20-21 Ekim 2011
İstanbul Teknik Üniversitesi / Süleyman Demirel Kültür Merkezi
BİLDİRİLER KİTABI
Yayın No:.........................................................................................................................................................E/2011/566
GETEK giris:AYDIN_ACEMI.qxp 14.10.2011 14:35 Page 1
GELECEĞİN TEKNOLOJİLERİ SEMPOZYUMU VE SERGİSİ
BİLDİRİLER KİTABI 20-21 EKİM 2011 İTÜ - SÜLEYMAN DEMİREL KÜLTÜR MERKEZİ
Ekim 2011, İstanbul
Yayın No: ...........................................................................................E/2011/566
GETEK giris:AYDIN_ACEMI.qxp 14.10.2011 14:35 Page 2
Meşrutiyet Cad. Meşrutiyet 1 Apt. No: 19/6-7-8 Kızılay / ANKARA Tel: (0312) 425 21 41 Faks: (0312) 417 86 21 e-posta:
[email protected] http://www.mmo.org.tr
ISBN: 978-605-01-0184-3
Bu yapıtın yayın hakkı Makina Mühendisleri Odası’na aittir. Kitabın hiçbir bölümü değiştirilemez. MMO’nın izni olmadan kitabın hiçbir bölümü elektronik, mekanik vb. yollarla kopya edilip kullanılamaz. Kaynak gösterilmek kaydı ile alıntı yapılabilir.
Ekim 2011, İstanbul
Baskı: Yapım Tanıtım Yayıncılık Tel: (0212) 216 51 49
GETEK giris:AYDIN_ACEMI.qxp 14.10.2011 14:35 Page 3
SU NUŞ Toplumun refah ve mutluluğunu ön planda tutan, bilim ve teknolojinin halkın yararına ve doğal dengeyi koruyacak biçimde kullanılması gerekliliğini mesleğin temel ilkesi kabul eden TMMOB Makina Mühendisleri Odası, teknolojinin gelişimi, değişimi ve geleceği üzerine görüşlerin paylaşılacağı, toplum yaşantısıyla etkileşiminin irdeleneceği "Geleceğin Teknolojileri Sempozyumu ve Sergisi" ilkini 20-21 Ekim 2011 tarihlerinde İstanbul Teknik Üniversitesi Maslak Yerleşkesi Süleyman Demirel Kültür Merkezi’nde MMO İstanbul Şube Sekretaryasında gerçekleştirilmektedir. Sempozyumun amacı; günümüzde kullanılan veya yakın gelecekte var olacak yüksek/ileri teknoloji yapı ve sistemler alanında ortaya konulan farklı düşünce, uygulama ve perspektifleri paylaşmak, öngörülerde bulunmak, teknolojik gelişmelerde alınacak kararlara toplumu dâhil etmek olarak belirlenmiştir. Bu çerçevede Sempozyum, birlikte üretme ve birlikte yaşama geçirme anlayışı ile çok yönlü katılımı amaç edinen ve ülke geneline yayılmış Düzenleme ve Danışmanlar Kurulları, Destekleyen Kurum ve Kuruluşları, Yürütme Kurulu ve Sekretaryasıyla birlikte sürdürülen uzun erimli bir çalışmanın ürünüdür. Bu etkinlik; günümüzde kullanılan veya yakın gelecekte var olacak yüksek/ileri teknoloji yapı ve sistemlerine ilgi duyan herkesin katılımına ve katkılarına açıktır. Herkesin, kendisini de ilgilendiren “Geleceğin Teknolojilerinde Söz Hakkı Olsun” istiyoruz. Günümüzde hızla gelişen bilim ve teknolojiyi sürekli takip etmeyen, geleceği bugünden anlamayan toplumlar geride kalmaktadır. Biliyoruz ki geleceğin teknolojileri hepimizi ilgilendiren