5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye LAZER ÖLÇME, MUAYENE VE ANALİZ YÖNTEMLERİNDE TEKNOLOJİK GELİŞMELER TECHNOLOGICAL ADVANCES IN LASER MEASUREMENT, INSPECTION AND ANALYSIS METHODS Hüseyin ÖZDEN a, * ve Serap ÇELEN b a, * Ege Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü,İzmir, Türkiye, E-posta: huseyin.ozden@ege.edu.tr b Ege Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü,İzmir, Türkiye, E-posta: serap.celen@ege.edu.tr Özet Lazerli yöntemler, bir çok üstünlükleri nedeniyle, endüstriyel uygulamalarda konvansiyonel yöntem ve tekniklerin yerini almaktadır. İmalat sanayinde üretimin birçok kademesinde, malzemelerin işlenmesinde, ölçümlerinde, analizlerinde, kalite kontrollerinde, üretimin otomasyonunda lazerlerin kullanımı artmakta ve yaygınlaşmaktadır. Lazer ölçme, muayene ve analizleri endüstride geniş ve çok yönlü bir kulanım alanına sahiptirler. Mesafe, alan, hacim ölcümleri lazerlerle çok kısa sürede temassız ve büyük bir hassasiyetle yapılabilmektedir. Çok karmaşık parçaların geometrik boyutların ve şekillerin kontrollerinde boyut ve şekil toleranslarının doğruluğunun tespitinde olduğu gibi. Katı, sıvı, gaz maddelerin içerik analizlerinde, malzeme tanılarında, fiziksel ve kimyasal büyüklüklerin tespitinde, ölçümlerin ve verilerin analizlerinde, v.b. uygulamalarda lazerler tercih edilmektedirler. Bildiride, lazerlerle ölçme, muayene ve analizler ve bu alandaki teknolojik yenilikler hakkında kısa özet bilgiler verilmektedir. Lazer ölçme yöntemleri ile konvansiyonel ölçme yöntemlerinin genel bir karşılaştırması yapılmaktadır. Lazer ölçme, muayene ve analiz teknolojisinin Türkiye açısından bir değerlendirilmesi tartışmaya sunulmaktadır. Anahtar kelimeler: lazerler, ölçme, muayene analiz sistemleri, teknolojik gelişmeler. Abstract Recently, laser based mesurement methods has been replaced to conventional methods and techniques because of many superiorities. Laser-usage has rising and spreading in many steps of manufacturing such as processing of materials, measurements, analyses, quality control, automation of production in manufacturing industry. Laser-based measurement, inspection and analysis have been wide and multi-aspect usage region nowadays. Distance, area, volume measurements can be done non-contact with lasers in very short time and very great accuracy (precision). Such as determination of accuracy for shape and dimensional tolerances and controlling geometrical dimensions and shapes of complex parts. Lasers are preferred applications such as analysing content of solid, liquid and gas materials, examining materials, determining physical and chemical quantities, analysing measurements and data etc. In present manuscript, measurements with lasers, inspections and analyses and technological innovations and informations are given. A general comparison has been made laser-based measurement methods and conventional measurement methods. A discussion about laser measurement, inspection and analysis technology has been offered for the viewpoint of Turkey. Keywords: lasers, mesurement, inspection analysis systems, technologic developments. 1. Giriş Güvenli, yüksek hassasiyette, temassız, yerinde, hızlı, ve ekonomik, çok amaçlı kullanımlı, kolay ölçüm, analiz ve kontrol yöntemlerine olan gereksinim gün geçtikçe artmaktadır. Tabii ki bütün bu isteklere cevap verebilecek cihazlar, sistemler henüz bulunmamaktadır. Gelişme safhasında bulunan lazerli ölçme, analiz, kontrol yöntemleri ile bu istekler günümüzde karşılanabilinmektedir. Lazer teknolojisindeki gelişmelere paralel olarak, daha kaliteli ve ekonomik yeni lazerli ölçme, analiz, kontrol cihazlarında piyasaya sürülmektedir, [1,2,3,4,5]. Yeni cihazların ortak özelliklerinden biri satın alım fiyatlarının düşmesi, daha kompakt ve boyutlarının küçük ve rahatlıkla taşınabilir olmalarıdır. Örneğin, bilgisayar destekli, uzunluk, alan, hacim ölçümleri, seviye tespitleri