5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye LAZER MİKRO İŞLEME PARAMETRELERİNİN YÜZEY KALİTESİNE ETKİSİNİN DENEY TASARIM YÖNTEMİYLE BELİRLENMESİ DETERMINATION OF THE EFFECT OF LASER ENGRAVING PARAMETERS ON SURFACE ROUGHNESS USING DESIGN OF EXPERIMENTS Şefika KASMAN a, * a, * Dokuz Eylül Üniversitesi, İzmir Meslek Yüksekokulu, Teknik Prog. Böl., İzmir,Türkiye, sefika.kasman@deu.edu.tr Özet Lazer oyma tekniği genellikle mikro boyutta oyma işlemleri için kullanılmaktadır. Klasik imalat yöntemleri ile karşılaştırıldığında, lazer oyma tekniği birçok avantajlara sahiptir. Dar/küçük çalışma alanlarında işleme kolaylığı sağlaması, kalıp ve model imalatında da uygulanabilmektedir. Ölçüsel hassasiyet ve doğruluğun yüzey işleme teknolojilerinde kalite özelliğinin göstergesi olması sebebiyle iyi bir yüzey kalitesi elde edebilmek için işleme ait parametrelerin iyi ayarlanması gerekmektedir. Bu çalışmada, oyma parametrelerinin yüzey pürüzlülüğüne etkisi değerlendirilmiştir. Optimal oyma parametreleri, en düşük yüzey pürüzlüğü için Taguchi metodu kullanılarak belirlenmiştir. Deneysel çalışmalar için EN 5754 alüminyum alaşımı kullanılmıştır. İki farklı oyma parametresi; tarama hızı ve güç, en iyi yüzey pürüzlülüğü için optimize edilmiştir. Sonuç olarak, Taguchi metodunun oyulmuş yüzeyin kalite problemlerinin çözümünde uygun bir metot olduğu düşünülmektedir. Anahtar Kelimeler: Deney tasarımı, Lazer oyma, Yüzey pürüzlülüğü Abstract The laser engraving tecnique is commonly used to produce microsize engraves. Compared to the conventional method, the laser engraving tecnique has several advantages such as machining narrow and small area which is suitable for producing model and die. The dimensional precision and correctness in the surface machining technology is indicator of the quality features. The process of the parameters must be specified correctly to achive best surface quality. In this study, the effect of engraving parameters on the surface roughness was evaluated. Optimal engraving parameters for minimizing the surface roughness were determined by Taguchi method. The material was investigated an aluminium alloy grade 5754. Two different engraving parameters namely, scan speed, and power were optimized based on the best surface roughness. It can be concluded that Taguchi method is very suitable method in solving the surface quality problem of engraved surfaces. 1. Giriş Lazer ışın demetinin mikronluk bir alana odaklanabilir olması, önceleri imkânsız olarak değerlendirilen birçok konstrüksiyonun imalatını mümkün kılmaktadır. Lazer oyma, özellikle dar ve karmaşık şekillerin işlenmesinde, kalıp, model v.b. yapımında kullanılan talaşlı işlemeye alternatif bir yöntem olduğu düşünülmektedir. Lazerle işleme tekniğinde herhangi bir kalıp ve takıma ihtiyaç yoktur. Dolayısıyla takım ve kalıp kaynaklı işleme hataları söz konusu değildir [1,2]. Bu temel avantajlarının yanında lazerle işlemenin temelinde başka avantajlar da vardır ve bunlar bu tekniği alternatif işleme tekniklerine göre öne çıkarmaktadır. Bu avantajlar; Alternatif yöntemlere göre ekonomiklik, İşlem görmüş yüzeyde daha az deformasyon, Çalışma kolaylığı, Seri imalata uygunluk Lazerle oyma işleminin temelini, bir lazer ışının iş parçası üzerine odaklanması ve iş parçası üzerinde hareketi oluşturmaktadır. Yüksek güç yoğunluğundaki bir lazer ışını doğrudan iş parçasına odaklanır ve bu ışın, belirlenen geometride hareket ederek tabakalar halinde metali buharlaştırır. Bu ışın