Doğru Lazer Markalama Seçimi !

DOĞRU LAZER MARKALAMA SİSTEMİNİN SEÇİMİ
Lazerle markalama ve aşındırma yaklaşık 40 yıldan bu yana kullanılan bir teknoloji olmakla birlikte ülkemizde özellikle son yıllarda yüksek kalitede, ihracata dönük ve markalı üretimin artmasıyla birlikte otomotiv, medikal, kalıpçılık, reklam-promosyon ve kuyumculuk başta olmak üzere pek çok alanda yoğun olarak kullanılmaktadır.Yakın zamana kadar lamba pompalı YAG (Yttrium Aluminium Garnet) lazer sistemleri metal ve plastik endüstriyel ürünlerin markalanmasında başlıca lazer markalama sistemi seçimiydi. Fakat özellikle son 10-15 yılda lazer teknolojileri oldukça uzun yol katetti ve yaygınlaştı. Şimdilerde metal veya plastiğin malzeme özelliklerine göre ve istenilen markalamanın niteliği göz önüne alınarak farklı alternatifler sunulabilmektedir.
 Katı hal lazer teknolojisi ve Nd:YAG lazerler
Endüstriyel anlamda kullanılan katı hal lazerlerinin (ing. SSL - Solid State Laser) gelişimine baktığımzda ilk önce lamba pompalı teknolojiler kullanılmıştır. Nd:YAG kristali en çok kullanılan lambalı katı hal lazeri aktif ortamıdır (bkz. Resim 2). İlk lamba pompalı Nd:YAG lazeri (Aktif ortamı yaklaşık %1 Neodymium doplanmış YAG kristali olan lazer sistemi) 1964 yılında geliştirilmiştir. Yaygın olarak bilinen ilk lambalı YAG lazerler ise 1970’li yılların başlarında ortaya çıkmaya başlamış ve 1990’larda diyod pompalı lazerler iyice geliştirilene kadar kullanılan başlıca markalama lazerleri olmuşlardır. Nd:YAG doplanma miktarına göre koyuluğu değişen, açık pembe-morumsu renkte bir kristaldir. Nd:YAG kristalinin ışıma ömrü diğer sık kullanılan bir kristal olan Nd:YVO4 (Neodymium Yttrium Vanadate) kristallerinin yaklaşık iki katıdır ve ısıl iletkenliği de daha yüksektir fakat verimliliği ve kararlılığı nispeten düşüktür dolayısı ile daha dar bir sıcaklık aralığında çalışma sıcaklığının sabitlenmesi gerekir. Nd:YAG lazerleri 1064 nm dalgaboyunda kızılötesi (IR) lazer ışını üretirler. 1064 nm dalga boyundaki lazer ışını korunmasız gözler için çok tehlikelidir çünkü bu dalgaboyundaki ışın retinada odaklandığı gibi kızılötesi olması nedeniyle göz kırpma refleksini de tetiklemez. Nd:YAG lazerleri frekans çiftleme ve frekans üçleme kristalleri kullanılarak sırasıyla 532 nm yeşil ve 355 nm morötesi (UV) dalga boylarında lazer ışını elde etmede de kullanılırlar.
 Lamba pompalı katı hal lazerleri
Lamba pompalı YAG lazerlerin en büyük dezavantajı önemli ölçüde enerji tüketmeleridir. Elektriği fazla tüketmelerinin yanısıra bu durum sistemde güçlü bir soğutucu (chiller) kullanımını da gerektirir. Soğutucu kullanımı ile maliyetler ve artan parça adedi ile birlikte servis ihtiyacı doğal olarak artar. Pompa amaçlı kullanılan kripton ark lambalarının periyodik (tipine göre yaklaşık 500 ila 1000 saat arasında) değişim istemesi devamlı olarak hem sarf malzeme ihtiyacı hem de servis maliyeti doğurur . Bu tip lazer sistemleri trifaze elektrik kullandıklarından ev ortamına benzer koşullarda kullanılmaları da mümkün olmamaktadır. Lamba pompalı YAG lazerlerde lazerin gücü nispeten fazla olmakla birlikte ışın çapı kalın, ışının dağılımı düzensiz ve kalitesi düşüktür. Bunların niş uygulamaları ışının kalitesinden ziyade gücünün ön planda olduğu derin kalıp oyma işlemleri benzeri işlemlerdir. Derin oymada pals frekansı ayarlanabilen 1064 nm dalgaboyundaki bir çok lazer tipi kullanılabilir fakat lamba pompalı lazerlerin süre yönünden avantajı olacaktır.
 Diyot pompalı katı hal lazerleri
Nd:YAG lamba pompalı lazerleri lazer markalama sistemlerinde günümüze değin yaygın olarak kullanılmakla beraber son 15-20 yılda diyod pompalı YAG lazerler de en az bunlar kadar yaygınlaşmıştır. Diyod pompalı lazerlerde yine aktif ortamda bir lazer kristali bulunmakla birlikte bu kristale kripton ark lambaları yerine Nd:YAG kristalinin  en iyi absorpsiyon değeri olan yaklaşık 808 nm dalgaboyunda lazer ışını oluşturan diyodlar enerji verir. Bu tip lazerlerde absorpsiyon değeri baz alınarak enerji pompalandığı için toplam verim yüksektir. Lamba pompalı lazerlere oranla daha az elektrik enerjisi tüketilir. Çoğu diyot pompalı lazerde hava ile soğutma yeterli olur. Işın kaliteleri yine lamba pompalı lazerlere göre iyidir. Bu cümlenin sonundaki noktadan çok az daha büyük karakterler hassas bir şekilde malzeme yüzeylerine markalanabilir. Aktif ortamda yine Nd:YAG kristaline alternatif olarak Nd:YVO4 kristaller kullanılabilir. Diyot lazerler teknolojik açıdan lamba pompalı sistemlerin ilerisindedir fakat diyot pompalarının periyodik olarak değişim gerektirmesi yine hem sarf malzeme ihtiyacı hem de servis maliyeti doğurur. Diyot pompalarının değişimi daha geniş periyotlarda olmakla birlikte (tipine göre 5000 - 20000 saat arasında) bunlar kripton ark lambalarına oranla çok daha maliyetlidirler. Ayrıca çoğu lazer sisteminde lamba değişimini makina operatörü gerekli eğitimi aldıktan sonra yapabiliyorken diyot değişimini yapmak için mutlaka ileri seviyede eğitim almış kalifiye teknik eleman gerekir.
 Fiber lazerler
Dünya genelinde son 10 yılda yaygınlaşan fiber lazer teknolojisi özellikle ülkemizde Ar-Ge desteğinden faydalanan firmaların cesur girişimleriyle çabuk yayılmıştır. 2002 yılında niş uygulamalarda kullanılmaya başlanan bu teknoloji günümüzde hemen hemen tüm lazer markalama işlemlerinde lamba ve diyot pompalı lazerlerin yerini almaya başlamıştır. Temel olarak bir fiber lazerin yapısında aktif fiber kısmı, Bragg taramaları ve multimode bir diyot kaynaktan gelen ışığı aktif fiberin içine aktarmak için özel bir yapı bulunur. Bütün üniteler splice denilen ucuca eklemeler ile birbirine bağlanır. Katı hal lazerlerinde aktif ortam 100-200 mm uzunluğunda bir lazer kristaliyken bu lazerlerde aktif ortam aktif fiber denilen metrelerce uzunlukta bir fiber optik kablodur. Fiber kablonun aktif olabilmesi için merkez kısmında yaygın olarak Erbium ve Ytterbium kullanılmaktadır. Yine klasik sistemlerdeki aynaların yerini fiber kablonun içinde yansıtıcı görevi gören Bragg taramaları (Bragg gratings) denilen yapılar alır. Markalama için kullanılan finer lazerlerde aktif ortamın bitiminde lazer çıkışında genellikle ışının geri yansımasını önleyici bir izolatör ile ışının daha iyi odaklanması amacıyla ışının çapını genişleten bir kolimatör bulunur.
Işının üretimi ve taşınması aynı fiber optik kablo sayesinde olduğundan düşük maliyetle esnek tasarımlara olanak veren bir yapıdadır. Fiber lazerin imalatı yoğun işçilik gerektiren bir süreçtir. Enerji tüketimi ve verimlilik olarak diyot pompalı lazerlerden daha önde olan fiber lazerlerin en büyük avantajı kısa ve orta vadede periyodik değişim gerektiren herhangi bir parçasının olmamasıdır. Yaklaşık olarak eşdeğer kapasitede (10 W fiber lazere eşdeğer) fakat farklı teknolojiye sahip dört ayrı lazer markalama sisteminin ortalama değerlerinin karşılaştırılması Tablo 1’de verilmiştir.
Tablo 1 - Farklı lazer tiplerinin ortalama özelliklerinin ve maliyetlerinin karşılaştırılması