için lazer cihazları artık çok ucuza, 5 ile 10 Euro ya Almanya daki marketlerde bulunabilmektedir. Daha profesyonel kullanımlı, (yüksek hassasiyetli, hızlı ölçüm ve hafızalı, bilgisayar bağlantılı) uzunluk, alan, hacim, seviye ölçümleri için cihazların fiyatları 30 ile 100 Euro arasında satın alınabilmektedir. Marketlerde satılan lazerli ölçüm cihazlarına örnek Şekil 1 gösterilmektedir. Cep telefonu büyüklüğündeki bu tip lazerli cihazlarla 0.10 m ile 50 m uzunluğundaki mesafeler, geometrik boyutlar 0,2 mm hassasiyetle üç-dört saniye içerisinde ölçülmektedir. Bu özelikteki lazerli ölçme cihazları, cep telefonları ile bütünleştirilmektedir. Lazerli ölçüm, analiz ve kontrol cihazlarının, sistemlerinin kullanım amaçlarına göre farklı versiyonları bulunmaktadır. Eski tip cihazların kapladıkları alan ve ağırlıkları büyük iken, yeni tip cihazların boyutları hayli küçülmüş ve taşınabilir hale getirilmişlerdir. Lazer makinelerindeki gözlenen verim, kalite artışı ve kompakt yapı, lazerli ölçme, analiz ve kontrol cihazlarına da yansımıştır [1,2,3,4,5,6]. Şekil 2 ve Şekil 3 te temassız ve yerinde ölçüm analiz ve kontroller için lazerli mobil cihazları gösterilmektedir.. IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
Holografik, - Triangulasyon vb.dir. Ölçülen Büyüklükleri ise; - mesafe uzunluk, - kalınlık, konturlar, yuvarlaklık, ovallik. Kat edilen mesafe, Titreşimler, Boyutsal deformasyonlar, uzama, genleşme, esneme miktarları, Yüzey pürüzlükleri, geometrik şekil ve boyutsal düzensizlikler. Şekil 1 Lazerli uzunluk, alan ve hacim cihazları Şekil 4 Lazer Ölcme yöntemin şematik çizimi 2. Lazerli ölçme, analiz ve kontrol yöntemleri, Endüstride yoğun kullanılan birçok ölçme yöntemleri bulunmaktadır. Prensip olarak ölçülen büyüklük özelliğine göre aşağıdaki gibi sınıflandırılma yapılabilir [5,6,7]. Her sınıfın çok sayıda alt ölçme grupları bulunmaktadır: Şekil 2 Mobil lazer ölçme, analiz ve kontrol cihazı [7] Şekil 3 Temassız uzak mesafelerdeki analizler için kullanılan mobil lazer emissions spektrometresi [7] Lazerli ölçüm, analiz ve muayene yöntemleri, lazer ışının farklı özeliklerinden, (güç, dalga boyu, polirizasyon, koherent, spektrum, yön, sapma, kırılma, faz acısı, frekans) yararlanılarak geliştirilmişlerdir [3,5,6,7]. Örneğin, maddelerin, malzemelerin içeriğinin, kimyasal analizlerinde, malzeme tanılarında lazerlerin dalga boylarından, malzeme plazmasının lazerli spektrum özeliğinden faydalanılmaktadır. Lazerli ölçme, analiz ve muayene yöntemi prensip olarak Şekil 4 te şematik olarak gösterilmektedir. Lazer malzemenin farklı yerlerine odaklanarak, optik lekede oluşturulan materyal plazmasının lazerli detektörlerle kimyasal analizi yapılmaktadır [6,7] Astronomide kullanılan lazerli uzaklık ölçme cihazlarda kat edilen mesafe, yansıma-zamanı esas alınmaktadır. Ölçme de kullanılan yöntemler: -projeksiyon, -yansıma zamanı, - odaklama, - İnterferometre, - 1. Geometrik lazer ölçme yöntemleri - Optik koordinat, - Projeksiyon, - Otofokus, (odaklanma) - Kat edilen mesafe-zaman - Triangulasyon 2. Koherent lazer ölçme yöntemi, (İnterferometre) - Uzunluk, - Lazer hız ölçer (velocimeter), - Holografi, 3. Optik kablo ölçme yöntemi, (Fasersensor) - Sıcaklık, - Genleşme, Esneme Uzama Malzemelerin kimyasal bileşenlerinin tespitinde, malzeme tanımlarında kullanılan lazerli yöntemde, lazer ışını objenin belirli noktasına yoğunlaştırılmaktadır. (Şekil 4, Şekil 5) Lazer lekesinde bir mikrogram büyüklüğünde malzeme buharlaştırılarak plazmanın oluşması sağlanmaktadır [7]. Lazer ışınları ile plazma içerinde buhar halinde bulunan elementlere ve miktar oranlarına göre bir spektrum oluşturulmaktadır. Malzemelerin tanımında, elementlerin tespitinde v.b. lazerspektrum analizinden yararlanılmaktadır. Kimyasal analizler için mikrogram büyüklüğünde malzemenin metal plazması yeterli olmaktadır. Bu yöntemle 50 ye yakın element büyük bir doğruluk payı ile tespit edilebilinmektedir.
