OTOMOTIV SEKTÖRÜNDE
LAZERLİ ÜRETİM YÖNTEMLERİ
LAZERLİ İMALAT, ÖLÇME VE KALİTE
KONTROL
H. Ozden
Ege Üniversitesi, İzmir
huseyin.ozden@ege.edu.tr
ÖZET - Lazer
teknolojisi, birçok üstünlükleri nedeniyle sanayisi gelişmiş
ülkelerin endüstrisinde belirleyici olmaktadır. Lazerli üretim, ölçme,
analiz ve muayene yöntemleri birçok konvansiyonel yöntemin yerine tercih
edilmektedir. Otomotiv sektöründe lazerli kaynak ve lehim, lazerli kesim, delme
yöntemleri, bilinen konvansiyonel kaynak ve lehim, kesme ve delme yöntemlerin yerini
almıştır. Benzeri gelişme lazerli ölçme ve muayene
yöntemlerinde de gözlenmektedir.
Otomotiv sektöründe lazerli multi üretim yöntemleri ile
dayanıklı, güvenirli, hafif ve yüksek kaliteli araçlar
üretilmektedir. Eskiden konvansiyonel yöntemlerle teknik ve veya maliyet
acısından mümkün olmayan otomobil tasarımları günümüzde
lazerli üretim yöntemleri ile mümkün olabilmektedir. Türk otomotiv sektörü
dünya pazarlarında rekabet edebilmek için mutlaka bu teknolojik gelişmeleri,
yenilikleri takip etmek, geliştirmek ve uygulamak zorundadır.
Bu bildiride
lazerli multi üretim, ölçme analiz ve muayene yöntemlerinin otomobil
sektöründeki kullanımları ve teknolojik yenilikler hakkında
genel bilgiler verilmektedir. Lazerli üretim işlemlerinin Türk Otomotiv
sektörü acısından bir değerlendirilmesi tartışmaya
sunulmaktadır.
Anahtar kelimeler: otomotiv, üretim, lazerli yöntemler, imalat, ölçme
muayene, inovativ
1. GİRİŞ
Otomotiv sektöründe iç ve dış piyasada pek
te adil olmayan çetin rekabet koşulları, üretim ve kullanımda
enerji tasarrufu, cevre kirliliği, yüksek fleksibilite (üretiminde
esneklik) ve azami müşteri memnuniyeti gibi kriterler; farklı, yeni
tasarımları, üretim tekniklerini ortaya koyma ve uygulama
arayışlarına ivme kazandırtmaktadır. Kaliteden ödün vermeden serbest piyasada
satılabilir, rekabet edebilir otomobil üretimi içinde, günümüzün yeni teknolojik imkânlarından
bir an evvel yararlanılması bir zaruret haline gelmiştir. 70
yılların ortalarında Japon otomobil firmaları rakiplerinden
çok daha erken davranarak üretim bantlarında robotlu üretimi ve bilgisayar
destekli üretim yöntemlerini, otomasyonu uygulamışlardır. Bu
suretle yüksek kaliteli düşük maliyetli otomobillerle dünya otomobil
piyasasına bir süre hakim olmuşlardır. 1980 yıllarında Almanlar dahi kendi
ülkelerinde, daha ucuz ve daha kaliteli Japon arabalarını tercih
ediyorlardı. Benzer fenomen lazer teknolojisinin otomotiv sektöründe
uygulanmasıyla kısmen de olsa günümüzde görülmeğe
başlamıştır. Lazer teknolojisi ile yeni, farklı,
yüksek kaliteli tasarımlar otomotiv sektöründe mümkün olmaktadır.
Lazer teknolojisi; arabaların karoserlerinde, kaportalarında, ta jantlarının üretimine varıncaya
kadar kullanıldığı gibi, araba motorlarındaki yanma
odalarında ateşlemenin kontrolüne ve vites kutularındaki
dişlilerin sertleştirilmesine kadar üretimin birçok
aşamasında, kademesinde uygulanmaktadır. [1-15]. Şekil
1. Otomobilde lazerli yöntemlerin
kullanım alanları şematik olarak gösterilmektedir.
