09-15,69 3 0, ,62-13,29 4 0, ,53-21,96 5 0, ,19-19,27 6 0, ,68-15,09 7 0, ,62-20,52 8 0, ,19-17,13 9 0, ,07-23, , ,48-14, , ,20-19, , ,62-18, , ,54-21, , ,10-17, , ,86-21, , ,23-20,2 17 0, ,38-23, , ,33-21,82 47

8 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011(8) Lazerle Derin Oyma Tekniğinde EN 7075 Alüminyum Alaşımı Tablo 5. Yüzey pürüzlülüğü (Ra) için ortalama S/N oranları Seviye Parametreler TA G F TH 1-18,22 * -16,54 * -19,37-21, ,74-19,34-18,59 * -19, ,07-18,99-16,25 * Rank * Optimal seviye Tablo 6. Yüzey pürüzlülüğü (Ra) için ANOVA analiz sonucu Parametre Serbestlik Derecesi Kareler Toplamı Ortalama Karelerin TA 1 10,376 Toplamı 10,376 15,83 0,003 6,64 F P Faktör Etkisi (%) G 2 62,566 31,283 47,72 0,000 40,04 F 2 1,803 0,902 1,38 0,297 1,15 TH 2 74,952 37,476 57,17 0,000 47,97 Hata 10 6,555 0,655 4,20 Toplam , TA (mm) G (W) F (khz) TH (mm/s) -17 Ra için S/N (db) ,02 0, Şekil 1. Yüzey pürüzlülüğü (Ra) için parametrelerin ortalama S/N oranları Parametrelerin yüzey pürüzlülüğü üzerindeki etkinlik yüzdeleri, Tablo 6 da gösterilmiştir. ANOVA tablosundaki etki yüzdelerine göre yüzey pürüzlülüğü üzerinde en yüksek etkiyi tarama hızı göstermektedir ve etki oranı %47,97 dır. Tarama hızından sonraki en yüksek etkiyi güç göstermektedir ve etki oranı %40,04 dir. Görüldüğü gibi tarama hızı ve güç birbirine yakın etki oranına sahiptirler. Bununla birlikte, P değerine göre tarama aralığı, yüzey pürüzlülüğü üzerinde anlamalı bir etki gösterse de etki yüzdesi (%6,64) incelendiğinde tarama hızı ve güce göre oldukça düşük bir etki göstermektedir. Frekansın P değeri incelendiğinde, yüzey pürüzlülüğü üzerinde istatistiksel olarak anlamlı bir etki 48

9 Kasman Ş. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011(8) göstermediği tespit edilmiştir ve etki oranı (%1,15) da diğer parametrelerle karşılaştırıldığında ihmal edilebilecek kadar küçüktür. 4.2 Oyma derinliği için S/N oranı ve ANOVA analizi L 18 deney düzenine uygun olarak oluşturulan deney kombinasyonlarına göre yapılan oyma işlemlerinde oyulmuş yüzeylerin derinlik ölçüm sonuçları ve 2 numaralı formüle göre hesaplanan S/N oranları Tablo 7 de listelenmiştir. Parametrelerin her bir seviyesi için hesaplanan ortalama S/N oranları Tablo 8 de gösterilmiştir. Tablodaki en büyük S/N oranı en yüksek oyma derinliğini ifade etmektedir. Buna göre maksimum oyma derinliği için Tablo 8 de ve Şekil 2 de gösterilen en büyük S/N oranlarına göre belirlenen deney kombinasyonu; tarama aralığı için 0,02mm, güç için 20W, frekans için 40kHz ve tarama hızı için 300mm/s dir. Tablo 9 da ANOVA sonuçları görülmektedir. P değerlerine göre güç, tarama hızı ve tarama aralığı oyma derinliği üzerinde istatistiksel olarak anlamlı ve önemli bir etkiye sahipken frekansın etkisi yoktur. Faktörlerin oyma derinliği üzerindeki etkisi incelendiğinde en yüksek etkiyi tarama hızı göstermektedir ve etkisi % olarak hesaplanmıştır. Tarama hızının dışında en yüksek etki oranına sahip parametreler tarama aralığı ve güçtür ve etki oranları sırasıyla %31,25 ve %14,74 dür. En düşük etkiyi frekans göstermektedir ve etkisi %0,55 olarak hesaplanmıştır. Tüm deneylerde hata payının etkisi % 4.88 olarak hesaplanmıştır ki bu değer ihmal edilebilecek kadar küçüktür. Tablo 7. L 18 deneysel çalışma sonuçlarına göre oyma derinliği (D) ve S/N oranları Deney no TA G F TH D S/N 1 0, ,44 2 0, ,23 3 0, ,95 4 0, ,10 5 0, ,34 6 0, ,28 7 0, ,81 8 0, ,14 9 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,17 49