bir konudur ve bu geleceğin nasıl olacağına ilişkin kararlarda hepimizin söz sahibi olması gerekir. Davetli konuşmacılarla birlikte 11 oturum ve 1 panelden oluşacak Sempozyum’da 43 bildiri sunulmaktadır. Davetli konuşmacılardan; Prof. Dr. Suat ÇAKMAK, Çağlar Boyu Teknoloji; Apollo projelerinin yazılımını gerçekleştiren ekipte görev alan bilim adamı Prof. Dr. Arsev ERASLAN, Sayısal Mühendislik; YTÜ Makine Fakültesi Dekanı Prof.Dr. Yunus ÇENGEL, Teknoloji ve Bilim; Hacettepe Teknopark Genel Müdürü ve Başkanvekili İlyas Yılmaz YILDIZ, Teknokentlerin Geleceğin Teknolojilerini Oluşturmadaki Rolü; Adana Üniversite-Sanayi Ortak Araştırma Merkezi’nden Prof.Dr. Hamit SERBEST, Teknoparklarda Üniversite-Sanayi İşbirliğini Sağlayarak Geleceğin Teknolojilerinin Oluşturulmasında Adana Örneği konulu sunumlar yapacaklardır. Sempozyumun ikinci gününde son oturumda gerçekleştirilecek panelde “Geleceğin Teknolojilerinde Mühendisin Yeri ve Önemi” tartışılacaktır. Panelde Namık Kemal Üniversitesi Ziraat Fakültesi öğretim görevlisi Prof. Dr. Bülent EKER, TAİ (TUSAŞ Türk Havacılık ve Uzay Sanayi A.Ş.)’den Ömer Varlık ÖZERCİYES, Marmara Üniversitesi İktisadi ve İdari Bilimler Fakültesi öğretim görevlisi Yrd.Doç.Dr. Özgür MÜFTÜOĞLU, TÜBİSAD (Bilişim Sanayicileri Derneği)’dan Turgut GÜRSOY panelist olarak yer alacaklardır. Sempozyumumuzun gerçekleştirilmesinde emeği geçen, Düzenleme, Danışmanlar ve Yürütme Kurulu üyelerine, etkinlik sekretaryasına, bildiri sunan yazarlara, panelimize katılan yönetici ve uzmanlara, katkı koyan ve destek veren kişi, kurum ve kuruluşlara, İstanbul Şube Yönetim Kurulu ve çalışanlarına teşekkür ediyoruz. Saygılarımızla, TMMOB Ma ki na Mü hen dis le ri Oda sı Yö ne tim Ku ru lu Ekim 2011
GETEK giris:AYDIN_ACEMI.qxp 14.10.2011 14:35 Page 4
ENDÜSTRİYEL OTOMASYON SEMPOZYUMU VE SERGİSİ DANIŞMANLAR KURULU PROF. DR. TAMER UÇAR PROF. DR. TÜLİN ÖNGEN PROF. DR. TÜRKAY DERELİ PROF. DR. YUNUS ÇENGEL PROF. DR. ARSEV ERASLAN PROF. DR. M. BARIŞ ÖZERDEM DOÇ. DR. CELALETDİN ERGUN DOÇ. DR. CEMAL MERAN DOÇ. DR. LEVENT TRABZON DOÇ. DR. MÜMİN ŞAHİN DOÇ. DR. SERKAN DAĞ DOÇ. DR. ZAFER BİNGÜL YRD. DOÇ. DR. HAKAN ERSOY YRD. DOÇ. DR. HÜSEYİN KIZIL YRD. DOÇ. DR. NECİP FAZIL YILMAZ YRD. DOÇ. DR. ÖZGÜR MÜFTÜOĞLU YRD. DOÇ. DR. ÖZGÜR ÜNVER ALİ SERKAN İNKAYA
PROF. DR. AHMET İNAM PROF. DR. ALEV AKDOĞAN KAYMAZ PROF. DR. ERDEM KOÇ PROF. DR. FATİH MEHMET BOTSALI PROF. DR. HATEM AKBULUT PROF. DR. HİKMET RENDE PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU PROF. DR. KORKUT BORATAV PROF. DR. LEVENT GÜVENÇ PROF. DR. M. BAKİ KARAMIŞ PROF. DR. M. CEMAL ÇAKIR PROF. DR. MİKDAT KADIOĞLU PROF. DR. MUHARREM YILMAZ PROF. DR. MUSTAFA SUAT ÇAKMAK PROF. DR. OĞUZHAN ÇİÇEKOĞLU PROF. DR. RAHMİ GÜÇLÜ PROF. DR. RASİM İPEK PROF. DR. SELAHATTİN ANIK PROF. DR. SÜLEYMAN KARADENİZ