aracılığıyla iş parçasına enerji aktarımı söz konusudur [3,4,5]. Bu çalışmada kullanılan lazer sistemi Fiber lazer sistemidir. Bu sisteminde yuvarlak profilli bir ışın, herhangi bir optik müdahale olmadan direkt olarak fiber içerisinde üretilir. Optik elemanlar lazerin bir parçasıdır ve lazer ışını ayrı bir optik malzeme içinden geçirilmez. Dolayısıyla optik bir hizalama söz konusu değildir. Buda ışının uzun mesafelere güç kaybı olmaksızın taşınabilmesini sağlamaktadır. Mikro işleme teknolojilerinde iş parçası yüzey pürüzlülüğü oldukça önemlidir. Bu çalışmanın temel amacını, fiber lazer kullanarak EN 5754 alüminyum alaşımının belirlenen geometride oyulması oluşturmaktadır. Oyma işleminin hedeflenen cevabı, iyi bir yüzey kalitesidir. Bu amaçla, optimum yüzey pürüzlülüğünün tespiti için oyma parametrelerinden tarama hızı ve güç, sistem parametreleri olarak kullanılmıştır. Deney sonuçlarından elde edilen veriler, Taguchi metodu ile değerlendirilerek en iyi yüzey pürüzlülüğü tespit edilmiştir. Keywords: Design of experiments, Laser engraving, Surface roughness. IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye
2. Deney Tasarımı Endüstriyel uygulamalar, ekonomik ve zaman kısıtları dikkate alınarak en iyi uygulama şartlarının sağlanması ile en verimli düzeyin elde edileceği kombinasyonları gerektirir. Bu uygulamalarda, prosese etki eden faktörlerin bazıları kontrol edilebilirken bazıları edilemez. Bu aşamada deney tasarımı devreye girer ve proses çıktısının optimum seviyesinin tespitinde deney sayısını azaltarak prosesi etkileyen faktörlerden kritik olanları ve bunların proses çıktısına olan etkilerini tespit eder. Deney tasarımı sisteme yaklaşımda bulunurken istatistiksel yaklaşımları kullanır. Böylece faktörlerin çıktı üzerindeki etkilerini belirlemek ve varyasyon yaratan faktörlere karşı önlemler almak, tasarım aşamasında gerçekleştirilmiş olunur. 2.1. Taguchi Metodu Taguchi metodunun temelini parametre tasarımı oluşturmaktadır. tasarımında amaç, üründe ortaya çıkabilecek varyasyonu asgariye indirmek ve ürünün maliyetini düşürmektir [6]. ve seviye sayısı büyüdükçe deney sayısı büyümekte, bu da deney maliyetini önemli ölçüde arttırmaktadır [7]. Sisteme etkisinin olduğu düşünülen parametrelerin ve değişkenliğe sebep olacak seviyelerin oluşturduğu kontrollü bir deney düzeni ile deney sayısı azaltılacaktır. Böylece, üründe ve proseste varyasyona sebep olan ve kontrol edilemeyen faktörlere karşı, kontrol edilebilen faktörlerin değerleri optimal seviyelere çekilerek, ürün ve prosesteki varyasyon en aza indirilebilir [7]. Taguchi Deney Tasarımı yönteminde elde edilen deney sonuçları sinyal/gürültü (S/N) oranına çevrilerek değerlendirilmektedir [8]. S/N oranı, ortalamanın (sinyal) standart sapmaya (gürültü) oranı olarak tanımlanır. Sinyal değeri sistemin verdiği ve ölçülmek istenen gerçek değeri, gürültü faktörü ise ölçülen değer içerisindeki istenmeyen faktörlerin payını temsil eder [8]. Bunun yanında, gürültü faktörleri ürünün performans karakteristiklerinin hedef değerlerden sapmasına neden olan değişkenlerdir. Dolayısıyla, gürültünün sisteme etkisini minimize etmek gerekmektedir. S/N oranının hesaplanmasında bazı kabuller kullanılmaktadır. Çok sayıda kabul olmasına karşın bu kabullerden en çok kullanılanları; en küçük en iyi, nominal en iyi, en büyük en iyi kabulleridir. Bu üç tip kabulde amaç, S/N oranını maksimize etmektir. S/N oranının maksimize edilmesi, sinyalin arttırılması ve gürültünün azaltılmasıyla sağlanmaktadır. Böylece