Kompozit Malzemelerin Aşındırıcı Su Jeti İle İşlenmesi Ve Kesilmesi

İleri teknoloji malzemelerinden olan kompozitlerin şekillendirilmesinde ve kesilmesinde endüstriyel alanlarda geleneksel ve modern ısıl kesme yöntemlerinin kullanılmasında bazı sınırlandırmalar bulunmaktadır. Aşındırıcı su jeti ile kesilen metal, polimer ve seramik, matrisli kompozit malzemelerde tabaka bozulması olmadan, kesme çizgisi boyunca ısıl etki ve deformasyon gerilmesi oluşturmaksızın kesilebildiğinden, uzay savunma, deniz, nükleer ve otomotiv gibi endüstriyel alanlarda kullanımı her geçen gün artmaktadır.

Bu makalede aşındırıcılı su jeti kesme yöntemi, donanımı diğer kesme yöntemlerine göre üstünlükleri ve ekonomisi ile ilgili bilgiler verilmiş, kompozit malzemelerin kesme işleminde su basıncı, nozul ilerleme hızı ve aşındırıcı besleme oranı gibi kesme parametrelerinin kesilen yüzeyin pürüzlülüğü, kerf genişliği ve kesme derinliklerine etkileri mevcut bilgiler kullanılarak incelenmiştir. Araştırma sonucunda, kompozit malzemelerin aşındırıcı su jeti ile kesilmesinde kullanılan parametrelerin kesme kalitesine olan etkisi büyüktür. Su jeti basıncı ve nozul ile parça arasındaki mesafe arttıkça kerf genişliği artmaktadır. Kompozit malzemelerin su jeti ile kesilmesinde kesme hızındaki artış kesilen yüzeyin pürüzlülüğünü ve derinliğini olumsuz etkilemekte ve kesme kalitesini düşürmektedir. Aşındırıcı akış oranı ile su basıncının yüksek olması ve düşük jet geçiş hızı nufuziyet derinliğini arttırmaktadır. Kompozit malzemelerde sünek ve kırılgan fazlar bir arada olduğundan sünek fazlar plastik deformasyon, kırılgan fazlar ise çatlak oluşumu ve çatlağın ilerlemesi şeklinde olmakta her iki mekanizma bir arada gerçekleşmektedir.

Anahtar Kelimeler: Aşındırıcı su jeti ile kesme kesme parametreleri, yüzey pürüzlülüğü, kompozit malzemeler a kesilmesi sırasında kullanılan 1. Giriş

Teknolojinin hızla gelişmesi sonucu son zamanlarda kompozit malzemeler sahip olduğu üstün özelliklerinden dolayı endüstrinin birçok olanında geniş bir kullanım alanı bulmaktadır [1-8]. Seramik ve bazı tip kompozit malzemelerin kırılgan, sert ve zayıf termal özelliklerine sahip olmaları, kesme aparatlarıyla kimyasal reaksiyonlara girmeleri ve heterojen bir yapıya sahip olmalarından dolayı torna, freze gibi geleneksel, plazma, lazer ve elektro erozyon gibi gelişmiş malzeme işleme teknolojilerinin kullanılması sırasında bazı problemler ortaya çıkmaktadır. Kompozit malzemelerin hassas bir şekilde işlenmesi, kesilen veya işlenen yüzeylerin kalitesinin iyi olması bu tür malzemelerin kullanıldığı uygulama alanları için oldukça önemlidir.

Endüstri ihtiyaçlarının giderilmesi amacıyla geliştirilen aşındırıcılı su jeti ilk olarak 1983 yılında ticari olarak ortaya çıkmış olup uzay, uçak, otomotiv, cam elektronik, tıp, döküm, gemi ve makine üretim alanlarında giderek artan uygulama alanları bulunmaktadır. Aşındırıcı su jeti ile kesilen yüzeylerin kalitesi geleneksel ve yeni teknoloji kesme tekniklerinden daha iyidir [1, 7-9].

Aşındırıcı su jeti ile kesme soğuk kesme işlemi olup küçük çaplı nozuldan 1000 m/s hıza ve 400 MPa basınca sahip yüksek hıza ulaşabilen su jet kullanılmaktadır [10]. Bu işlemde herhangi bir ısıl distorsiyon olmadan yüksek esnekliğe sahip malzemeler az basınç uygulanarak kesilebildiğinden seramikler bazen sert kırılgan ve çoğu zaman heterojen yapılara sahip metal, seramik ve polimer matrisli kompozitler rahatlıkla kaliteli bir şekilde kesilebilmektedir. [9, 11-24].

Son zamanlarda aşındırıcı su jeti ile malzeme işleme ve kesme ile ilgili birçok araştırma yapılmakta olup daha hızlı ve daha üstün yüzey kalitesine sahip kesme yüzeylerinin elde edilebilmesi için teorik ve deneysel çalışmalar sürmektedir [10, 11, 14, 19, 24].

Her sistemde olduğu gibi aşındırıcı su jeti ile malzeme işlemenin de geliştirilmesi gerekmektedir. Aşındırıcı su jeti ile kesmede üstün performansa ulaşılması ve kaliteli kesme yüzeylerinin elde edilmesi bazı kesme işlem parametrelerine bağlıdır. Bundan dolayı literatürde bulunan ilgili konuların gözden geçirilmesi ve işlem parametrelerinin kesilen malzemenin yüzey kalitesine olan etkisinin incelenip bilgilerin ortaya konulması gerekmektedir. Bu çalışmada aşındırıcı su jeti yöntemi ile metal, polimer ve seramik matrisli kompozit malzemelerin işlenmesi ya dişlem parametrelerinin kesme yüzey kalitesine ve kesme performansına etkileri literatür bilgilerinden faydalanılarak incelenmiş ve yorumlanmıştır.

2. Aşındırıcı Su Jeti Ve Donanımı

Aşındırıcı su jeti ile kesme düşük bir basınca sahip suyun yüksek basınçlı halde bir nozuldan geçirildikten sonra suyun içerisine karıştırılan aşındırıcıların yardımı ile yapılan kontrollü erozyon sistemidir.

Şekil 1'de şematik olarak verilen aşındırıcılı su jeti sistemi, basınç yükseltici pompa, basınç düzenleyicisi aşındırıcı besleme sistemi kesici kafa ve tutucudan oluşmaktadır. Aşındırıcı su jeti ile kesme işlemlerinde 172 MPa'dan 310 MPa 'a kadar olan basınçların kullanılması ile sert malzemeler rahatlıkla kesilebilmekte ve mükemmel kesme yüzeyi kalitesine ulaşılabilmektedir [6-8, 25]. Aşındırıcılı su jeti sisteminde bulunan donanım kullanılan malzemelerin performansı kesme kalitesine etki etmektedir. Sistemin içerisindeki elemanların aşınmaya dayanıklı olması ve kesme kafasının uç kısmında bulunan nozulun su jeti akışının iyi bir şekilde odaklanması, servis ömrünün uzun olması gerekmekte olup prinç, çelik, tungsten karbür bor karbür ve elmas en çok kullanılan nozul malzemeleridir [7, 25, 26].