Yakın gelecekte, malzemelerin işlenmesinde
lazerli imalat yöntemlerinin kullanımının iki, üç kat
artacağı beklenilmektedir. İmalat sanayinde malzemelerin
işlenmesinde lazerlerin kullanım payı 1994 yılında
yaklaşık 1 milyar Euro iken, 2000 yılında 5 kat artarak
yaklaşık 5 milyar dolara varmıştır, 2005
yılında bu rakam yaklaşık 15 milyar Euroya
ulaşmıştır, 2015 yılında ise, 40 Milyar Euroya
ulaşacağı beklenilmektedir, [2,3,4,10,11,12,13]. Bu gelişme
otomotiv sektörüne, taşeron firmalara da yansıyacaktır.
Örneğin, Almanyada Mercedes gibi otomobil firmaları iç ve diş
piyasa da rekabet şansını artırmak, korumak için daha
hafif, dayanıklı güvenirli enerji tasarruflu hybrid motorlu otomobil
tasarımlarını geliştirilmektedirler. Buradaki Ar-Ge
çalışmalarında lazerli yöntemler olmasa olmazlardandır.
Şekil 1. Otomotiv üretiminde lazerli imalat
yöntemleri
2008 yılının sonlarında tamamen
açığa çıkan dünya ekonomik krizinde etkilenen hatta iflas
eşiğine gelen dünyaca ünlü bazı otomobil firmaları,
otomotiv sektöründe yeni teknolojileri geliştirerek uygulayarak, daha
hafif, (ultra ligth) yüksek dayanımlı, enerji, yakıt tasarruflu
yeni modellerle, tasarımlarla krizi atlatma arayışlarına
girmişlerdir. Mercedes bünyesinde kurduğu lazer araştırma
merkezinde Ar-Ge çalışmalarını yoğun bir şekilde
sürdürürlerken yeni teknikleri geliştirmektedirler. Bu
çalışmaların sonucu olarak birçok yenilikler patent
başvuruları ile kullanım hakları saklı
tutulmaktadır. Bunun yanında uzman personel de bu merkezlerde
eğitilmektedirler.
Lazer, temassız, bu nedenle
aşınmasız çok amaçlı kullanımlı bir takım
araç, alet olarak ta imalat sanayinde tanımlanabilir. Konvansiyonel
imalat yöntemlerinin genel bir sınıflandırmasına benzeyen
lazerli İmalat yöntemlerinin bir sınıflandırması
aşağıda ki gibi yapılabilir: [1]
1.
Dökme
2.
Ayırma
(kesme, delme, oyuk ve kanal açma, taşlama)
3.
Birleştirme
(kaynak, lehim, yapıştırma)
4.
Yüzey
işleme (sertleştirme, kaplama, temizleme)
5.
Formlama
(plastik şekil değiştirme)
6.
Malzeme içi
yapılandırma (malzemenin içyapısının özelliklerinin
değiştirilmesi)
Konvansiyonel yöntemlerle
lazerli yöntemlerin birlikte uygulanması; hybrid yöntemlerini ortaya çıkartmıştır.
Örneğin, Lazer hybrid kaynağı; lazer kaynağı ile
gazaltı ark kaynak yöntemlerin (özellikle MİG/MAG ve WİG yada
TİG) iyi özelliklerinin bir kombinasyonu olarak tanımlanmaktadır. Daha kaliteli kesimi
sağlayan; Lazer hybrid kesme, (lazer kesme & su jeti). Otomotiv sektöründe malzemelerin
işlenmesinde yoğunluklu olarak lazer kaynağı, lazerli kesim
lazerli markamla lazerli delme, lazerli
lehim ve lazerli yüzey işlemleri kullanılmaktadır. Şekil 2 de otomobil üretiminde farklı lazer
uygulamaları örnek olarak gösterilmektedir. Şekil 2-1 ve Şekil 2-3 üç boyutlu
lazer kesim ve delme işlemleri aynı lazer pençeri (lazer kafası)
ile yüksek hızlarda ve kaliteli gerçekleşmektedir. Şekil 2-2 de kaporta üstü tavanın
oluk üzerine kaynak dikişinin uygulanması görülmektedir. Eskiden
problemli olan bu kaynak dikişi lazer kaynağı ile
kolaylıkla hızlı bir şekilde uygulanmaktadır. Jant
üretiminde de lezarlı kesme delme ve kaynak işleri önem
kazanmaktadır, Şekil 2-4. Jant
üretiminde, yüksek dayanımlı çeliklerin ve Al, Mg
alaşımlı metaların kaynağında lazerli yöntemler
tercih edilmektedir. Motor
parçalarının flaş boru kaynakları ekonomik ve kaliteli
üretilmektedir, Şekil 2-5. Kaporta kapak üretiminde tercih edilen lazerli
lehim bağlantısına örnek olarak Şekil 2-6 gösterilmektedir.