S/N oranı arttırılabilmektedir. Bu çalışmanın amacı lazer oyma işlemi sonrasında iş parçasının yüzey pürüzlülüğünü (Ra) minimuma indirmektir. Düşük Ra değeri iyi bir yüzey kalitesini ifade etmektedir. Yüzey pürüzlülüğü için düşük değerlerin en iyi yüzey kalitesinin göstergesi olarak kabul edilmesi yaklaşımından yola çıkarak, bu çalışmada en küçük en iyi kabulü yapılarak sistem optimize edilmiştir. En küçük en iyi yaklaşımında S/N oranını hesaplamak için kullanılan Denklem, 1 numaralı denklemdir [8]; 1 η=s/n=-10log n n 2 Yi i=1 (1) Burada; n: deney sayısını, Y: Yüzey pürüzlülük değerini, ifade etmektedir. Optimizasyon işleminin son aşamasını varyans analizi oluşturmaktadır. Burada amaç, parametrelerin yüzey pürüzlülüğü üzerindeki etkisini belirlemektir. Bu amaçla S/N oranın toplam değişkenliği, Denklem 2 ve her parametrenin karelerinin toplamı, Denklem 3 ile hesaplanır [8]. SS = ( η η ) T n SS = ( η η ) A i m ka 2 Ai Aİ m 2 (2) n (3) k A = A parametresinin seviye sayısı, n Ai = A parametresinin i seviyesindeki deney sayısı, η A = A parametresinin i seviyesindeki S/N oranını, η m = Ortalama S/N oranını, ifade etmektedir. Hem S/N oranları hem de varyans analizleri, proses parametrelerinin optimum seviyelerinin tahmini için kullanılmaktadır. 2.2 ve Seviyelerin Belirlenmesi Deneyler, oyma işlem parametrelerin yüzey pürüzlülüğüne etkisinin tespiti için yapılmıştır. Oyma işlemine ait parametre ve seviyeleri Çizelge 3. de görüldüğü gibidir. Bu tabloda görüldüğü üzere iki işlem parametresi için dört seviye belirlenmiştir. Probleme uygun orthogonal dizi seçimi için parametrelerin serbestlik derecelerine bakılmış ve toplam serbestlik derecesine göre orthogonal dizi seçimi yapılmıştır. Dört seviyeli bir parametre için serbestlik derecesi üçtür ve dört seviye için toplam serbestlik derecesi onikidir. Dolayısıyla deney için dört seviyeli iki parametreli L 16 deneyi kullanılmıştır. L 16, orthogonal dizi onaltı serbestlik derecesine sahiptir. 3. Deneysel Çalışmalar 3.1. Malzeme ve İşleme Yöntemi Bu çalışmada sırasıyla Çizelge 1 ve Çizelge 2 de analiz sonuçları ve fiziksel özellikleri verilen ve genellikle kalıp imalatında kullanılan EN 5754 alüminyum alaşımı kullanılmıştır. Deneysel çalışmalar için 20 W lık Fiber Lazer markalama makinesi kullanılmıştır. Oyma işlemi Şekil 1 de gösterildiği gibi, 100x100x15 mm boyutlarındaki plaka üzerinde 5x5mm lik karesel bir alan 40 kez taranarak gerçekleştirilmiştir. Oyma işlemi, oyulan yüzeylerin pürüzlülük ölçümleri ve elde edilen verilerin analizi, bu çalışmanın kapsamını oluşturmuştur. Bu kapsamda deneysel çalışmaların ilk aşamasında, tarama hızı ve güç, sistem parametreleri olarak seçilmiş ve yüzey pürüzlülüğüne etkisi tespit edilmiştir.
Yüzey pürüzlülük ölçümleri için Mitotoya SJ 301 profilometre cihazı kullanılmıştır. Ölçümler için seçilen hız 0,5mm/s ve aralık 2 mm dir. Yüzey pürüzlülüğü değeri olarak, orta hattan profile olan uzaklık değerlerinin aritmetik ortalamasını ifade eden ortalama yüzey pürüzlülüğü (Ra,μm) değeri kullanılmıştır. yönüne dik yönde ölçülen Ra değerlerinin ortalaması taranan alanın nihai yüzey pürüzlülük değeri olarak kullanılmıştır. Profilometre ile yapılan ölçümler sonrasında elde edilen yüzey pürüzlülük değerleri Minitab istatistik programı ile analiz edilmiştir. Çizelge 1. EN 5754 alaşımının kimyasal içeriği (%) Si Fe Cu Mg Mn Cr Zn Ti Al % 0,15 0,29 0,014 3,22 0,25 0,11 0,003 0,017 Bal. Çizelge 2. EN 5754 alaşımının fiziksel özellikleri Çekme dayanımı (Rm, MPa) Akma dayanımı (Rp, MPa) Uzama (%) Sertlik (HB) 218 107 29 62 Her deney için ölçülen yüzey pürüzlülük değerleri Taguchi metodunun L 16 deney düzenindeki sıralamaya göre yerleştirilmiş ve yüzey pürüzlülük değerinin tespiti için optimizasyon analizleri yapılmıştır. 