Cihazların küçük, kompakt ve taşınabilir boyutta ve ekonomik olması. 3. Endüstride kullanım alanları Lazerli ölçme, analiz ve kontrol yöntemleri endüstride bilhassa imalat sektöründe geniş ve yoğun bir kullanım alanı bulunmaktadır. Lazerli yöntemler, ekonomik ve kaliteli, güvenilir sanayi üretimin olmasa olmazlarındandır. Tıpta, savunma sanayinde, Uzay araştırmalarında, yapı ve çevre mimarlığında, haberleşme sanayinde lazerli ölçme, analiz ve kontrol sistemlerin kullanımında hızlı bir şekilde yayılmaktadır. Şekil 5 Ölçüm lekesinde plazma ve krater oluşumu [7] Yöntemlerle ilgili detaylı bilgiler, Almanca ve İngilizce sözlü literatürde yeterli sayıda bulunmaktadır [3,4,5,6,7]. Lazerli ölçme, analiz ve kontrol sistemleri ile ilgili bazı bilgilere internet ortamından da ulaşılabilinmektedir. Bu çalışmada; prensip olarak lazerli ölçme, analiz ve kontrol, muayene yöntemlerine ve üstünlükleri üzerinde durulmaktadır. Endüstride, pratikte yoğun kullanımlara örnekler verilmektedir. 2.1. Lazerli Ölçme, analiz ve kontrol yöntemlerinin üstünlükleri Lazerli ölçme, analiz ve kontrol yöntemlerinin konvansiyonel yöntemlerine karşın başlıca üstünlüklerinin önem sırası dikkate alınmadan bir sıralanması; Temassız ölçme, analiz ve kontrol. Çok yüksek ölçme analiz ve kontrol hızları Büyük hassasiyet, değerlerinin yüksek doğruluğu ve güvenilirliği. Bozulma olasılığının çok az olması Uygulama sırasında çevresel ısı, nem, toz, rüzgâr v.b faktörlerden etkilenmemeleri Üretimin otomasyonunda entegrasyonu. Uzak mesafelerde temassız ve online ölçüm analiz etme imkânı. Daha önce mümkün olmayan veya tehlike arz eden ölçümler lazer ile mümkün olmaktadır. (Örneğin; elektrik akımlı, veya yüksek sıcaklıktaki parçaların aynı şekilde yüksek sıcaklıktaki proseslerin ölçüm analiz ve kontrollerin yapılabilinmesi) Online ölçme, analiz ve kontrol Ölçüm, kontrol ve analizlerin parça yerinde iken rahatlıkla uygulanabilmesi. Ölçüm, analiz ve muayenelerin bilgisayar destekli yapılabilmesi. Dataların, sinyallerin daha sonra değerlendirilmek üzere kaydedilebilir ve aktarılabilir olması. Mesafe, alan, hacim ölçümleri lazerlerle çok kısa sürede temassız ve büyük bir hassasiyetle yapılabilmektedir. Aynı şekilde materyal analizleri, malzemelerin içyapılarının ve ihtiva ettiği elementlerin tespitleri büyük bir doğrulukla çok kısa sürede gerçekleşmektedir. Üretimin belirli aşamalarında, hareket halindeki üretim bantlarında bulunan parçaların gerekli ölçüm, analizleri, kalite kontrolleri yapılabildiği gibi kalitesiz, hatalı, hasarlı ürünlerin üretim bantından ayrılmalarında, işaretlenmelerinde, üretim bandında parçaların tasnif edilmelerinde lazerli cihazlardan, sensörlardan faydalanılmaktadır. Sanayide imalat sektöründe olduğu gibi, tıpta da birçok hastalığın, hastalıklı dokuların üç boyutlu, hacimsel görüntülü teşhislerinde lazerler kullanılmaktadır. Savunma sanayinde lazerli silahlarda lazerli ölçme, analizi ve kontrol yöntemlerinden yararlanılmaktadır. Burada lazerli ölçme analiz, kontrol yöntemlerinin geniş bir kullanım yelpazesi bulunmaktadır. Hedef tespitinde, mesafe