Düzgün yekpare ve hızlı bir şekilde üretilen birleştirme
tasarımı normal konvansiyonel yöntemlerle üretilmesi külfetli
olmaktadır.
Lazer
kaynağının otomotiv üretimindeki başlıca
avantajları: [2,5,7,8,14]
§ Yüksek yoğunluklu, noktasal enerji aktarımı,
§ Derin, dar ve kontrollü nufüziyet,
§ Yüksek kaynak hızı,
§ Kaynak öncesi ve sonrası
hazırlık ve düzeltme işlemlerinin kalkması
§ Aynı yada farklı
özellikteki malzemelerin birbirleri ile kaynağına uygunluğu;
Şekil 2
Otomobil üretiminde lazerli kesme, delme ve birleştirme kaynak
uygulamaları; Üç boyutlu lazer kesim ve delme (1), lazer kaynak (2-5) ve
lazer lehim (6)
Lazerli imalat
yöntemlerinin konvansiyonel yöntemlere göre başlıca özellikleri,
üstünlükleri aşağıdaki başlıklar altında
özetlenebilir: [1-14]
§ Esneklik,
(Fleksibilite)
§ Çok amaçlı
kullanımlı,
§ Temassız
aşınmasız takım, (Multi tool)
§ Yüksek işlem
hızları
§ Uzaktan kolay
erişebilirlik, uygulanabilirlik
§ Yüksek kalite
güvencesi, üretim kalitesinde tekrarlanabilirlik
§ İtinalık,
yüksek doğruluk
§ Otomasyona uygunluk
§ Malzeme
çeşitliliği, farklı malzemelerin işlenebilirliliği
§ Kolay entegrasyon (
Mevcut üretim tezgâhlarına, bantlarına ve portallarına)
§ Innovatıv
tasarım ve üretim
Malzemelerin
işlenmesindeki ana prensip; Odak
noktasında yoğunlaştırılan lazer enerjisi ( ELazer
=104- 108 W/cm2
,
EArk = 2x102- 5x104 W/cm2 ) malzemenin, işlenen parçanın yüzeyi
üzerinde pozisyonu belirlenir. Enerjinin büyük kısmı malzeme
tarafından emilir bir kısmı da malzeme dışına,
yansıtılır, yayılır. Efektif olarak kullanılan
lazer enerji yoğunluk oranı, malzeme cinsine, yüzeyin
parlaklığına, lazerin cihaz gücüne ve lazerin dalga boyuna,
kullanılan işlem gazlarına, odak noktasının uzunluna, netliğine,
dairesel çapının büyüklüğüne ve pozisyonuna bağlı
olarak değişmektedir. Odaklanmış lazer
ışının enerji miktarına göre malzemelerin
işlenmesinde üç yöntem kullanılmaktadır: [1,2]
§ Isıtma yöntemi; (E < 104 W/cm2), Isıtma, ısıl ve yüzey
işlemler, şekillendirme,
)
§ Ergime, (sıvılaştırma)
yöntemi; ( 104 W/cm2 < E <
106 W/cm2) , Ergime kaynağı, ısıl ve yüzey işlemleri,
)
§ Buharlaştırma yöntemi, (Anahtar
deliği yöntemi, Derin nüfusiyet yöntemi);
(106 W/cm2 <
E < 108 W/cm2),
Kaynak, kesme, delme, teknik yüzey işlemleri) Şekil 3 de
lazerli malzeme işlem yöntemleri şematik şekilde
gösterilmiştir)
Şekil 3. Lazerlerle malzeme işleme yöntemleri
Otomotiv
sektöründe malzemelerin işlenmesinde kullanılan yüksek güçlü lazer
makineleri: Nd-YAG gibi katı lazer makineleri, CO2-Gas lazer, diyod lazer
ve fiber lazer makineleridir. Son yıllarda malzemelerin işlenmesinde
Fiber lazerleri Nd-YAG katı lazerlerin ve Gas lazerlerin yerini