Aşındırıcı su jeti ile kesme diğer malzeme işleme ve kesme yöntemlerine göre birçok avantaja sahiptir: Malzemeler daha hızlı kesilebilmekte ve birden fazla eksende kesme işlemi yapılabilmekte ve diğer yöntemlerde olduğu gibi kesme aparatının körlenmesi gibi bir problemle karşılaşılmamaktadır. Isıl ve deformasyon gerilmesi yanma olmadan kesme yapılmakta, böylece diğer kesme yöntemleri ile kesilebilmesi zor olan birçok malzeme bu yöntemle kolaylıkla kesilebilmektedir. Tabakalaşma ve katmanlaşma problemi olmadan malzemeler aşındırıcı su jeti ile kesilebilmektedir. Yapılan araştırmalar aşındırıcı su jeti ile yapılan kesme işlemlerinde malzemenin fiziksel, kimyasal ve mekaniksel özelliklerinde herhangi bir değişme olmadığını ortaya koymaktadır [2, 5-7]. Kesilen malzemenin yüzeyinde herhangi bir şekilde ısıdan etkilenen bölge oluşmadığından malzemeler herhangi bir deformasyona uğratılmadan kesilebilmektedir. Lazer ve plazma kesme işlemlerinde olduğu gibi yüksek ısıdan dolayı mikro çatlak, yapısal bozunma, malzeme yanması ve kesilen kenarlardaki erime bu yöntemde görülmemektedir [7]. Maliyet açısından incelendiğinde; aşındırıcı su jeti kesme sistemi daha ekonomik olup, diğer giderlerle birlikte cihazın maliyeti ortalama 150.000$ civarında olup, cihaz ömrü 10.000 saat olarak kabul edildiğinde, cihazın işletimi saat olarak 15$ olmakta ve enerji sarfiyatı, nozul değişimi, aşındırıcı maliyeti ve diğer masraflar ile saatlik maliyeti 27$ olmaktadır. Bu miktar saatlik maliyeti 2$ olan oksi-gaz 20$ olan plazma ve lazer gibi ısıl kesme yöntemleriyle kıyaslandığında daha pahalı gibi görülmesine rağmen kesilen yüzeylerin kalitesi ve kesme sonrası herhangi bir ek işleme gerek olmadığından daha ekonomiktir [7].

Aşındırıcılı su jeti sisteminin sahip olduğu dezavantajlar ise yüksek basınç ses seviyesi, aşındırıcıların topaklaşması ve kirliliği gibi çevresel bazı problemlere neden olması sayılabilir. Sistemde kullanılan tüpler valfler, hortumlar ve diğer parçalar güvenlik standartlarına ve çevre organizasyon şartlarına uygundur. [7, 8, 25].

3. Aşındırıcı Su Jeti Parametreleri

Aşındırıcı su jetinde bağımsız parametreler kendi içerisinde aşındırıcı su jeti ve aşındırıcı su jeti ile ilgili parametreler olmak üzere iki grupta incelenmekte olup, bu sistemin işlem parametrelerinin bazıları aşağıdaki gibi sıralanmaktadır [7, 8, 25].

-Hidrolik parametreler
·Basınç
·Su
·Su akış oranları

-Aşındırıcı parametreleri
·Aşındırıcı parçacık boyutu
·Aşındırıcı malzeme
-Aşındırıcı ortam şartları

(Kuru, Çamurlu)
·Aşındırıcı akış oranları
-Karıştırma parametreleri
·Karıştırıcı tüp çapı
·Karıştırıcı tüp boyu

Diğer parametreler ise özel işleme uygulamaları; derin kanal açma, tornalama işleme ve delme gibi uygulamaları kapsamakta olup şu parametreleri içermektedir.
-Kesme hızı
-Paso sayısı
-Kesme mesafesi
-Tornalamada döndürme hızı
-İşlemede besleme artışı
-Delme işleminde süre [7, 25].

Su basıncı ve akış oranları aşındırıcı su jeti kesme sistemi üzerine teknik ve ekonomik etkileri bulunmaktadır. Bunlar; pompa ve nozulun hidrolik verimliliği ve jet yayılma karakteristikleri, nozul içindeki parçacık oranları karıştırma tüpünün aşınması karıştırma verimliliğidir. Hidrolik verimliliği suyun sıkıştırılabilirliği ve akış direnç kayıplarına etki etmekte yüksek basınç ve yüksek akış oranlarında sistemin hidrolik verimliliğini azaltmaktadır. Yüksek su akış direnci, basınç ve su akış oranlarına paralel olarak artmaktadır. Jet yayılması aşındırıcı su jeti nozullarının içerisinde karıştırma tüpünün daha hızlı aşınmasına neden olmaktadır. Karıştırma tüpü ile su jeti orifisi arasındaki mesafenin artışı yayılma açısından kritik olup, aşırı yayılma jetin enerjisinin dağılarak düşmesine neden olduğundan, derin kesme istendiği durumlarda uygun olmamaktadır. Jetin parçalara ayrılması sonucu oluşan çarpma frekansı malzemenin uzaklaştırılmasını arttırdığından su jeti nozulunun içerisindeki parçacık dağılımları basınç ve su akış oranlarına paralel olarak artmaktadır. Basıncın artışı ile aşındırıcı besleme oranının artması kesme kabiliyetini arttırır. Jetin güçlü olması aşındırıcıların uzaklara taşınmasını sağlamakta olup sistemin hidrolik gücü artışı karıştırma tüpünün aşınmasının artmasına neden olduğundan kesme performansını düşürmekte ve aşınma problemi sistemin işlemesinde servis ve yedekleme masrafı nedeniyle daha pahalı olmaktadır. Jetin daralması ile yüksek basınçlarda sistem elemanlarının aşınması azaltmakta ve karıştırma verimliliğini artırmaktadır. Nozul malzemesinin yoğunluğu ve sertliği aşındırıcının taşınışına ve nozulun aşındırma performansına etkimektedir. Malzeme kesme ve işleme işlemleri sırasında aşındırıcı parçacıkların parçalanması aşındırıcı akış oranlarına bağlı olarak artmakta olup, akış oranı ile beraber kesme kapasitesi ve hızı da artmaktadır. Aşındırıcı parçacıkların boyutu arttığında daha geniş ve daha uzun karıştırma nozulları gerekmektedir. Karıştırıcı tüpün çapı aşınmaya karıştırmaya ve nozulun emme karakteristiklerine etkimektedir. Geniş çaplı karıştırma tüpleri yetersiz aşındırıcı girişine sebep olur. Karıştırma tüpünün çapı ile su jeti orifisinin çap oranının düşmesi aşındırıcı tüpünün aşınmasını arttırmaktadır. Karıştırma tüpü girişi ile orifis arasındaki mesafe karıştırma tüpünün çapının su jeti orifis çapına oranının azalmasıyla birlikte azalmaktadır. Su jetinin dar olması ve odaklanması karıştırma ve tüpün uzun ve etkili bir şekilde kullanılması açısından önemlidir [2, 7, 25]. Aşındırıcı malzeme cinsi kesme performansı ve kesme hızı açısından önemli olmakta, farklı malzemelerin kesilmesinde performans ve kesme hızı bakımından farklı etki göstermektedir [7, 25].

4. Kompozitlerin Aşındırıcı Su Jeti İle Kesilmesi ve Bazı Parametrelerin Kesme İşlemine Etkisi

Tasarımcılar ve mühendisler tarafından kompozitler yüksek kaliteli malzemeler olarak görülmekte, günümüzde otomobil, uçak endüstrisinde ve savunma endüstrisinde kullanılmaktadır. Aşındırıcı su jeti ile kesme mekanizması malzeme cinsine ve sahip olduğu özelliklere göre değişmektedir. Farklı malzemelerde değişik mekanizmalar işlemektedir. Bu çalışmada metal polimer ve seramik matrisli kompozitlerin aşındırıcı su jeti ile kesilmeleri ele alınmaktadır. Cam elyaf destekli plastik kompozit malzemenin değişik açılarda kesilmesinin kerf genişliğine etkisi incelenmiş ve kesme açısı arttıkça kerf genişliği de artmakta ve en düşük kerf açısı nozula herhangi bir açı verilmeden direk olarak kesilen parçalarda görülmektedir (Şekil 2 (a)). Şekil 2 (b)'de görüldüğü gibi aynı zamanda kesme hızı artıştı ile yüzey pürüzlülük değerleri artmaktadır. Dikey kesimlerde daha kaliteli yüzeyler elde edilmektedir. Aynı çalışmada, içerisinde bulunan karbon elyafı takviyeli epoksi kompozitlerin kesme işlemlerde bazen katmanlaşma görülmekte ve bunun önlenmesi için kesme hızının ayarlanması gerekmektedir [1].

