LAZER ÖLÇME, MUAYENE VE ANALİZ YÖNTEMLERİ,

TEKNOLOJİK GELİŞMELER

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 yapılabilinmektedir. 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.

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 isteklerin birçokları 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 özellikleri biri satın alma fiyatlardaki düşmesi, daha kompakt ve boyutlarının küçük ve rahatlıkla taşınabilir olmalarıdır. Örneğin, bilgisayar destekli, uzunluk, alan, hacim ölçümleri, seviye tespitleri için lazer cihazları artık marketlerde çok ucuza, 5 ile 10 Euro’ya Almanya’daki marketlerde bulunabilinmektedir. 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 alınabilinmektedir. 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..

Şekil 1 Lazerli uzunluk, alan ve hacim cihazları

Şekil 2 Mobil lazer ölçme, analiz ve kontrol cihazı [7]

Şekil 3 Temassız uzak mesafelerdeki analizler için kullanılan mobil lazer emissionsspektrometre [7]

Lazerli ölçüm, analiz ve muayene yöntemleri, lazer ışının farklı özeliklerinden, (güç, dalga boyu, polirizasyon, koherant, 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, -Holografik, - Triangulasyon… 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 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:

1. Geometrik lazer ölçme yöntemleri

- Optik koordinat,

- Projeksiyon,

- Otofokus, (odaklanma)

- Kat edilen mesafe-zaman

- Triangulasyon

2. Koherent lazer ölçme yöntemi, (İnterferometre)

- Uzunluk,

- Lazer velocimetre,

- 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., lalga boyu, poliriski tip ciah (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 kıymık, mikrogram büyüklüğünde malzemenin metal plazması yeterli olmaktadır. Bu yöntemle 50’ye yakın element büyük bir doğruluk payı ile tespit edilebilinmektedir.

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.

· 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 cevre mimarlığında, haberleşme sanayinde lazerli ölçme, analiz ve kontrol sistemlerin kullanımında hızlı bir şekilde yayılmaktadır.

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 banttında ayrılmalarında, işaretlenmelerinde, üretim bandında parçaların tasnif edilmelerinde lazerli cihazlardan, sensorlardan 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. Burada da 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 basarî ile kullanılmaktadır. Kullanım alanlarına farklı örnekler fotoğraflı ve kısa İngilizce başlıklar altında Şekil 6’da verilmektedir.[7]

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. Aynı şekilde materyal analizleri, malzemelerin içyapıların 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 banttindan ayrılmalarında, işaretlenmelerinde, üretim bandında parçaların tasnif edilmelerinde lazerli cihazlardan, sensorlardan faydalanılmaktadır. Sanayide imalat sektöründe olduğu gibi, tıpta da birçok hastalığın, hastalıklı dokuların üç boyutlu, hacimsel görüntülü teşhislerinde lazerler kullanılmaktadır.

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 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 kati 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 8 Lazerli analiz yöntemin hiperbarik ortamda br sualtı kaynak dikişinin kimyasal analizi protokolü

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).