almaktadırlar. Küçük ve robust (sağlam, yekpare) yapıları
ve çok yüksek verimliklileri ile ( % 60´lara varan) diyot lazerlerinde
güçlerinin artırılarak sanayide kullanımları üzerine
yoğun Ar-Ge çalışmaları sürdürülmektedir. Sanayide tercih edilen fiber lazerlerin
özellikleri: [1,2,3,11]
§ Yüksek güç, (P=10 kW P=100kW,
§ Yüksek odaksal enerji yoğunluğu; 106
W/cm2 < E < 108 W/cm2
§ İyi lazer kalitesi, Dalga boyu l =1060 nm = 1.06 mm
§ Optik kablo (lazer kaynak kablosu) ile lazerin iletimi
§ Yüksek randıman,
§ Bilgisayar destekli komutlara ve kontrole
uygunluk,
§ Kompakt yani yekpare yapı tarzı,
§ Mobilite özellikleri
§ Uzun ömürlülük
§ Düşük maliyet
§ Sürekli ve impuls, (darbeli,
atılımlı) işleme uygunluk
3.
OTOMOTİV SEKTÖRÜNDE LAZERLİ TEKNOLOJİK YENİLİKLER
Lazerli
teknolojik gelişmeler otomotiv sektörüne de yansımaktadır.
Eskiden hantal lazer kaynak makinelerin verimi % 3 lerde iken, bu gün yeni tip
lazerlerle % 30 ulaşmıştır
[1,2,4,5,10-15]. Bunun paralelinde fiyatlarında da önemli
düşüşler kaydedilmektedir. Bilhassa Çinin ürettiği ucuz lazer
kaynak makineleri, piyasadaki fiyatların düşmesine önemli rol
oynamaktadır. Diğer bir gelişme ise bu teknolojiyi kullanacak
uzman personel sayısında artışların
olmasıdır ve lazer
uygularlarında edinilen bilgilerde, teknik yeniliklerde; otomotiv
firmaların bu teknolojiye olan
ilgilerini daha da artırmıştır. Almanyada BMW otomobil
firması ilk 1980 yıllarında bu teknolojiyi kullanmağa
başlamıştır. Günümüzde ise Almanya daki 7 otomobil
fabrikasında lazer teknolojisi, lazer imalat yöntemlerin kullanımı
her gecen gün artmaktadır. Otomotiv sektöründe lazer teknolojisinin
kullanımın en büyük nedenlerinden biri; inovativ, yanı yeni
otomobil tasarımlarının, lazer imalat yöntemleri ile
üretilebilinmesidir. Lazerli imalat yöntemleri ile ultra hafif tasarımların
üretimi gerçek olmaktadır [6]. Ultra hafif otomobil tasarımları
için yüksek dayanımlı çelikler, Al&Mg&Ti
alaşımlı yüksek dayanımlı hafif metaller ve
polimerler, karma (komposit) malzemeler kullanılmaktadır. Eskiden
konvansiyonel yöntemlerle bu malzemelerin işlenmesinde birçok sorunlar
yaşanılıyordu, hatta bazıları da imkânsızdı!
Lazerli imalat yöntemleri ile bu malzemeler günümüzde kolaylıkla ve
düşük maliyetli hızlı ve yüksek kaliteli işlenmektedirler. Çok uluslu ortak bir projede, 0,6 mm ile 2,0
mm kalınlığında yüksek dayanımlı çelikler ve
karma malzemeler kullanılarak ultra hafif, fakat dayanımdan, emniyet
ve kaliteden ödün vermeden karoseri tasarımları
geliştirilmektedir. Ultra hafif karoseri konstrüksiyonunda kullanılan
parçalar ve malzeme özellikleri şematik olarak Şekil 4 ´ de
gösterilmektedir. [2-15].