3.2. Analizler Şekil 1. Lazer tarama uygulamaları Çizelge 3 de deneysel çalışmalarının birinci aşamasını oluşturan parametrelere göre ve Çizelge 4 de gösterilen Taguchi L 16 dik düzeni çerçevesinde gerçekleştirilen deneyler sonrasında, işlem görmüş yüzeylerin yüzey pürüzlülüğü, tarama yönüne dik yönde ölçülmüştür. Taranmış alanın beş farklı bölgesinde yapılan ölçümlerin ortalaması alınarak istatistiksel olarak sonuçların güvenirliliği sağlanmıştır. Yapılan on altı deney sonrasında ölçülen yüzey pürüzlülük değerleri sistemin cevabı olarak performans değerlendirilmesinde kullanılmış ve sonuçlar Çizelge 5 de listelenmiştir. Seçilen tarama hızı ve gücün yüzey pürüzlülüğüne etkisi, S/N oranı ve varyans analiz sonuçları dikkate alınarak değerlendirilmiştir. Bu çalışmada en büyük S/N oranın, en iyi yanıtı vereceği düşünülmüştür. Gürültü olarak değerlendirilen ve oyma işlemi sırasında kontrol edilmesi imkânsız ya da zor olan sistem parametrelerinin katkı payı azaldıkça S/N oranı artacak ve yüzey pürüzlülüğü değeri de en iyiye yaklaşacaktır, yani düşecektir. Çizelge 5 de verilen sinyal gürültü oranları (S/N), Denklem 1 yardımıyla hesaplanmıştır. S/N oranının hesaplanmasından sonra, her parametrenin her bir seviyedeki etkisi belirlenmiştir. Bunun için Çizelge 5 de hesaplanan S/N oranlarının ortalaması her faktörün her seviyesi için ayrı ayrı alınarak hesaplanmıştır ve Çizelge 6 da listelenmiştir. Hesaplamalar sonrasında her faktör için belirlenen en yüksek S/N oranı en iyi deney sonucunu yani en düşük yüzey pürüzlülük değerini ifade etmektedir. Şekil 2 de her parametre için hesaplanan ortalama S/N oranları grafiksel ve sayısal olarak gösterilmiştir. Optimizasyon aşamasını sonuçlandırmak için S/N oranları kullanılarak varyans analizi yapılmıştır. Bu aşamada, Denklem 2 ve Denklem 3 kullanılarak her faktörün kareleri toplamı hesaplanmış ve sonuçlar Çizelge 7 de verilmiştir. Deney şartlarında oluşması beklenen S/N oranı Denklem 4 yardımıyla hesaplanmıştır [8]. η = ηm + ( ηi ηm) j Şekil 2 de gösterilen grafik yardımıyla en iyi seviyeler tespit edilmeye çalışılmıştır. Her faktörün her seviyesi için en yüksek S/N oranına bakılarak optimizasyon işlemi sonuçlandırılmıştır. Yapılan analizler sonrasında, Şekil 2 ve sayısal veriler dikkate alınarak oyma işlemine ait optimum parametre ve seviyeler tarama hızı için 150 mm/s ve güç için 10W, yani A2B1 olarak tespit edilmiştir. Analizler sonrasında seçilen optimum deney şartlarındaki S/N oranın tahmini için Denklem 4 kullanılmış ve S/N oranı -4,58 olarak hesaplanmıştır. Bulunan bu değer güç için 10W değerinde iken, tarama hızı için 150mm/s ile 250mm/s arasında bir değerde sağlanabilecektir. Dolayısıyla proses sonucu olarak en iyi çalışma şartlarında hız için 150mm/s değeri bulunsa da 150mm/s ile 250mm/s arasındaki bir hız değerinin en iyi çalışma hızını vereceği düşünülmektedir. Çizelge 3. hızı ve Güç için lazer oyma işlem faktörleri ve seviyeleri hızı Seviyeler 1 2 3 4 100 150 200 250 Güç (W) 10 12 14 16 (4)