DÜZENLEME KURULU YUNUS YENER BAKİ ÇINAR AKIN ÇANKAYA İMDAT ÇETİNER ÖMER VARLIK ÖZERCİYES SÜLEYMAN BUĞRA BARIN DEVİM YONTAR OKTAY ULUTAŞ SEMİHA ÖZTUNA SAMİ AYDOĞDU ORHAN TEVFİK OKUDUCU
MMO MMO MMO ADANA ŞUBE ANKARA ŞUBE ANTALYA ŞUBE BURSA ŞUBE DENİZLİ ŞUBE EDİRNE ŞUBE ESKİŞEHİR ŞUBE GAZİANTEP ŞUBE
FATMA ZEYNEP ÖZDEMİR OSMAN SERTER ALKIM ERDÖNMEZ AYSUN BALTACI MUSTAFA ÖZKAN HASAN YİTİM METE KALYONCU ESRA DÜNDAR OSMAN NURİ UZUN HASAN BAŞ
İSTANBUL ŞUBE İSTANBUL ŞUBE İSTANBUL ŞUBE İZMİR ŞUBE KAYSERİ ŞUBE KOCAELİ ŞUBE KONYA ŞUBE MERSİN ŞUBE SAMSUN ŞUBE TRABZON ŞUBE
YÜRÜTME KURULU Prof. Dr. AYŞEGÜL AKDOĞAN EKER Dr. BÜLENT BÖLAT Prof. Dr. BÜLENT EKER Yrd. Doç. Dr. DİLEK TÜKEL EROL ALKIM ERDÖNMEZ FATMA ZEYNEP ÖZDEMİR Prof. Dr. GALİP CANSEVER
Yıldız Teknik Üniversitesi İstanbul Teknik Üniversitesi Namık Kemal Üniversitesi Doğuş Üniversitesi MMO İstanbul Şube MMO İstanbul Şube Yıldız Teknik Üniversitesi
SEKRETERLER SEMA KEBAN ÖZGÜR ARSLAN
MMO İstanbul Şube MMO İstanbul Şube
H. CENGİZ CELEP Dr. İLYAS İSTİF MURAT TOSUN ORHAN ATİLLA OSMAN SERTER TURAN TÜRKMEN
ENOSAD Yıldız Teknik Üniversitesi İstanbul Teknik Üniversitesi MMO İstanbul Şube MMO İstanbul Şube ENOSAD
GETEK giris:AYDIN_ACEMI.qxp 14.10.2011 14:35 Page 5
İÇİNDEKİLER I. OTURUM OTURUM BAŞKANI: Tahsin AKBABA > MMO Yürütme Kurulu Sayman Üye TEHDİTLERE YÖNELİK ERKEN UYARIYA DAYALI KARAR VERME YETENEĞİ GELİŞTİRME . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 Cahit KARAKUŞ (İstanbul Kültür Üniversitesi) ARAÇ GÖRÜNTÜLERİNDEN YAPAY SİNİR AĞI İLE PLAKA TANIMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9 Fikriye ÖZTÜRK (Haliç Üniversitesi) Figen ÖZEN (Haliç Üniversitesi) 3G ve 4G MOBİL İLETİŞİM SİSTEMLERİNDE BAZ İSTASYONU ANTENLERİ GELİŞİMİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 Cahit KARAKUŞ (İstanbul Kültür Üniversitesi) Mehmet Fatih DEMİRKOL (Avea)
II. OTURUM OTURUM BAŞKANI: Esra DÜNDAR > Sempozyum Düzenleme Kurulu Üyesi BALIK KUYRUKLU HİDROFOİLLERİN HİDRODİNAMİK ANALİZİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23 Şakir BAL (İstanbul Teknik Üniversitesi) HEKZAGONAL BOR NİTRÜR VE ENERJİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27 Gökçe Mehmet AY (Bortek) Nuran AY (Anadolu Üniversitesi) IV. NESİL NÜKLEER REAKTÖRLERDE ULTRASONİK NDT YÜKSEK SICAKLIK PİEZOELEKTRİK MALZEMELER . . . . .33 Sinem Üzgür (Ondokuz Mayıs Üniversitesi)
III. OTURUM OTURUM BAŞKANI: Nedim KARA > MMO Kocaeli Şube Yönetim Kurulu Başkanı NANOTÜP SENTEZLEME YÖNTEMLERİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41 Bedri Onur KÜÇÜKYILDIRIM (Yıldız Teknik Üniversitesi) Ayşegül Akdoğan EKER (Yıldız Teknik Üniversitesi) TEKSTİL SEKTÖRÜNDE NANOTEKNOLOJİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53 Nilgün BECENEN (Trakya Üniversitesi) Bülent EKER (Namık Kemal Üniversitesi) AKILLI AMBALAJ UYGULAMALARI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61 Bülent EKER (Namık Kemal Üniversitesi)