ölçümlerinde, düşman hedeflerinin üç boyutlu koordinatların belirlenmesinde lazerli ölçme sistemleri kullanılmaktadır. Ayrıca malzeme içeriği bilinmeyen silahların malzeme yapıları, kimyasal elementlerin tespitinde kullanılmaktadır. Eskiden çok külfetli zaman alıcı ve yanılma payı büyük olan ve uzman kişilerce yapılan kimyasal analizler, günümüzde kolaylıkla, fazla uzmanlığa gerek kalmadan kısa sürede lazerlerle yapılabilinmektedir. Lazerli yöntemler saklı ateşli silahların, bombaların, mayınların uzaktan tespitinde de başarı ile kullanılmaktadır. Kullanım alanlarına farklı örnekler fotoğraflı ve kısa İngilizce başlıklar altında Şekil 6 da verilmektedir.[7]
ihtiyaç duyulmaktadır. Lazer emissionspektrum analiz yöntemi ile temassız ve taşlama, frezeleme gibi talaşlı imalat işlemlerine yada numune hazırlanmasına gerek duyulmadan direkt kısa sürede kimyasal analizler gerçekleşmektedir. Uygulamada pulsu, (atılımlı) lazer cihazları kullanılarak aynı cihazla tüm ölçüm kademleri gerçekleştirilmektedir. Aynı yöntemle çelik içinde bulunan kalıntılar, (N, P, O, S) ve taneler arasındaki çökeltiler gibi malzeme hataları, dağılımları da tespit edilmektedir. Bu yöntemde 40 a yakın element, (Fe, C, Si, P, S, Ni, Cr, Mn, Cu, Al, Mo, V, Ti,..) saptanmaktadır. Emissionspektrum analiz yönteminde Nd -YAG katı lazeri, kullanılmaktadır. Kaynak bağlantılarında da kaynak malzemesinin ve ITAB bölgesinin kimyasal analizlerinde aynı yöntem kullanılmaktadır. Şekil 8. sualtında hiperbar ortamında kaynak edilen bağlantıların lazerli kimyasal analizlerine örnek verilmektedir. Su derinliğine bağlı olarak elementlerin yanma miktarlarını gösteren bir araştırmadan alıntı yapılmıştır. Kaynak bağlantılarındaki kaynak dikişinde elementlerin miktar ve dağılımları Şekil 8 de gösterilmektedir. Numunelerin kimyasal analizlerinde kullanılan konvansiyonel yöntemler zaman ve maliyet gerektiren çok külfetli, günlerce sürebilen analizler, lazerle birkaç saniye içerisinde büyük bir doğruluk payı ile gerçekleştirilmekte3dir. Konvansiyonel yöntemlerle kimya laboratuarında günlerce yapılan kimyasal analizlerde doğruluk payı yaklaşık % 50-60 civarındayken, lazer yöntemiyle bir iki saat içerisinde elde edilen değerlerin doğruluk oranı % 99 lara varmaktadır. Şekil 6 Lazerli ölçme, analiz, kontrol yöntemlerinin kullanım alanları, kısa başlıklar altında (Kaynak, Fraunhofer-Institut für Lasertechnik, [4] Mesafe, alan, hacim ölçümleri lazerlerle çok kısa sürede temassız ve büyük bir hassasiyetle yapılabilmektedir. Şekil 8 Lazerli analiz yöntemin hiperbarik ortamda br sualtı kaynak dikişinin kimyasal analizi protokolü Şekil 7. T-kaynağında lazer-emissionspektrometri ile mikron analiz; elementlerin dağılımı [7] Malzemelerin lazer ışını ile kimyasal kompozisyonlarının analizi kalite güvence ve kalite kontrolde yeni perspektifler açmaktadır. [7] Katı, sıvı, gaz maddelerin içerik analizlerinde, malzeme tanılarında, fiziksel ve kimyasal büyüklüklerin tespitinde, ölçümlerin ve verilerin analizlerinde, v.b. lazerli yöntemler tercih edilmektedirler. Proses kontrollerinde, malzemelerin