Çizelge 4. hızı ve Güç için Taguchi L16 deney düzeni Deney No hızı Güç (W) 1 1 1 2 1 2 3 1 3 4 1 4 5 2 1 6 2 2 7 2 3 8 2 4 9 3 1 10 3 2 11 3 3 12 3 4 13 4 1 14 4 2 15 4 3 16 4 4 Çizelge 6. Ortalama S/N oranları Seviyeler 1 2 3 4 hızı -11,6-8,45-8,64-10,7 Güç (W) -5,97-10,9-13,0-9,51 Hızı Çizelge 7. ANOVA tablosu Serbestlik derecesi Karelerin toplamı Ortalama Karelerin toplamı Faktör etkisi (%) 3 28,9 9,462 11,56 Güç (W) 3 104,64 34,879 42,62 Hata terimi 9 112,49 12,499 45,82 Toplam 15 245,51 100 Çizelge 5. Deney sonuçları ve S/N oranları Deney No hızı Güç (W) Yüzey Pürüzlülüğü (Ra) S/N (db) 1 100 10 2,89-9,218 2 100 12 4,43-12,93 3 100 14 3,09-9,799 4 100 16 5,24-14,39 5 150 10 1,73-4,76 6 150 12 2,32-7,31 7 150 14 3,42-10,68 8 150 16 3,57-11,05 9 200 10 1,86-5,39 10 200 12 4,18-12,42 11 200 14 4,73-13,50 12 200 16 1,45-3,23 13 250 10 1,68-4,51 14 250 12 3,45-10,76 15 250 14 7,99-18,06 16 250 16 2,93-9,34 Şekil 2. Her bir parametre için ortalama S/N oranları 4. Sonuç Bu çalışma kapsamında fiber lazer kullanılarak EN 5754 alüminyum alaşımının yüzeyi işlenmiş ve bu işleme için işlem parametreleri olarak ışın tarama hızı ve güç seçilmiştir. Deneyler sonucunda işlem görmüş yüzeylerin yüzey pürüzlülüğü ölçülmüş ve elde edilen sonuçlar deney tasarımı yöntemlerinden biri olan Taguchi metodu kullanılarak sistem parametrelerinin ve seviyelerinin etkileri incelenmiştir. Buna göre; Ortalama S/N oranlarının sayısal ve grafiksel gösterimi yardımıyla en yüksek S/N oranına bakılarak en iyi yüzey pürüzlülük değeri, tarama hızının ikinci seviyesi olan 150mm/s de ve gücün birinci seviyesi olan 10W da elde edilmiştir. Analiz sonucu bulunan S/N oranına göre, en iyi proses çalışma şartlarında hız için 150mm/s değeri bulunsa da, 150mm/s ile 250mm/s arasındaki bir hız değerinin en iyi çalışma hızını vereceği düşünülmektedir. Her iki parametrenin yüzey pürüzlülüğü üzerindeki etkinlik yüzdeleri varyans analizi yardımıyla tespit edilmiştir. Buna göre; tarama hızının yüzey pürüzlülüğüne etkisi % 11,56 ve gücün etkisi ise % 42,62 olarak hesaplanmıştır.
İki farklı oyma parametresi; tarama hızı ve güç, en iyi yüzey pürüzlülüğü için optimize edilmiştir. Sonuç olarak, Taguchi metodunun lazerle işlenmiş yüzeylerin, kalite problemlerinin çözümünde uygun bir metot olduğu düşünülmektedir. Teşekkür Bu çalışmada kullanılan lazer sistemi İzmir de faaliyet gösteren Lazer Mikron Ltd. Şirketi tarafından sağlanmıştır. Katkılarından dolayı teşekkür ederim. Kaynaklar [1] Slocombe, A. and Li, L., Laser ablation machining of metalrpolymer composite materials, Applied Surface Science, vol.154 155, 617 621, 2000. [2] Jebbari, N., Jebari, M., Saadallah, F., Saugnac, A., Bennaceur, R. and Longuemard, J., Thermal affected zone obtained in machining steel XC42 by high-power continuous CO2 laser, Optics & Laser Technology vol. 40, 864 873, 2008 [3] Dubey, A. and Yadava, V., Experimental study of Nd:YAG laser beam machining An overview, Journal of Materials Processing Technology, vol. 195, 15 26, 2008. [4] Campanelli, S.L., Ludovico, A.D., Bonserio, C. Cavalluzzi, P., Cinquepalmi, M. Experimental analysis of the laser milling process parameters, Journal of Materials Processing Technology, vol. 191, 220 223, 2007. [5] Pham, D.T., Dimov, S.S., Petkov, P.V., Laser milling of ceramic components, International Journal of Machine Tools & Manufacture, vol. 47, 618 626, 2007. [6] Akkurt, M., Kalite Kontrol Excel Destekli, Birsen Yayınevi, İstanbul,2002. [7] Şirvancı, M., Kalite İçin Deney Tasarımı Taguchi Yaklaşımı, Literatür Yayıncılık Ltd., 1996. [8] Savaşkan, M., Taptık, Y. and Ürgen, M., Deney tasarımı yöntemi ile matkap uçlarında performans optimizasyonu, İtüdergisi/d mühendislik, vol. 6, 3, 117-128, 2004.