Polimer matrisli kompozitler bazı özel fiziksel ve mekanik özelliklerinden dolayı çeşitli uygulamalarda aranılan malzemelerdendir. Geleneksel yöntemler kullanılarak kesildiğinde kesilen yüzeyin kalitesi ve kesme verimliliği düşmektedir. Kesme işlemi sırasında uygun nozul seçilmesiyle kesme performansının artışı sağlanır. Nufuziyet derinliği aşındırıcı su jeti basıncı ile artmakta ve nozul ile iş parçası arasındaki mesafenin artması ile düşmektedir [22]. Alt aşınma bölgelerinde çapak oluşumu ve dalgalı kesme çizgileri görülmektedir. Ayrıca, su basıncı ve nozul ile malzeme arasındaki mesafenin artışı kerf genişliğini arttırmaktadır (Şekil 3 (a), (b). Tablo 1'de ise kesme parametrelerinin kerf geometrisine ve kalitesine etkisi özetlenmektedir. Wang [22] tarafından kerf geometrisi ile ilgili işlem değişkenleri dikkate alınarak aşağıda verilen deneye dayalı modeller geliştirilmiştir [22].


Wt = 0.842 + 0.009 P + 0,0593 Sd -0,0089V (1)

q =0.71+0.064 P + 0.51 Sd - 0,00895 V (2)

Burada: Wt üst kerf genişliğini (mm), q kerf eğim açısı (°), P su basıncını (kpsi), Sd nozulun iş parçasından uzaklığını (mm) V ise nozulun ilerleme hızını (mm dk-1) göstermektedir. Bu eşitlikler kerf geometrisinin tahmini ve diğer kesme parametrelerinin optimize edilmesinde kullanılmaktadır [22]. Başka bir çalışmada [20] kesme işleminde deneye dayalı formül geliştirilerek yüzey pürüzlülüğünü veren denklem aşağıdaki gibi hesaplanmaktadır.

RA=6.2050,0004P-14.470m+0.346V-0.158d (3)

Burada: P su jeti basıncı (MPa), m kütle akış oranı (kg/dk), V nozul ilerleme hızı mm/dk, d ise kesme yüzeyinin üst kenarına olan uzaklık olarak verilmektedir.

Cam elyaf takviyeli reçine alüminyum tabakalı metal kompozitlerin aşındırıcı su jeti ile kesimi sırasında kesilen malzemeyi uzaklaştırma mekanizması alüminyum katmanlar için sünek malzemelerde olduğu gibi mikro kesme ve plastik deformasyon şeklinde olmaktadır. Ancak, cam elyaf kesildiğinde malzeme uzaklaştırma mekanizması mikro kesme ve gevrek kırılma şeklinde olduğu belirtilmektedir [24]. Bu malzemede dayanımı az olması nedeniyle reçine daha kolay kesilmekte ve cam elyafde katlanma oluşmaktadır. Çünkü, epoksi reçinenin elastik modülü 2 GPa iken, cam elyafininki ise 80 GPa dır [24].

Neusen ve arkadaşları [13] su jeti ile kesilen alüminyum matris içerisinde değişik oranlarda SiC parçacık katılan metal matris kompozitlerin yüzeyini kesme hızı artışının yüzey pürüzlülüğüne etkisi ve kesme hızının derinliğe etkisini incelemiş ve Şekil 4 (a)'da görüldüğü gibi belirli bir hızda, daha pürüzsüz kesme yüzeyi elde edildiğini göstermiştir. Alüminyum matris içerisindeki SiC oranı artışı pürüzsüz kesme yüzeyi elde edilmesine katkıda bulunmaktadır. Aynı araştırmada %15 SiC parçacık takviyeli alüminyum matrisli kompozitlerin kesilmesinde 2 mm/s kesme hızında ve 240 MPa kesme basıncı seçildiğinde aşındırıcı akış oranına paralel olarak daha pürüzsüz yüzeyler elde edilmektedir. Şekil 4 (b)'de kesme hızı ile kesme derinliği arasındaki ilişki verilmiş ve şekilde görüldüğü gibi, kesme hızı ile kesme derinliği azalmaktadır. Sade alüminyum kesildiğinde daha derin kesme nüfuziyeti sağlanmakta olup, alüminyum matris içerisindeki SiC parçacık oranı artışı ile kesme derinliğinde düşme görülmektedir.

SiC takviyeli 2014 aluminyum matrisli kompozitlerin su jetiyle kesilmesi sonucunda kesilen yüzeyin pürüzlülüğü kesme hızı ile beraber artmakta ancak aşındırıcı akışı miktarına bağlı olarak azalmaktadır. Ayrıca SiC oranı artışı ile kesilen alüminyum matris kompozitin yüzey pürüzlülüğü ve kesme derinliği azalmaktadır. Hem alüminyum hem de SiC parçacığın kesilmesinde benzer kesme mekanizması olmaktadır.

Mikroskobik incelemelerde SiC parçacığın bazılarının kırıldığı görülmüştür. Bu durum SiC ile matris arasında iyi bir bağın olduğunu göstermektedir. Kesilen yüzeyden malzeme uzaklaştırılması mikro erozyon mekanizması şeklinde olmaktadır [13]. Müler [9] tarafından yapılan çalışmada SiC partikül destekli metal matris kompozitlerin elektro erozyon yöntemi, lazerle kesim ve aşındırıcılı su jetiyle keserek yüzey pürüzlülüğünün ve mikro yapılarının incelenmesi sonucunda aşındırıcılı su jeti ile kesilen yüzeylerin daha iyi olduğu ve kesilen yüzeyde herhangi bir kesme çizgisi oluşmadığı vurgulanmaktadır (Şekil 5).
Kesim sonunda; kesilen kesitin kenarında çapak oluşumunun daha az olduğu kesilen bölgeden malzeme uzaklaştırılması aşınma deformasyonu şeklinde olup kerf genişliğinin de oldukça dar olduğu belirtilmektedir. (Tablo 2)

Wang ve Guo [19] çalışmalarında, polimer matrisli kompozitin aşındırıcı su jeti ile kesilmesini optimize edilerek nufuziyet derinliğini hesaplamıştır. Nufuziyet ve aşındırıcı oranı, su basıncı ile farklı nozul ilerleme hızları altında nufuziyet etkisini incelenmiştir. Şekil 6 (a) ve (b) nufuziyet derinliğinin jet geçiş hızı ile azaldığını göstermektedir. Bu durum bazı faktörlerin etkisine bağlanmaktadır. Kesme hızı ile aşındırıcı oranının azalması kesilen parçadan malzeme uzaklaştırılması azalması bu faktörlerden birisidir. Şekil 6 (c) ve (d)'de seçilen hızlar farklı olup, aşındırıcı oranlarında su basıncına paralel olarak nufuziyet derinliğinin artığı görülmektedir. Şekil 6 (d)'deki değerlerin Şekil 6 (c)'deki değerlerden düşük olması kesme hızının nüfuziyet derinliğini olumsuz etkilediğini göstermektedir. Şekillerde hesaplanarak elde edilen değerlerin deneysel çalışmalar ile uyum içerisinde olduğu belirtilmektedir. Aşındırıcı su jeti ile kesme aşındırıcı parçacıklar tarafından yapılan bir erozif işlem olarak nitelenmekte ve yüksek basınca sahip su ile kesme işleminde hem sünek hem de kırılgan. Malzemeler için aynı mekanizma geçerli olduğu ileri sürülmektedir. Bundan dolayı polimer matrisli kompozitlerin aşındırıcı su jeti ile kesilmesinde sünek ve kırılgan malzemeler benzer kerf karakteristikleri göstermektedir. Kesme parametreleri uygun seçildiğinde aşındırıcı su jeti kesilen yüzeye kolay nüfuz edebilmekte ve herhangi bir katmanlaşma görülmemektedir

