Emre Yağcı1,*, Bülent Öktem2, Y. Ozan Aydın1, Koray Eken1, F. Ömer Ilday3

 1FiberLAST, A.Ş., 06800 Ankara, Türkiye
2Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Enstitüsü, Bilkent Üniversitesi, 06800 Ankara, Türkiye
3Fizik Bölümü, Bilkent Üniversitesi, 06800 Ankara, Türkiye

*emre.yagci@fiberlast.com.tr

Lazerle renkli markalama uygulaması son yıllarda ortaya çıkan ve endüstriyel uygulama potansiyeli yüksek bir konudur. Lazerle renkli markalama, işlem sonrasında metal üzerinde kalıcı renklerin oluşturulması, kimyasal madde gerektirmemesi, ucuz olması ve tek adımda gerçekleştirilmesi gibi diğer boyama tekniklerine göre önemli avantajlara sahiptir[1,2]. Metal üzerinde renklendirme işleminin temel mekanizması metal yüzeyin üzerinde kontrollü bir şekilde ince oksit film tabakasının oluşturulmasıdır. Bilindiği gibi birçok malzeme hava ile temasa geçtiğinde kendiliğinden oksitlenme eğilimi gösterir, sürecin hızı sıcaklık ve ortamdaki oksijen yoğunluğu ile ilişkilidir. Oluşan ince metal-oksit tabakaları görünür dalgaboylarında büyük oranda geçirgendirler ve yüksek kırınım indislerine sahiptirler. İnce filmin kalınlığı proses parametreleri tarafından belirlenir. Oluşan filmin kalınlığı ve film üzerine dalgaboyu mertebesindeki yapılar algılanan rengi belirlemektedir. İnce filmde oluşan girişim etkisi basit olarak Şekil 1’de gösterilmiştir. İnce film beyaz ışık ile aydınlatıldığında, metal üzerinde gözlenen rengi yapıcı ve yıkıcı girişimlerin bütünlüğü belirler.

renkli lazer markalama parametreleri

Tablo1. Nanosaniye fiber lazerle renkli markalama parametreleri

Lazer ışını açısından, metal üzerinde farklı kalınlıklarda ince filmler oluşturulması sürecine etki eden birçok parametre vardır. Bu parametreleri ortalama güç, tekrar frekansı, atım uzunluğu, tarama hızı, tarama sıklığı, odak çapı olarak sıralayabiliriz. Bu parametreleri hassas bir şekilde ayarlayarak, işlem yapılan bölgenin yüzey sıcaklığını sabit tutmak, homojen ince oksit film oluşturmak ve birim alana aktarılan enerjiyi ayarlayarak ince film kalınlığını kontrol etmek, tekrarlanabilir sonuçlar elde etmek için gereklidir. Bu nedenlerle lazer sisteminin atım uzunluğu ve güç miktarı gibi parametrelerinin hem kısa dönem (<1 s) hem de uzun dönem (>1 s) kararlılığı, sırasıyla, işleme anında etkileşim mekanizmasının sabit tutulması ve işlenen geniş bir yüzeyde tekdüzeliğin sağlanması için önemlidir. Metal üzerinde renklendirme yapabilmek için lazer parametrelerinin birbirinden bağımsız olarak ayarlanması önemlidir. Endüstriyel markalama uygulamaların kullanılan nanosaniye atımlı lazerlerin büyük çoğunluğu Q-anahtarlamalı olup, bu tip lazerlerde atım süresi, enerjisi ve tekrar frekansı birbirine bağlı olduğundan renklendirme optimizasyonuna uygun değillerdir. Buna karşın, son yıllarda geliştirilen, elektronik olarak sürülen direk diyot modülasyonuna sahip master-oscillator power-amplifier (MOPA) mimarili fiber lazerler, tüm bu parametrelerin birbirinden bağımsız olarak ayarlanmasına uygundur.

 Bu çalışmada kendi geliştirmiş olduğumuz MOPA mimarili bir fiber lazer sistemi (FLAST-NanoMark-25W) kullanılmıştır (Şekil 2). Ön optimizasyon yapıldıktan sonra Tablo 1’de belirtilen parametreler sabit tutulup tarama hızı 300-1800 mm/s  arasında değiştirilerek paslanmaz çelik üzerinde renk matrisi ve farklı renklere sahip desenler oluşturulmuştur (Şekil 3). Farklı malzemeler için malzeme işleme parametrelerinin yeniden optimizasyonu gerekmektedir, ancak MOPA mimarisi sayesinde bu işlem kolaylıkla gerçekleştirilebilir.

lazer renkli markalama

Şekil 1. Lazer ile oluşturulan ince filmde girişimi temel alan renkli markalama çalışma prensibi.

 

renkli markalama sistemi

Şekil 2. Fiber lazer yükselteç sistemi düzeneği