10 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011(8) Lazerle Derin Oyma Tekniğinde EN 7075 Alüminyum Alaşımı Tablo 8. Oyma derinliği (D) Ortalama S/N oranları Seviye Parametreler TA G F TH 1 44,45 * 38,42 40,74 45,82 * 2 38,04 41,53 41,78 * 41, ,79 * 41,22 36,09 Rank * Optimal seviye Tablo 9. Oyma derinliği (D) için ANOVA analiz sonucu Parametre Serbestlik Derecesi Kareler Toplamı Ortalama Karelerin TA 1 184,748 Toplamı 184,748 64,10 0,000 31,25 F P Faktör Etkisi (%) G 2 87,163 43,581 15,12 0,001 14,74 F 2 3,254 1,627 0,56 0,586 0,55 TH 2 287, ,597 49,82 0,000 48,58 Hata 10 28,821 4,88 Toplam ,181 TA (mm) G (W) F (khz) TH (mm/s) 45,0 D için S/N (db) 42,5 40,0 37,5 35,0 0,02 0, Şekil 2. Oyma derinliği (D) için parametrelerin ortalama S/N oranları 4.3 Doğrulama Deneyleri Minimum Ra değerinin tespitinde parametrelerin her bir seviyesi için en büyük S/N oranı belirlenmiş ve oluşturulan yeni deney kombinasyonuna göre doğrulama test deneyi yapılmıştır. Parametrelerin belirlenen seviyeleri için hesaplanan S/N oranı ve Ra değeri Tablo 10 da gösterilmektedir ve bu değerlere göre optimal kombinasyonun Ra değeri ve S/N oranı aşağıdaki gibi hesaplanmıştır. 50

11 Kasman Ş. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011(8) Tablo 10. Yüzey pürüzlülüğü (Ra) için parametrelerin optimal seviyeleri Đşlem Parametreleri Seviye Ra (µm) S/N (db) TA 1 8,72-18,22 G 1 6,92-16,54 F 2 8,86-18,59 TH 3 6,72-16,25 Ra = TA 1 + G 1 + F 2 + TH 3 3.Y Ra = 8,72 + 6,92 + 8,86 + 6,72 3.(9,4) = 3,02µm S/N = TA 1 + G 1 + F 2 + TH 3 3.Y S/N = 18,22 16,54 18,59 16,25 3.( 18.98) = 12,66 db Hesaplanan sonuçlar incelendiğinde hem Ra değeri hem de S/N değerinde belirgin bir iyileşme tespit edilmiştir. Bu durum optimizasyon işleminde parametrelerin seviyelerinin doğru seçildiğini göstermektedir. Parametrelerin belirlenen seviyelerine göre oluşturulan deney kombinasyonu için doğrulama test deneyleri gerçekleştirilmiştir. Oyma sonrasında işlenmiş yüzeyin Ra değeri 3,17µm olarak ölçülmüştür. Maksimum D değeri için her bir parametrenin optimal seviyeleri için belirlenen değerler Tablo 11 de verilmiştir ve bu değerlere göre optimum kombinasyonun D değeri ve S/N oranı aşağıdaki gibi hesaplanmıştır. Tablo 11. Oyma derinliği (D) için parametrelerin optimal seviyeleri Đşlem Parametreleri Seviye D (µm) S/N (db) TA 1 183,44 44,45 G 3 173,33 43,79 F ,78 TH 1 209,33 45,82 D = TA 1 + G 3 + F 1 + TH 1 3.Y D = 183, , ,33 3.(139,11) = 297,11µm S/N = TA 1 + G 3 + F 2 + TH 1 3.Y S/N = 44, , , ,82 3.(41,24) = 52,12 db Oyma derinliği için yapılan hesaplamada optimum değerlerin her birinden daha yüksek bir oyma derinliği ortaya çıkmıştır ve bu durum seçilen değerlerin en derin oyuğun oluşturulmasına yönelik doğru bir kombinasyon oluşturulduğunu göstermektedir. Doğrulama test deneyi için yapılan oyma işleme sonrasında ölçülen oyma derinliği değeri 294µm olarak ölçülmüştür. Ölçülen bu değerden daha yüksek bir değer (308µm) oluşturulan deney kombinasyonu içinde var olan bir koşulda elde edilmiştir. Bu koşul ile seçilen koşul arasındaki tek fark frekanstır. ANOVA analizleri sonunda frekansın bu çalışmadaki 51