Su jetinin ilerleme hızı arttırıldığında aşındırıcı parçacıkların sahip olduğu enerji azaldığından kesilen malzemenin uzaklaştırılma oranı azalmaktadır. Wang [21] tarafından rapor edilen çalışmada, su jetinin hızlı ilerlemesi sonucu daha az parçacık hedefteki malzemeye çarparak ve daha dar bir alan açılmasına neden olmakta ve parçacıkların sahip olduğu enerji kaybı azalarak kerf genişliği daralmasını sağlamaktadır. Buna paralel olarak nüfuziyet derinliği de azalacaktır. Genelde nüfuziyet derinliği su basıncı ile paralel olarak artmakta ve kesilen malzemenin uzaklaştırılması için daha çok enerjiye ihtiyaç olmaktadır. Su basıncı değerlerindeki artış malzeme uzaklaştırma miktarını azaltacağından, yüksek su basıncı altında yapılan kesme işleminde kerfin daha geniş olmasına ve dolayısıyla nüfuziyet derinliğinin az olmasına neden olmaktadır. Şekil 6 (a-d)' de gösterildiği gibi nüfuziyet derinliği aşındırıcı akış oranına paralel olarak artmaktadır. Daha önce yapılan çalışmalarda benzer sonuçlar alınmıştır [14, 21]. Aşındırıcı su jeti içerisindeki aşındırıcı oranının artması ile daha fazla malzeme kesilen yüzeyden uzaklaştırılma eğiliminde olup, kesme işlemi sırasında parçacıkların birbirine çarpması sonucu sahip oldukları enerjiler azaldığından kerf genişliğinin artmasına neden olmaktadır [19, 26].

Abdel-Rahman ve El-Domiaty'in [16] yaptığı çalışmada alümina kesilmiş şekil 7 (a)'da görüldüğü gibi ilerleme hızı arttıkça kesme derinliği azalmakta, kesme derinliği uygulanan basınçla beraber artmaktadır. Şekil 7 (b)'de görüldüğü gibi aşındırıcı akış oranları belli bir dereceye gelene kadar artmakta ve bu noktayı aştıktan sonra azalmaktadır. Aşındırıcı akış oranı ile beraber maksimum kesme derinliği artmakta fakat akış oranı belli bir değeri aştıktan sonra akış eğimi düşmektedir. Önceki çalışmalar bu sonuçları desteklemektedir [15, 16, 18, 27]. Vicran [24] tarafından yapılan çalışmada malzeme kesme derinliği arttıkça kesilen malzemelerin yüzey pürüzlülüğü artmaktadır.

Hashish [28] tarafından yapılan araştırmada malzeme uzaklaştırılması ve altında çapak oluşumu mekanizması sünek ve homojen malzemeler için yüksek hıza sahip kamera kullanılarak incelenmiş ve kesme sırasında kesme ve deformasyon aşınması olmak üzere iki bölgenin oluştuğu tespit edilmiştir. Şekil 8 (a)'da aşındırıcı parçacıkların izlediği yol görülmektedir. Bunlara ilave olarak Hashish tarafından Şekil 8 (b)'de görüldüğü gibi, aşındırıcı su jeti ile kesme işleminin sırasıyla giriş kesme ve çıkış olmak üzere üç aşamada gerçekleştiği belirtilmektedir. Kesme aşınma bölgesinde malzeme uzaklaşması parçacıkların geniş açılı akışı sonucu, deformasyon aşınma bölgesinde malzemenin geniş açılı bir şekilde uzaklaştırılması ile gerçekleştirilirken, kesme aşınma bölgesinde aşındırıcı parçacıkların iş parçasına küçük açılarla çarpması sonucu gerçekleşmektedir. Genelde erozyon işlemi malzeme uzaklaştırılmasının sürdürülmesi durumda ilerler ve uzaklaştırma aşamasında kesme derinliği artarak devam eder. Kesme derinliği kritik derinliğe ulaştığında kesme yüzeyinde kesme çizgileri oluşmaktadır [28].

Sünek malzemelerle malzeme uzaklaştırma işlemi küçük açılarda erozyon şeklinde büyük açılarda ise plastik deformasyon şeklinde olmaktadır [29]. Gevrek malzemelerde ise kesilen bölgeden malzeme uzaklaştırma işlemi gevrek kırılma şeklinde olmakta malzeme uzaklaşması da talaş çıkımı şeklinde gerçekleşmektedir [30]. El-Domiaty ve Abdel-Rahman[30] tarafından geliştirilen ve yüzey pürüzlülüğü ve maksimum kesme derinliğinin belirlenmesi için kırılma mekanizmasına dayanan elastik plastik erozyon modeli malzeme uzaklaştırma işleminde plastik deformasyonun önemli rol oynadığını ortaya koymaktadır. Kesilen malzemenin kırılma tokluğu sertlik ve işlem parametrelerine bağlı olarak maksimum kesme derinliği belirlenebilmektedir. Erozyon ya da talaş kaldırma işlemi kırılgan malzemeler için çatlak oluşumu ve bunun sürdürülmesi ile gerçekleştirilmekte olup kontrol edilebilmektedir.

5. Sonuçlar
Kompozit malzemelerin aşındırıcı su jeti ile kesilmesi ve bazı parametrelerin kesme kalitesine ve performansına etkileri literatürde bulunan bilgiler kullanılarak araştırılmıştır. Yapılan çalışma sonucunda çıkarılan sonuçlar aşağıda sıralanmıştır:

1.Aşındırıcı su jeti kullanılarak malzeme işleme ve kesme işlemi diğer geleneksel ve modern kesme tekniklerine göre birçok avantajlara sahip olup, son zamanlarda geniş bir uygulama alanı bulmaktadır. Aşındırıcılı su jeti ile kesme yöntemi diğer kesme yöntemlerine göre ilk yatırım maliyeti bakımından pahalı olmasına rağmen kesme öncesi ve sonrası yapılan ilave işlemler ve diğer bazı faktörler göz önüne alındığında daha ekonomik olmaktadır.

2.Kesme hızı, aşındırıcı miktarı ve cinsi, aşındırıcı besleme oranı gibi birçok faktör aşındırıcı su jeti ile kompozit malzemelerin kesilmesinde kesme performansı ve yüzey kalitesine etki etmekte ve malzeme türüne göre kesme işlemi parametreleri değişmekte istenilen kesme kalitesi ve performansının elde edile edilebilmesi için sistemin optimize edilmesi gerekmektedir.

3.Diğer kesme yöntemleri ile kesme işlemi sırasında istenen yüzey kalitesine ulaşılmasında önemli problemlerle karşılaşılan kompozit malzemeler aşındırıcı su jeti ile daha kaliteli bir şekilde kesilebilmekte, kesme performansları ve işlem parametrelerinin optimize edilme araştırmaları ile başarılı sonuçlar alınmaktadır.

4.Kompozit malzemelerde hem sünek hem de kırılgan fazların bir arada olması kesilmeyi zorlaştırmaktadır. Sünek ve kırılgan malzemelerin kesilme mekanizması farklı olduğundan sünek malzemelerin kesilen bölgeden uzaklaştırılması plastik deformasyon ile kırılgan malzemelerde ise çatlak oluşumu ve ilerlemesi şeklinde olmaktadır. Seramik metal ve polimer matrisli kompozitlerde her iki mekanizma bir arada gerçekleştiğinden kesilen yüzeyin kalitesi ve kesme performansı diğer kesme yöntemlere göre daha iyi olmaktadır.