üretiminde, örneğin çelik üretimi sırasında numunelerin kimyasal analizine Lazerli ölçme, analiz, kontrol yöntemlerinin kullanım alanlarına örnek olarak; - Gemi, Uçak tersanelerinde, Köprü, Metro inşaatlarında, Tünel kazılarında, maden ocaklarında yön, seviye, sapmasız doğrultu tayininde lazer cihazları kullanılmaktadır. - Lazerli radarlar, trafik kontrolünde otomobil gibi araçların hızların tespitinde kullanıldığı gibi deniz de gemilerin havada uçakların koordinatların, hızlarının ve de büyüklüklerinin tespitinde lazerlerden yararlanılmaktadır. - Alış-veriş merkezlerinde olduğu kadar lojistik sistemlerde, depolarda barkotların okunmasında lazerlerden yararlanılmaktadır. - Teknik yapılarda çeşitli nedenlerle ortaya çıkan titreşimlerin analizleri de lazerlerle yapılmaktadır. - Çok karmaşık
parçaların geometrik boyutların ve şekillerin kontrollerinde boyut ve şekil toleranslarının doğruluğunun tespiti ve, - Lazer ölçüm sistemleriyle takım tezgâhlarında vb eksensel kalibrasyonlar yapılabilmektedir. 4. Sonuçlar Lazerli ölçme, analiz ve muayene yöntemlerinin birçok üstünlükleri nedeniyle endüstride, bilhassa imalat sektöründe bilinen birçok konvansiyonel yöntemin yerini almıştır. Büyük hassasiyet, çok hızlı ve yerinde uygulama, hareketli ve tehlikeli objelere temassız uygulama lazerli yöntemlerin başlıca üstünlükleridir. Günümüzde, lazerli yöntemler kaliteli, ekonomik ve güvenilir üretimin olmasa olmazlarındandır. Sanayisi gelişmiş ülkelerde lazer teknolojisi hızla gelişirken, yeni ve geliştirilmiş, iyileştirilmiş lazer ölçme, analiz ve kontrol yöntemleri, cihaz-sistemleri piyasaya sürerlerken, Türkiye de bu alanda da kayda değer faaliyetlere rastlanmamaktadır. Lazer, optik teknolojisinin Türkiye de gelişmesi için bazı önlemlerin düşünülmesinde yarar vardır. Örneğin yurt dışında gönderilecek akademisyenlerin, öğrencilerin Türkiye de gereksimi duyulan teknolojilerde çalışmalarını, uzmanlaşmalarını şart koymak. Devlet teşvikli ortak projelerin yürütülmesini sağlamak, Devletin, TÜBİTAK, DPT projelerine ayırdığı kaynağının bir kısmının yeni teknolojilerin, (lazer, optik teknolojisinin) alt yapı imkanlarının geliştirilmesinde kullanılması. Üniversitelerde optik, lazer teknolojisi ile ilgili bölümlerin, enstitülerin açılması ilgili derslerin okutulması, bu konularda bitirme tezleri verilmesini teşvik edilmesi. Kaynaklar [1] Özden H. Lazer Teknolojisindeki Gelişmeler, Endüstride Kulanım Alanları C.Ü. 30-Yıl Sempozyumu, Adana, 2008. [2] Özden H. Çelen S., Çavuş N. 21. Yüzyılda Sanayide yenilenme sürecinde, lazer teknolojisi Yasar Üniversitesi Sempozyum, Mayıs 2007. [3] N.N., Laser tools, Buch, Trumpf, 2006, Vogel Buchverlag. [4] Mayer A., u.a. Optische Technologien Bundesministeriums für Bildung und Forschung, Berlin, 2008. [5] Ostendorf, Lasertechnik I, II Skripte, LZH, Laser Zentrum Hannover, 2006. [6] Raebsch K., Lasermesstechnik I, II; Grundlagen, Methoden, und Beispiele LZH, Lazer Zentrum Hannover, 2008 (www.lzh.de). [7] N.N., Systems for Material Analysis Fraunhofer- Institut für Lasertechnik ILT, (www. ilt.fraunhofer.de).