Şekil 4 Ultra hafif otomobil karoserinde kullanılan
malzemelerin özelliklerine göre bir tasnifi [6]
Magnezyum
alaşımlı hafif metallerin işlenmesinde yaşanan
problemler, sorunlar günümüzde lazerli yöntemlerin uygulanması ile büyük
ölçüde giderilmiştir. Mg alaşımlı malzemelerin yüksek
dayanımlı, çok hafif olmaları ve sönümleyici özellikleri
nedeniyle otomobil üretiminde geniş bir kullanım alanı
bulmaktadır.
Otomobil karoserisinde olduğu kadar motorların yapımında
magnezyum alaşımlı malzemeler kullanılmaktadır. [11-14 Magnezyum alaşımlı yüksek
dayanımlı hafif metallerin lazer kaynağına ait örnekler
Şekil 5 te gösterilmektedir.
Şekil 5. Otomotiv sektöründe lazer kaynak dikişli
magnezyum alaşımlı parcalar
Otomotiv sektöründe lazerli ölçme, analiz ve kontrol
yöntemleri:
Malzemelerin işlenmesinde lazerli imalat yöntemlerinde
gözlenen gelişmeler lazerli ölçme, muayene, analizlerinde ve kalite kontrollerinde de
gözlenmektedir. Uzaktan, temassız ve üretim bandında hareket halinde
bulunan otomotiv parçaların, otomobillerin boyut, şekil ölçümleri
düzgünsüzlükleri, anında tespit edilmektedir. Malzemelerin kimyasal
analizleri, olası üretim hataların tespiti (örneğin, kaynak
hataları) anlık sürelerde bilgisayar destekli görüntülü olarak
gerçekleşmektedirler. Üretim öncesi
ve üretim sonrası malzeme analizleri çok büyük bir doğrulukla, (% 99
varan bir doğruluk payı ile) çok kısa sürede lazerlerle
yapılmaktadır. Konvansiyonel
yöntemlerle bu ve benzeri ölçümlerin, analizlerin yapımı laboratuar ortamlarında çok külfetli ve saatlerce
günlerce sürerlerken doğruluk oranları da genelde % 50 lerin
altında gerçekleşebiliyor. Malzemelerin kimyasal bileşenlerinin tespitinde, malzeme
tanımlarında kullanılan lazerli yöntemde, lazer
ışını objenin belirli noktasına
yoğunlaştırılmaktadır,
Malzemelerin tanımında, elementlerin tespitinde v.b.
lazerspektrum analizinden yararlanılmaktadır.
Şekil 6. Lazerli analiz yöntemin prensip şeması
Prensip olarak, lazerli ölçme,
analiz ve kontrol muayene yöntemlerin başlıca özelliklerin önem
sırası dikkate alınmadan sıralanması: [9]
§ Mesafe, alan, hacim ölçümleri
lazerlerle çok kısa sürede temassız ve büyük bir hassasiyetle
yapılabilinmektedir.
§ Konvansiyonel yöntemlerinden
üstünlükleri; çok kısa sürede ve güvenirli hassas ölçümlerin, malzeme
muayenelerin ve analizlerin yapılabilmesi. Üretim bandında hareket
halinde dahi on-line sisteme göre uygulanabilinmesi, Ölçümler, kontroller ve analizler parça
yerinde ve üzerinde rahatlıkla uygulanabilinmesidir. Temassız ölçüm,
muayene ve analizlerinin bilgisayar destekli yapılabilinmesi. İlgili
bazı cihazların küçük boyutlarda ve taşınabilir
olması, Dataların, sinyallerin
daha sonra değerlendirilmek üzere kaydedilebilir ve aktarılabilir
olması
§ Kumanda kontrol
tekniğinde. Lazerler ayni zamanda
bir sinyal olarak fiziksel ve kimyasal prozesslerin uzaktan kumandalı,
temassız ve selbst-kontrolünde değerlendirilmektedir.
§ Lojistik sistemlerde, depolarda
barkotların okunmasında lazerlerden yararlanılmaktadır.
§ Teknik yapılarda çeşitli
nedenlerle ortaya çıkan titreşimlerin analizleri lazerlerle
yapılmaktadır.