6. Kaynaklar
[1]Shanmugam, D.K. Chen, F.L, Siores, E. Brandt, M., 2002. Comparative Study of Jetting Machining Technologies Over Laser Machining Technology For Cutting Composite Materials, Composite Structures. 57, 1-4, 289 -296.
[2]Hashish, M.,1984. Cutting with Abrasive Waterjets, Mechanical Engineering, 106, January, 69-96.
[3]Mendi, F. Külekçi, M.K. 1999. İmalatta Su Jeti Uygulamalarının Değerlendirilmesi, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 5, 23, 1067-1075.
[4]Mendi, F., Külekçi, M.K., 2001. Su Jet Teknolojisindeki Gelişmeler ve Su Jeti ile Kesme Uygulamaları, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi 1, 2, 147-157.
[5]Geren, N., Tunç, T., 2001. Metal Endüstrisinde Aşındırıcı Su-Jeti Kesme Sistemlerinin Kullanımı ve Kesim Karakteristikleri, Metal makine, Ekim, 118.
[6]Külekçi, M.K., 2002. Processes and Apparatus Development in Industrial Waterjet Applications, Int. J. Machine Tool&Manufacture, 42, 12, 1297-1306.
[7]Hashish, M., 1983. Experimental Studies of Cutting with Abrasive Waterjets, Proceding of the Second U.S. Waterjet Conference, Rolla, Missouri, 402-416.
[8]Hashish, M. Loscutoff, W.V., 1983. Reich, P., Cutting with Abrasive Waterjets, Proceding of the Second U.S. Waterjet Conference, Rolla, Missouri. 421-436.
[9]Muller, F. Monaghan J., 2000. Non-Conventional Machining of Particle Reinforced Metal Matrix Composite, Int. J. Machine Tool&Manufacture. 40, 9, 1351-1366.
[10]Chen, L. Siores, E., Wang W.C.K., 2002. Optimising Abrasive Waterjet Cutting of Ceramic Materials, J. Mater. Pro. Tech. 74, 1-3, 251-254.
[11]Hashish M. 1991. Characteristics of Surfaces Machined with Abrasive Waterjets, J. Eng Mater Technol Trans. ASME, 113, 3, 354- 362.
[12]Hamatani, G., Ramulu, M., 1990. Machinability of High Temperature Composite by Abrasive Waterjet, J. of Eng. Mat. and Tech. ASME, 122, 381-386.
[13] Neusen, K. F. Rohatgi, P. K., Vaidyanathan, C., Alberts, D., 1997. Abrasive Waterjet Cutting of Metal Matrix Composites, Proceding of The Fourth U.S. Waterjet Conference, The University of California, Berkeley, 272-283.
[14] Guo, N.S. Louis, G., Meier, G., 1993. Surface Structure and Kerf Geometry in Abrasive Waterjet Cutting: Formation and Optimization, Proceeding of The Seventh American Waterjet Conference, Seattle, WA. 125.
[15] Gudimetla, P. Wang, J. Wang, W., 2002. Kerf Formation Analysis in The Abrasive Waterjet Cutting of Industrial Ceramics, J. Mater. Pro. Tech. 128, 1-3, 123-129.
[16] Abdel-Rahman, A.A. El-Domiaty, A.A., 1998. Maximum Dept of Cut For Ceramics Using Abrasive Waterjet Technique, Wear, 218, 2, 216-222.
[17] Paul, S. Hoogstrate, A.M., Luttervelt C.A., Kals, H.J.J., 1998. Analytical Modelling of The Total Depth of Cut in The Abrasive Water Jet Machining of Polycrystalline Brittle Materials, J. Mat. Pro. Tech. 73, 1-3, 206-212.
[18] Kahlman, L. Karksson, S. Carlsson, R., Nilsson C.G., 1993. Wear and Machining of Engineering Ceramic by Abrasive Waterjets, Am. Cer. Soc. Bull. 72, 3, 93-98.
[19] Wang, J. Guo, D.M. 2002. A Predictive Depth of Penetration Model For Abrasive Waterjet Cutting of Polymer Matrix Composites, J. Mater. Pro. Tech. 121, 2-3, 390-394.
[20] Lemma, E. Chen, L. Siores, E. Wang W.C.K., 2002. Study of Cutting Elyaf- Reinforced Composites by Using Abrasive Water-Jet With Cutting Heat Oscillation, Composite Structures. 57, 3, 297-303.
[21] Wang, J., 1999. Abrasive Waterjet Machining of Polymer Matrix Composites Cutting Performance, Erosive Process and Predictive Models, Int. J. Adv. Manufacture. Techn. 15, 757-768.
[22] Wang, J., 1999. A Machinability Study of Polymer Matrix Composites Using Abrasive Waterjet Cutting Technology, J. Mater. Pro. Tech. 94, 1, 30-35.
[23] Paul, S. Hoogstrate, A.M., Van Prag R., 2002. Abrasive Water Jet Machining of Glass Fibre Metal Laminates, Proc. Instn. Mech. Engrs 21 Part B: J. Eng. Manu. 1459-1469.
[24] Vikram, G. Ramesh Babu, N., 2002. Modelling and Analysis of Abrasive WaterJet Cut Surface Topography, Int. J. Machine Tool&Manufacture, 42, 12, 1345 -1354.
[25] Hashish, M., 1991. Optimisation Factors in Abrasive-Waterjet Machining, J. Enginering for Industry, 113, 10, 29-37.
[26] Nanduri, M. Taggart, D. G. Kim, T.J., 2002. The Effects of System and Geometric Parameters on Abrasive Waterjet Nozzle Wear, Int. J. Machine Tool&Manufacture. 42, 5, 615-623.
[27] Zeng, J. Kim, T.J., 1991. Metal Removal of Polycrystalline Ceramic by High Pressure Abrasive Water Jet-A SEM Study, Int. J. Water Jet Tech. 1, 2, 65-71.
[28] Hashish, M., 1992. On The Modelling of Surface Waviness Produced by Abrasive-Waterjets, Proceedings of the 11th International Symposium on Jet Cutting Technology, Kent, Washington, 17- 34.
[29] Hashish, M., 1984. A Modelling Study of Metal Cutting with Abrasive Waterjets, J. Mater. Pro. Tech., 106, 12, 88-100.
[30] El-Domiaty, AA, Abdel-Rahman AA., 1997. Fracture Mechanics Based Model of Abrasive Waterjet Cutting For Brittle Materials, J. Adv. Manu. Tech. 13, 3, 172- 181.

*Mücahit GÖKMEN, *Ramazan YILMAZ, **M.Fatih KUTLU

Lazer Kesim : Otomobil Sac Parçalarının Üretiminde Kullanılan Kaplamalar

Otomotiv sektöründe rekabet ve beraberinde getirdiği teknolojik gelişim içerisinde kalite ve düşük maliyet çok önemli bir yer tutmaktadır. Otomotiv sektöründe malzemelerin istenilen fiziksel, kimyasal ve dekoratif özelliklere sahip olması, istenilmeyen yüksek maliyet gibi bir özelliği yanında getirmektedir. Bu nedenle otomotiv sektöründe kaplama yeniliklerinin kullanılmasını gerektirmiş ve bu gelişmeyi zorunlu kılmıştır.

ANAHTAR KELİMELER: Elektrolitik Çinko Kaplamalar, Sıcak Daldımalı Galvaniz Kaplamalar, Çinko Alaşımlı Kaplamalar.