12 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011(8) Lazerle Derin Oyma Tekniğinde EN 7075 Alüminyum Alaşımı deney koşulları için istatistiksel olarak anlamlı olmadığı ve büyük değişkenlikler yaratmadığı tespit edilmiştir. 5. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDĐRĐLMESĐ Deney sonuçları göstermiştir ki tarama hızı arttıkça yüzey pürüzlülüğünde iyileşme buna karşın oyma derinliğinde azalma meydana gelmektedir. Tarama hızının her iki proses çıktısı üzerindeki etkinliğinin yüksek olmasının sebebi, lazer ışının metal ile etkileşim süresinin tarama hızıyla belirlenmesinden kaynaklanmaktadır. Tarama hızı azaldığında etkileşim süresinde artma aksi durumda azalma meydana gelmektedir. Etkileşim süresi arttığı zaman iş parçasına aktarılan ısı girdisi artacak ve dolayısı ile buharlaşan metal miktarı yüksek olacaktır. Lazer ışının metal ile etkileşim süresi yüksek olduğunda, oyuk içinden dışarıya doğru katılaşan metal miktarı da yüksek olmaktadır ki bu durum yüzey pürüzlülüğünde artış meydana getirmektedir. Lazer çıkış gücü metale aktarılan ısı girdisinde etkilidir ve artan güç ısı girdisinde de artış meydana getirmektedir. En yüksek oyma derinliğinin tespitinde gücün en yüksek değerinin seçilmesinin sebebi de bu durumla açıklanabilmektedir. Frekans, hem yüzey pürüzlülüğünde hem de oyma derinliğinde aynı değeri (40kHz) vermiştir. Sonuçlara göre frekansın tek başına herhangi bir etkiye sahip olmadığı görülmektedir. Bununla birlikte tarama aralığının, yüzey pürüzlülüğünde ve oyma derinliğinde etkili bir parametre olduğu tespit edilmiştir. Tarama aralığı aynı yöndeki iki tarama sırası arasındaki mesafedir. Bu mesafe arttıkça hem yüzey pürüzlülüğü hem de oyma derinliği azalmaktadır. Bu çalışmada en düşük tarama aralığında (0,02mm) en yüksek oyma derinliği değerleri elde edilmiştir. 6. SONUÇLAR Bu çalışma kapsamında 20W gücünde Fiber lazer markalama sistemi kullanılarak EN 7075 alüminyum alaşımının yüzeyinde 10mmx10mm lik bir alanda oyma işlemi gerçekleştirilmiş ve işlem parametreleri olarak tarama aralığı, etkin güç, frekans ve tarama hızı seçilmiştir. Bu parametrelerin farklı seviyeleri için deney tasarımı yöntemlerinden biri olan Taguchi metodu kullanılarak toplam 18 farklı deney kombinasyonu oluşturulmuş ve deneyler sonucunda oyulmuş yüzeylerin yüzey pürüzlülüğü ve oyma derinlikleri ölçülmüştür. Ölçümlerden elde edilen değerler istatistiksel olarak parametrelerle ilişkilendirilmiş ve her bir parametrenin farklı seviyelerinin etkilerine göre tahmini sonuçlar elde edilmiş ve bu sonuçlar gerçek oyma uygulaması ile test edilmiştir. Bu çalışmalardan aşağıdaki sonuçlar çıkarılmıştır. Tarama hızının yüzey pürüzlülüğüne etkisi % 47,97 ve oyma derinliğine etkisi % 48,58 olarak hesaplanmıştır. Her iki sonuç göstermişti ki, tarama hızı lazer oyma işleminde hem yüzey pürüzlülüğü hem de oyma derinliği üzerinde etkinliği yüksek bir parametredir. Tarama hızı arttırılarak yüzey pürüzlülüğü iyileştirilebilirken oyma derinliği düşmektedir. Ancak, en iyi yüzey kalitesini veren tarama hızında yapılan oyma işleminde, derinliği artırmak için tarama sayısını artırmak oyma derinliğinde de beklenen sonuca ulaşmada olumlu cevabın alınabileceği düşünülmektedir. Deneysel çalışmalar sonrasında, etkin gücün hem yüzey pürüzlülüğünde hem de oyma derinliğinde etkili bir parametre olduğu tespit edilmiştir ve etki yüzdesi de sırasıyla %40,04 ve %14,74 olarak hesaplanmıştır. ANOVA analizinden hesaplanan P değerine göre frekans hem yüzey pürüzlülüğü hem de oyma derinliği üzerinde anlamlı bir etkiye sahip değildir ve her ikisi için optimal değer 40 khz olarak tespit edilmiştir. Tarama aralığının P değeri ve yüzde etkisi incelendiğinde tarama aralığının yüzey pürüzlülüğü üzerindeki etkinliği istatistiksel olarak anlamlı olsa bile etki yüzdesinin tarama hızına ve etkin güce göre çok küçük (%6,64) olduğu tespit edilmiştir. Buna karşın tarama aralığının oyma derinliğindeki 52