 

Lamba Pompalı

Diyot Pompalı

(Nd:YAG)

Diyot Pompalı

(Nd:YVO4)

Fiber

Elektrik ihtiyacı

Trifaz

Trifaz/Monofaz

Monofaz

Monofaz

kW tüketimi (ort.)

6 kW

2 kW

0,7 kW

0,2 kW

Lazer aktivasyonu

Kripton arc lamp

Diyot

Diyot

Diyot

Birim aktif ömür

500-1,000 saat/lamba

5,000-10,000 saat/diyot pakedi

15,000-20,000 saat/diyot pakedi

30,000-50,000 saat/diyot pakedi

Rezonatör bakım maliyeti (ort.)

150-600$

/lamba

10,000-15,000$ /diyot exchange

8,000-10,000$ /yeni diyot

2,000-4,000$ /yeni diyot

Garanti

1 yıl

1 yıl ya da

10,000 saat

2 yıl ya da 10,000 saat (hangisi önce dolarsa)

2 yıl

Yıllık ortalama toplam maliyet*

13,000$

8,000$

4,500$

1,500$

Işın kalitesi M2

2’den büyük

2 ve altında

2 ve altında

2 ve altında

*24/7 elektrik, soğutma ve değişen parça birim maliyetleri gözönüne alınarak hesaplanmıştır.
 Sonuç:
Düşük maliyetlerle ve asgari servis ihtiyacıyla alışılmış lazer tiplerine göre daha yüksek kalitede ışın sağlaması yakın gelecekte fiber lazerlerin diğer bir çok endüstriyel lazer sisteminin yerini alacağını göstermektedir.
Referanslar:
1. Pflan T., Woods S., ‘LASERS FOR MARKING: DPSS lasers rival fiber lasers for marking applications’, Laser Focus World, Ocak 2008
2. Sheriff G., ‘Finding the Right Laser Marker’ Industrial Laser Solutions, Industrial Laser Solutions, Kasım 2008
3. http://en.wikipedia.org/wiki/Nd:YAG
4. Meccomark, A Comparison of Laser Marking Technologies