1.Giriş:
Çinkonun koruyucu özelliği muntazam ve iyi yapışan kaplamalar vermesinden ileri gelir. Ayrıca çinkonun atmosferdeki elementlerle etkileşmesi sonucu oluşan korozyon ürünlerinin kaplama tabakasını koruması da ayrı bir avantajdır. Çinko kaplama üzerine uygulanan pasivasyon işlemi, kaplamanın korozyon direncini % 25-35 oranında arttırır. Bir çinko kaplama banyosunda bulunan yabancı metallerin çinko ile birlikte katota birikmesi yani çinko ile birlikte yabancı metalinde kaplamaya dahil olması kaplama örtüsünde problem yaratmaz. Çinko kaplamanın bir başka özelliği de uzak koruma tesiridir. Yani çinko kaplama örtüsünde ufak ebatla birkaç mm2 kaplanmamış yerler olsa dahi koruma tesiri devam etmektedir. Çinko normal atmosferde yavaş yavaş okside olur. Yüzeyinde daha ziyade ZnOH2 ZnCO3, bazen de ZnSO4 ve ZnCI2 ler meydana gelir. Bu oksidasayon ürünleri yüzeye sıkı yapışan ve korozyonu geciktiren bir örtü tabakası meydana getirir. Fakat hepsinin koruyucu özellikleri farklıdır. Çinko kaplamanın kalınlığı kaplama tabakasının korozyon mukavemetine etki eden en büyük faktördür. İsteğe ve kullanılacağı yere göre 5-50 mikron arasında kaplama yapılabilir. Daha yüksek kaplamalarda korozyon direnci düşer. Çinko kaplamanın kalınlığı ile korozyon direnci ters orantılıdır.
2. Elektrolitik Çinko Kaplama Yöntemleri
a)Alkali Çinko Elektroliti
a.1) Siyanürlü Alkali Çinko
Elektroliti
a.2) Siyanürsüz Alkali Çinko
Elektroliti
b) Nötr Çinko Elektroliti
c) Piro Fosfatlı Çinko Elektroliti
d) Asitli Çinko Elektroliti
Katodik akım verimi çinko konsantrasyonuna bağlıdır. 29 g/lt çinkoda %65 iken 45 g/lt de % 95 tir. Bu tür elektrotlar siyanürlü çinko da olduğu gibi harika derin dağılım özelliği gösterir.
En az iki parlatıcı ile ( primer ve seconder ) çok iyi derin dağılım özelliği olan parlak kaplamalar elde edilir, idaresi koplike olduğundan (aktif karbon üzerinde periyodik filtrasyon, yüksek sıcaklıklar ) ve kötü stabiliteden dolayı pratikte uygulanmamaktadır.

Tablo1.6 da asitli çinko kaplama banyolarının formülasyonları ve ve çalışma limitleri verilmekteditr. Asitli çinko kaplama sistemleri % 95-98 akım veriminde çalışmaktadır. Buna mukabil siyanürlü ve siyanürsüz alkali çinko kaplama sistemleri özellikle katodik akım yoğunluğu yükseldikçe çok daha düşük bir verimle çalışmaktadır.

3.Sıcak Daldırmalı Galvaniz Kaplama
Dayanıklılık açısından en ideal kaplama şeklidir. Demir ve Çinko atmosfer ortamında en hızlı okside olup tahribata uğrayan metallerdir. Bu yüzden çelik yüzeylerinin temel olarak atmosfer ile temasından korunması için onlara boya ve çinko galvanizi uygulanır. Çinko galvanizi tek parçaların sıvı çinko banyolarına daldırılmaları suretiyle yapılacağı gibi seri imalata uygun şekilde ( çelik bantların sürekli olarak galvanizde olduğu gibi ) de yapılabilmektedir.

3.1.Sıcak Daldırmalı Galvaniz Çalışma Sırası
a) Yağ Giderme
b) Dekapaj
c) İnhibitörler
d) Yıkama ve Durulama
e) Flux
f) Çinko Kaplama
g)Galvaniz Yüzeye Boya Sürülmesi

3.2. Çalışma Kriterleri
Dekapaj:
1. Klorür Asit sarfiyatı: 4-5 kg / 100
kg Sac
2. Dekapaj da Ağırlık Kaybı: %1.5-3

Flux:
3. Çinko Klorür Solisyonu: 38-
450Be
4. m2 Başına Düşen Sarfiyat: 30-
50 gr.(parça levha bazında)
5. Solisyonun Temperatürü: 30-
350C. Max.500C
6. Kurutma Fırın Sıcaklığı: 130-
2000C
7. Levhanın Fırında Kuruma
Süresi:60-120m/sn(1*2m)
8. Fırından Çıkışta, Levhanın
Sıcaklığı: 1100C

Galvaniz:
9. Çinko Banyosunun Sıcaklığı:
425- 4350C
10. Levhanın, Çinko Banyosuna
Dalma Hızı: 0.33m/sn
11. Levhayı Çinko Banyosundan
Çıkarma Hızı: 0.05-0.09m/sn
12. Çinko Sarfiyatı: 90-100kg/ton
13. Çinko Kaplamanın Kalınlığı:
120-170gr/m2
14. Elde Edilen Lapa: 5-8kg/ton
15. Lapadaki Demir Miktarı: %4-
5Fe
16. Elde Edilen Çinko Türü: 1-3
kg/ton
17. Çinko Külündeki Çinko Miktarı:
% 45-60
18. Verim: 900-1100 Levha /
8saatlik vardiyada

4.Çinko Alaşımlı Kaplamalar
Çelik parçalar üzerindeki çinko alaşımlı kaplamalar beyaz ve kırmızı pas oluşumunu geciktirir. Çinko ile alaşım yapan elementler 8B grubu elementlerdir. Bu tür kaplamalar son senelerde önem kazanmıştır. Sebebi ise çinkonun yüksek ve çinko alaşımlarının düşük kaplama kalınlıklarında dahi yüksek korozyon sirenci göstermesidir.

4.1. Çinko Nikel ( Zn-Ni ) Yöntemi
4.2. Çinko Demir ( Zn-Fe ) Yöntemi
Askı ve dolap tesislerinde demir ve çelik üzerinde parlak çinko demir kaplamalar oluşturur. Çinko Demir Prosesi ağırlıkça % 0.3-0.6 demir içeren kaplama sağlar. Çinko demir prosesi ile kaplanmış malzemeler diğer konvensiyonel çinko prosesleriyle kaplanmış malzemelere oranla çok daha iyi korozyon dayanımı gösterir. % 0.2 nin altındaki demir miktarında ise korozyono karşı direnç aynen alaşımsız çinko kaplamadaki gibidir.
Yeni kaplama banyo suyu hazırlanırken düşük konsantrasyonda demir ve ya demir-kobalt miktarlarıyla başlanması tavsiye edilir. Bu miktarların dengeye yavaş yavaş gelmesi sağlanır.
SONUÇLAR:
1. Çinko elementi aktif bir metaldir ve yüksek korozyon direnci, kimyasal özellikleri iyi, optimal kaplama dağılımı, organik ve plastiklerle kaplanabilirlik, korozyondan koruma ve katodik koruma etkisi gibi bir çok özelliğe sahiptir.

2. Çinko kaplamalar otomotiv endüstrisi başta olmak üzere tesis, aparat kuruluşları, inşaat endüstrisi, bağlantı elemanları baskı endüstrisi, elektronik, uçak endüstrisi, makine endüstrisi, haberleşme ve hidrolik tekniği, spor, kaynak, konuşma, saat, teçhizat endüstrisinde gibi bir çok yerde kullanılmaktadır.

3. Siyanürlü alkali çinko prosesinden elde edilen kaplama tabakası asidik çinko banyolarından daha düzgün ve parlaktır. Atomların yüzeyde dizilişi daha düzgün ve sıkıdır ve kaplama tabakası homojendir. Yüksek çinko Miktarı yüksek akım yoğunluklarında çalışmayı sağlarken yüksek sodyum siyanür miktarı harika dağılım özelliği gösterir.

4. Asitli çinko kaplama seviyelenme etkisi olan tek çinko kaplama türüdür. Bu özellik çok iyi parlaklık verme özelliği ile birleşince ortaya göz alıcı niteliklerde kaplamalar çıkmaktadır.

5. Asitli Çinko kaplama yöntemi ile dökme demir, karbonirürlenmiş demir ve dövülebilir demir kaplanabilir. Asitli çinko kaplama sistemleri siyanürlü ve siyanürsüz kaplama sistemlerine nazaran daha yüksek iletkenliktedir ki bu durum enerji tasarrufuna olanak sağlar.
6. Katodik akım verimi en yüksek olan asitli çinko kaplama sistemleri hidrojen kırılganlığını minumuma indirmektedir.