13 Kasman Ş. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011(8) etkinliğinin yüksek olduğu tespit edilmiştir ve etki yüzdesi de %31,25 olarak hesaplanmıştır. Hem oyma derinliği hem de yüzey pürüzlülüğü için deneysel çalışmalar sonunda belirlenen optimal tarama aralığı 0,02 mm dir. Minimum yüzey pürüzlülüğü için belirlenen deney kombinasyonu TA 1 G 1 F 2 TH 3 dür ve bu deney koşulu için hesaplanan değer 3,02µm iken uygulama test deneyi sonucunda ölçülen değer 3,17µm dir. Her iki sonuç birbirine çok yakın çıkmıştır ve bu sonuç, parametrelerin seçilen seviyelerinin doğruluğunun ve yapılan deneylerin güvenirliliğinin yüksek olduğunun göstergesidir. Maksimum oyma derinliği için belirlenen deney kombinasyonu TA 1 G 3 F 2 TH 1 dir. Bu koşullarda hesaplanan oyma derinliği 297,11µm dir ve uygulama test deneyi sonucunda ölçülen değer 294µm dir. Oyma derinliği için elde edilen sonuçlar birbirine çok yakın çıkmıştır. Optimal deney koşullarında hem yüzey pürüzlülüğü hem de oyma derinliği için hesaplamalar yapılmış ve doğrulama test deneyleri sonrasında ölçümler gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar karşılaştırıldığında neredeyse aynı değerler elde edilmiştir ki bu sonuçlar Taguchi metodunun oyulmuş yüzeyin kalite problemlerinin çözümünde uygun bir metot olduğunu göstermektedir. 7. ÖNERĐLER Fiber lazer kullanılarak derin oyma tekniğinin endüstride uygulanabilirliliğinin deneysel bir araştırması olan bu çalışmada seçilen parametre ve seviyeleri, işlem performansını iyileştirme amaçlı olarak yüzey pürüzlülüğü ve oyma derinliği için araştırılmıştır. Lazer oyma işlemi genel olarak endüstride işleme toleransları dar olan karmaşık geometriler için alternatif yöntemler arasında en başarılı sonucu verebileceği düşünülen bir yöntemdir. Đşleme koşullarının doğru belirlenememesi işlem görmüş yüzeylerde beklenenin dışında sonuçlar verebilir. Dolayısıyla hem parametrelerin hem de parametrelere ait değerlerin doğru değerlerde belirlenmesi gerekmektedir. Bu çalışma endüstride benzer uygulamalar için referans olabilecek sonuçları kapsamaktadır. TEŞEKKÜR Deneysel çalışmalarda kullanılan lazer sistemi Đzmir de faaliyet gösteren Lazer Mikron Ltd. Şirketi tarafından sağlanmıştır. Katkılarından dolayı teşekkür ederim. 8. KAYNAKLAR 1. Leone, C., Lopresto, V., Iorio, I. De., 2009, Wood engraving by Q-switched diode-pumped frequency-doubled Nd:YAG green laser, Optics and Lasers in Engineering, Cilt 47, No 1, Wendland, J., Harrison, P. M., Henry, M., Brownell, M., 2005, Deep Engraving Of Metals For The Automotive Sector Using High Average Power Diode Pumped Solid State Lasers, International congress on application of lasers & electro optics, Miami 3. Campanelli, S.L., Ludovico, A.D., Bonserio, C., Cavalluzzi, P., Cinquepalmi, M., 2007, Experimental analysis of the laser milling process parameters, Journal of Materials Processing Technology, 191, Kaldos, A., Pieper, H.J., Wolf, E., Krause, M., 2004, Laser machining in die making - A modern 53

14 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011(8) Lazerle Derin Oyma Tekniğinde EN 7075 Alüminyum Alaşımı rapid tooling process, Journal of Materials Processing Technology, , Melkote,S., Kumar, M., Hashimoto, F., Lahoti, G., 2009, Laser assisted micro-milling of hard-tomachine materials, CIRP Annals - Manufacturing Technology, 58, No 1, Slocombe, A., Li, L., 2000, Laser ablation machining of metalrpolymer composite materials, Applied Surface Science, , Savaşkan, M.,Taptık, Y ve Ürgen, M., 2004 Deney tasarımı yöntemi ile matkap uçlarında performans optimizasyonu, itüdergisi/d, Cilt 3, no 6, Nalbant, M., Gökkaya, H., Sur, G., 2007, Application of Taguchi method in the optimization of cutting parameters for surface roughness in turning, Materials and Design, 28, Lin, Y.C., Chen, Y.F., Wang, D.A., Lee, H. S., 2007, Optimization of machining parameters in magnetic force assisted EDM based on Taguchi Method, Journal of Materials Processing Technology, 191, Sakarya, N., Göloğlu C., 2006, Taguchi yöntemi ile cep işlemede kullanılan takım yolu hareketlerinin ve kesme parametrelerinin yüzey pürüzlülüğüne etkisinin belirlenmesi, J.Fac.Eng.Arch.Gazi Univ., Cilt 21, No 4,