§ Çok karmaşık
parçaların geometrik boyutların ve sekilerin kontrollerinde boyut ve
sekil toleransların doğruluğun tespitinde
yararlanılmaktadır.
§ Katı, sıvı, gas
maddelerin içerik analizlerinde, malzeme tanılarında, fiziksel ve
kimyasal büyüklüklerin tespitinde, ölçümlerin ve verilerin analizlerinde, v.b.
lazerler tercih edilmektedirler.
4. SONUÇLAR
·
Daha hafif, yüksek dayanımlı ve enerji tasarruflu yeni tip
otomobillerin üretilmesinde lazerli üretim yöntemleri olmasa
olamazlardandır!
·
Günümüze ultra hafif fakat dış zorlamalara karşın çok
daha mukavvim, güvenli ve kaliteli otomobil karoserleri lazer imalat yöntemleri
ile ancak gerçekleştirilmektedir. Daha hafif otomobil; daha güvenli, daha az yakıt, daha az
cevre kirliliği, daha az malzeme, daha az işçilik, çok daha az üretim
maliyeti demektir. Bu da serbest piyasada daha çok rekabet edilebilirlik
şansı demektir!.
·
Türkiye deki kıt kaynaklar gelişi güzel göstermelik projelerle
carcur edileceğine bu benzeri katma değeri yüksek, ciddi projelerin
geliştirilmesinde kullanılmalıdır.
·
Üniversiteler bünyesinde sanayicilerinde ortak ve söz sahibi
olacağı bölgesel lazer ve benzeri araştırma merkezlerinin
kurulması bölgenin kalkınmasına ivme kazandıracaktır,
ülkenin yararına olacaktır. Burada çalışacak personelin,
bilim adamlarının seçiminde büyük özen gösterilmelidir. En
başta; burada çalışacak personel proje ürettiği ve bu
projeler yurt içinde ve yurt dışında kabul edildiği ve
projelerin finansmanı büyük ölçüde araştırma merkezi
dışında karşılandığı sürece
çalışması uzatılmalıdır.
·
Kısaca; Türkiye deki otomotiv sektörü iç ve dış pazar payını
sağlamlaştırmak ve geliştirmek istiyorsa, mutlaka daha
fazla vakit kaybetmeden lazer teknolojisini uygulamak geliştirmek ve
üretmek mecburiyetindedir.
5.
REFERANSLAR
[1] H. Özden, Lazerteknik Ders notları Ege
Üniversitesi Makına Müh. Böl. 2009
[2] N.N., Laser tools, Buch, Trumpf, 2006,
Vogel Buchverlag
[3] Mayer A., u.a. Optische Technologien Bundes -
ministeriums für Bildung und Forschung, Berlin, 2008
[4] Otto, R. Hohenstein, Laserstrahlschweißen
Trends und aktuelle Entwicklungen September 2007 Nr. 4 S. 27-31 Laser Technik
Journal, Wiley-Verlag
[5] J. Bunte, Laserstrahlfügen Schlüsseltechnologie im Fahrzeugbau Lazer Zentrum Hannover . Hannover,
Intern. 2009
[6]
N.N Ultraleichte
Stahlkarosserie Steel Evolution
[7] N.N.,
Fügentechnologi im Automobilbau, Trends
s. 64-66, Automobil Produktion, juni 2005
[8] F. Gappler, Laser İm Automobilbau..
Laserproduktion 2008
[9] N:N.,
Lasermesstechnik I, II, Grundlagen, methoden und Beispile Laser Zentrum
Hannover , e.V. 2008
[10] Internet, www.de.trumpf.com ; TRUMPF, GmbH, CO2-Laser, Informationsmaterial,
[11] Internet,
www.lhz.de ;Hannover-Laser-Zentrum, D-Hannover
[12] Internet, www.wlt.de
; WLT Wıssenschaftlıche Gesellschaft Lasertechnık e.V
[13] Internet,
www.laserverbund.de ;
D-Berlın-Brandenburg, e.V.
[14] Internet, www.ilt.fhg.de ; Fraunhofer
Institute for Lasertechnology ILT,
D-Aachen
[15] Internet, www.bias.com
ÖZGECMİŞ