7. Nötr çinko elektrolitler demir kirliliğine karşı son derece duyarlıdır.Demir kompleks oluşturur ve elektrolitte uzaklaştırılamaz. Belirli bir miktar sonra demir duktiliteye azaltır ve renkli kaplamalar oluşturur.

8. Sıcak Daldırmalı kaplamalar dayanıklılık açısından en ideal kaplama şeklidir. Sıcak daldırmalı galvaniz kaplama düşük maliyet, düşük servis maliyeti, uzun ömür, uygulama hızı, güvenirlilik, kaplama tokluğu, bütünsel kaplama, üç yönlü koruma ve hızlı montaj gibi özelliklere sahiptir.

9. Çinko nikel kaplamaların korozyon direnci artan nikel miktarı ile daha artar. Çinko nikel kaplamalar daha az beyaz pas oluşturur.

10. Çinko nikel alaşım kaplamaları, pasivasyon işlemi tam olarak yapıldığında eşit kaplama kalınlıklarında diğer çinko kaplama proseslerine oranla daha iyi ısı ve korozyon direnci sağlamaktadır.

11. Çinko demir prosesi ile kaplanmış malzemeler diğer konvensiyonel çinko prosesleriyle kaplanmış malzemelere oranla çok daha iyi korozyon dayanımı gösterir. % 0.2 nin altındaki demir miktarında ise korozyono karşı direnç aynen alaşımsız çinko kaplamadaki gibidir.

KAYNAKLAR
1.Erdener Kimya Sanayi ve Ticaret A.Ş. “ Ürün Prospektüsleri”, İstanbul, 2004

2.Atılım Kimya Sanayi ve Ticaret A.Ş., “Ürün Prospektüleri”, İstanbul, 2004

3.Enthone Kimya Sanayi Ltd. Şti. “Teknik Bilgi Talimatları”, İstanbul, 2004

4.Assan Galvaniz, “Teknik Bilgi Talimatları”, İstanbul, 2004
5. Akyüz Demir Ltd. İbrahim Akarçay, “Elektrolitik Çinko Kaplama Asitli Çinko Prosesinde İşlem Sıralaması”, Yüzey İşlemler Dergisi, İstanbul, 2004

Lazer Kesim Nedir ?-Lazer Kesim Nasıl Yapılır ?

Lazer ışınının elde edilmesi kolaylaştıktan sonra uygulama alanları da artış göstermiştir. Mühendislikte kullanımı kaynak, kesme ve delme işlemleri şeklindedir. Lazerde yapılan üretim, hem otomasyonu sağlamakta hem de üretim hatasını azaltmaktadır. Lazerin çeşitli tezgahlarda uygulanmasıyla üretim 24 saat yapılabilmekte, seri üretim sağlanmasıyla maliyet de azalmaktadır. Özellikle lazerle yapılan kesme işlemleriyle bir çok kalıp ve aparatdan tasarruf sağlanmıştır. Bununla birlikte birçok makina kullanılmamakta, insan faktöründen kaynaklanan hatalar da bu yoğun enerjiye rağmen çok az gerçekleşmektedir.

Yapılan çeşitli programlarla özellikle AutoCAD ile, üretim çok hızlanmakta, aynı kalınlıkta bir çok parça aynı anda kesilebilmektedir. Böylece aynı yerde kullanılacak parçalar aynı anda takımlar halinde kesilebilmektedir.

Karbondioksit lazer tezgahlarında lazer, karbondioksit gazına elektrik akımı verilerek oluşturulur. Bunun yanında kullanılan azot ve helyum gazı düşük verimde olan karbondioksit lazerine eklenerek verim %30 arttırılmaktadır. Lazer karışım oranı CO/N=0,81, He ise ==> 1′dir (2,3). Lazer ışının tezgahın rezonatör bölümünde cam tüpleri içinde 10 M2′ye yakın mesafe kateder. Bu tüplerden gaz geçerken iki ucu arasından elektrik akımı verilerek lazer oluşturulur. Lazerin bir ışın olması sebebiyle aynalar sayesinde yönleri değiştirilebilmektedir. En son olarak lazer ışını kesme kafasına gelmekte burada kesme işlemi yapılmaktadır. Lazer oluşumu için kullanılan gaz silindirlerinin makinaya mesafesi ise en fazla 10 m kadar olmalıdır. Uygulama basıncı 6-10 bar’dır.

Endüstriyel lazerlerin birçoğunda, lazer ışınının oluşabilmesi için özel gazların kullanılması gereklidir. Gazın kalitesi ve seçimi, lazerin güvenirliliğini ve işlemin verimliliğini doğrudan etkilemektedir. Lazer gazları genellikle, yüksek saflıkta özel gazlardır. Lazer gazları, makinaya ayrı ayrı tüplerde ya da önceden belli oranlarda karıştırılmış olarak verilmektedir. Bu ön karıştırma ya da gazların ayrı tüplerde verilmesindeki işlem parametreleri (gaz debisi, basınç saflığı vb.) her lazer makinası üreticisi tarafından belirlenir ve o şartlarda makinaya verilmektedir.

Karbondioksit lazerini oluşturan gazlar şunlardır : Karbondioksit, Azot ve Helyum. Bazı gazlar 4 ya da 5 bileşen içerebilir. (Ortama, CO, N ve Helyumun dışında CO,H ve Ne eklenebilir)(4).

Lazer tezgahının yerleşim planı ve yüklemenin uygun yapılması çok önemlidir. Lazer tezgahının en yüksek verimle çalışabilmesi için kullanılan sac malzemelerin iyi kalitede olması gerekmektedir. Paslı ya da düzgün olmayan çarpık malzemeler kesme kalitesini düşürmektedir. Aksi durumda yüzeylerde kaynaklanma oluşmaktadır. Sac üzerine yerleştirilen parçalar arası mesafe en az sac kalınlığı kadar olmalıdır. Daire çevresini gezerek yapılacak dairesel kesmelerde minimum delik çapı 8mm. olmalı, direk delme işlemlerinde ise delik çapları sac ve kalınlığının yarısı kadar olmalıdır. Daha büyük kalınlıklarda delik delme işlemlerinde ise delik çapları sac kalınlığının yarısı kadar olmalıdır. Daha büyük kalınlıklarda delik delme işlemi için sadece markalama yapılmaktadır.

CAD ( Computer Aided Desing ) aşamasında imal edilecek olan iş parçasının modeli tasarlanabilmekte ve imalat resmi yapılabilmektedir. İş parçasının imalat resimlerinin AutoCAD yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmesi büyük kolaylık sağlamaktadır. Lazer tezgahlarına ait programlarla da çizim gerçekleştirilebilmektedir. Eğer AutoCAD ile çizim yapılmışsa çizim .dwg uzantılı dosya halinde oluşturulur ve çizimde birden fazla katman (layer) bulunmamalıdır. Daha sonra bu çizim AutoCAD programında .dxf uzantılı dosya olarak kaydedilmektedir. Tezgaha ait program, alt programlar yardımıyla çizime dönüştürülerek (convert) programda kullanılacak olan .geo uzantılı dosya haline getirilmektedir. Eğer çizim tezgaha ait programda yapılırsa bunlara gerek kalmadan .geo uzantılı dosya olarak kaydedilebilmektedir.

Bu işlemlerden sonra tezgahın programı çalıştırılarak kesilecek parça veya parçaların sac plaka üzerinde yerleşim planı hazırlanmaktadır. Boyutları belli olan bir plaka üzerine kalınlıkları eşit olmak şartıyla tek bir parçadan belli sayıda veya birden fazla sayıda farklı parça yerleştirilebilir. Bu da takım halinde kesilen parçalar için uygun bir yöntemdir. Daha önceden hazırlanan .geo uzantılı dosya veya dosyalar çağrılarak sac plaka üzerine istenen sayı ve çeşitlilikte yerleştirilirler. Daha sonra kesme kuralı belirlenmektedir. CAM (Computer Aided Manufacturing) bölümünde ise bir veya birden fazla iş parçasının kesme simulasyonu, program yardımıyla gerçekleştirilmektedir. Bununla kesmede oluşabilecek çeşitli hatalar değerlendirilmektedir. Örneğin; delik çapları çok küçükse farklı yerden lazer ışını girişi gerçekleştirilmekte ya da parçalar çok yakın yerleştirilmişse aralarındaki mesafe değiştirilmektedir. Lazerin kafa hareketleri ekranda görülmekte ve istenirse değişiklik yapılabilmektedir. Kafa hareketlerinin ayarlanmasında parça üzerindeki lokal ısımalar dikkate alınmaktadır. Lazer tablosu belirlenip, program için bir numara verilmesi gerekmektedir. Sac üzerine yerleştirme işlemi bittikten sonra makinaya gönderilecek olan dosya uzantısı olan .taf dosyası oluşturulmaktadır. Daha sonra bu dosya makinadan kesim yapılacağı sırada çağrılmak üzere transfer edilmektedir. Operatör kesim yapma sırası geldiğinde parçayı verilen program numarası ile bilgisayardan çağrılmaktadır (5).

Operatörün işlemleri yapması ve herhangi bir sorunda müdahale edebilmesi için operatör uygulama sayfası (Operator Setup Sheet) ve lazer kesme kafasının hareket şekli kağıt üzerine alınarak operatöre verilmektedir. Operatör için düzenlenen sayfada yapılan program için genel olarak program numarası, tarihi, malzemenin cinsi, ağırlığı ve boyutları, kaç plaka kesileceği, toplam kesme zamanı, kesme uzunluğu, kesilecek parça veya parçaların .geo uzantılı dosya isimleri, sayfa ismi belirtilir. Ayrıca program numarası, o parçanın kesme zamanı, o parçanın kesme uzunluğu, ağırlığı, kaç noktadan parçanın içine işleyeceği gibi bilgileri görülmektedir.

Sac malzeme girildikten, parçalar yerleştikten, kalınlık belirlendikten sonra sac plaka ağırlığı ve lensin boyutu belirlenmektedir. Lazer tezgahıyla yapılan işlemin kesme zamanı da anında görülmektedir. Makinada yapılan bir programdan çok fazla kesim yapılacaksa tekrar tekrar çağırılarak yapılabilmektedir.

Tezgaha sac plaka el, forklift ya da vakumlu kollar yardımıyla yerleştirilebilir. Tezgahın üzerinde iki adet araba vardır. Bu arabalardan birisinin üzerine konulan sac işlemdeyken diğerine işlenecek sac malzeme yerleştirilir. İşlemi biten araba dışarı alınırken işleme girecek diğer araba alınır. Böylece zamandan çok büyük tasarruf sağlanır. Böylelikle kesilen parçalar toplanırken diğer arabadaki saç işleme başlar.

Tezgah çalışmaya başladıktan sonra kesinlikle cam bölmeleri açılmamalıdır. Bu cam bölmeler radyasyona ve lazer ışınının göz ve cilde etkisine karşı koruyan malzemelerden yapılmıştır.
Tezgahın hava gereksinimi ise bir kompresör yardımıyla sağlanmaktadır. Ayrıca tezgahın bulunduğu ortamın temiz olması gerekmektedir. Lazer tezgahının üzerinde bulunan bilgisayar ile programların çağrılması, işlemlerin yapılması ve o anki işlemlerin görülmesi sağlanır.

Teknik resmi çizilen parçalar için hazırlanan iki farklı program çeşidi oluşturulabilir. Bunlardan ilki parçadan oluşan programdır. Genellikle bu program düzgün şekli ve çok fazla miktarda üretimi yapılacak olan parçalar için tercih edilmektedir. Sac plaka tamamına sadece bu parçalar yerleştirilir. Programda simulasyon yaptırılarak sorunlar görebilmektedir. Sac plaka üzerinde lazer kafasının hareketleri değiştirilebilir. Lazer sac plaka üzerine giriş noktaları, lazerin kesme yaparken izlediği yollar ve lazerin kafasının işlem dışı hareketleri görülmektedir. Hepsi farklı renklerle görülmektedir. Noktalı yerler lazerin ilk giriş noktalarını, dikdörtgen yerler lazer kesme işlemi yapılan yerleri, zikzaklı çizgiler ise lazer kafasının işlemsiz hareketlerini ifade etmektedir. Bu şekilde alının çıktı ile herhangi bir sorunda lazerin nereden tekrar başlatılacağı görülebilmektedir. Tezgah üzerinde bulunan bilgisayar ekranında da bu simulasyon bulunmaktadır.

Yukarıda görülen parça AutoCAD programı yardımıyla çizilip yukarıda anlatılan işlemler yapıldıktan sonra lazer kafasının hareketleri görülen programla yapılmaktadır. Daha sonra lazer tezgahında kesme işlemi gerçekleştirilebilmektedir.

İkinci olarak ise sac plaka üzerine birden çok sayıda farklı veya parça yerleştirilerek yapılan programdır. Bu programla asimetrik parçaların aralarına veya kenarlarına diğer küçük boyutlu parçalar konarak malzemeden en az fireyi elde edecek programlar yapılabilir. Şekil 3′de görüldüğü gibi 15 tane farklı parça bir sac plaka üzerine yerleştirilmiştir. Bu kesimde malzeme şekillerinden dolayı oluşacak fire malzemeler üzerine küçük parçalarda yerleştirilerek fire azaltılmıştır. Bu programlama sayesinde gidecek olan parçaların tamamı bir arada bulunacağından malzemenin kontrolü de sağlanmış olmaktadır.

Ülkemizde son yıllarda teknolojik imalat tezgahı olarak ithal edilen lazer kesme tezgahları otomotiv sektöründe üretim için büyük kolaylık sağlamaktadır. Otomotiv yan sanayısi olarak çalışan çeşitli fabrikalar lazer kesme tezgahını kullanarak rakiplerine büyük fark atmışlardır. Yapılan çalışmada lazer tezgahının genel özellikleri, lazer tezgahının kullanılmasıyla sağlanan kolaylıklar, lazer tezgahının hangi malzemeler için ve hangi kalınlıklar kadar kesme yapıldığı, parça programı yapılırken nelere dikkat edilmesi gerektiği ve bir imalat işleminin programlama aşamaları belirtilmiştir. Lazer tezgahında programlama yapılırken nelere dikkat edilmesi gerektiği ve program aşamasının daha etkili uygulanabilmesi ve kavranabilmesi için açıklamalar yapılmıştır.

Lazer kesme tezgahında yapılan imalatta görülen olumsuzluklardan birisi de tek darbede delik delme işlemi yapılan kısımlarda malzemede sertleşme görülmesidir. Bu kısımlara diş açma v.b. gibi işlemle yapılacağı düşünülüyorsa tek darbede delme yerine delinecek kısımlara sadece markalama işlemi yapılacak şekilde program yeniden gözden geçirilmelidir.

Lazer tezgahını kullanmak için, tezgahın yapısı ve özelliklerini iyi anlamak gerekir. Kesilecek malzemenin tezgahın üzerine konulmasından kesilen parçaların alınmasına kadar geçen işlemler iyi takip edilmelidir. Programlama yapabilmek için tezgaha ait programın iyi bilinmesi gerekmektedir. Ayrıca AutoCAD bilgisi ile programlama çok daha kolay gerçekleştirilebilir.

KAYNAKÇA
1. Trumpf TLF 2200 Turbo/ 2600 Turbo Operating Instructions, Germany, 1997
2. William T. Silfvast, “Laser Fundamentals”, Cambridge University Press, 1996.
3. William f. Smith.”Foundations of Metarials Science And Engineering”, McGraw-Hill Book Co., New York,1993.
4. Birleşik Oksijen Sanayi İnternet Sitesi ( www.bos.com.tr )
5. Trumpf ToPs100 Version 3.03 Programming System For Laser Cutting