GETEK giris:AYDIN_ACEMI.qxp 14.10.2011 14:35 Page 6
IV. OTURUM OTURUM BAŞKANI: Cumhur PEKDEMİR > MMO Edirne Şube Yönetim Kurulu Başkanı BÖLGESEL İKLİM MODELLERİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69 Bahadır ALTÜRK (Namık Kemal Üniversitesi) SİVİL TOPLUM KURULUŞLARINDA EŞ ZAMANLI E-ÖĞRENME (SENKRON E-LEARNİNG) OLANAKLARININ KULLANIMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77 Suat KOYUNCU (Ece Bilişim) Ufuk ÜNAL (Biyogazder) SANAL ORTAMDA SANAL DAVRANIŞ GELİŞTİRME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89 Cahit KARAKUŞ (İstanbul Kültür Üniversitesi)
V. OTURUM OTURUM BAŞKANI: İbrahim MART > MMO Bursa Şube Yönetim Kurulu Başkanı DALGACIK TABANLI OTOMATİK KALP HASTALIĞI TEŞHİSİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95 Barış Salih GÜNEY (Haliç Üniversitesi) Figen ÖZEN (Haliç Üniversitesi) YÜZ TANIMA TEKNİKLERİNDEKİ GELİŞMELER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101 Beytullah KAYPAK (Haliç Üniversitesi) Figen ÖZEN (Haliç Üniversitesi) AKUT LENFOSİT LÖSEMİ HÜCRELERİNİN SAĞLIKLI HÜCRELERDEN AYIRT EDİLMESİ İÇİN YENİ YÖNTEMLER . . .109 M. Ayyüce KIZRAK (Haliç Üniversitesi) Figen ÖZEN (Haliç Üniversitesi) YÜRÜYÜŞ TANIMADA YENİ TEKNİKLER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121 Cihangir KOLCU (Haliç Üniversitesi) Figen ÖZEN (Haliç Üniversitesi)
VI. OTURUM OTURUM BAŞKANI: R. Erhan KUTLU > MMO Eskişehir Şube Yönetim Kurulu Başkanı KRİTİK ALT YAPILARA SİBER SALDIRILAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .129 Cahit KARAKUŞ (İstanbul Kültür Üniversitesi) GÖRÜNTÜ DOSYALARINA METİN VERİSİ GİZLEME İÇİN KULLANILAN ALGORİTMALARIN ETKİNLİKLERİNİN İNCELENMESİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133 Andaç ŞAHİN MESUT (Trakya Üniversitesi) DİŞ KÖK KANAL TEDAVİSİNDE İRİGASYON SIVISININ AKIŞININ SAYISAL ANALİZİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139 Mehmet Gökhan GÖKÇEN (Doğuş Üniversitesi) Ali Bahadır OLCAY (Doğuş Üniversitesi) Özkan ADIGÜZEL (Dicle Üniversitesi)
GETEK giris:AYDIN_ACEMI.qxp 14.10.2011 14:35 Page 7
VII. OTURUM OTURUM BAŞKANI: Orhan Tevfik OKUDUCU > Sempozyum Düzenleme Kurulu Üyesi GELECEĞİN MALZEMELERİNDEN BİRİ: BİYOMALZEMELER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .147 Ayşegül AKDOĞAN EKER (Yıldız Teknik Üniversitesi) TARIMDA GELECEĞİN TEKNOLOJİLERİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151 Mehmet Cumhur EROĞLU (Bozok Üniversitesi) Tanzer ERYILMAZ (Bozok Üniversitesi) Tamer UÇAR (Bozok Üniversitesi) TARIMDA KULLANILAN SENSÖR TEKNOLOJİLERİNİN GELECEĞİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161 Uğur YEGÜL (Ankara Üniversitesi) Ufuk TÜRKER (Ankara Üniversitesi) GELECEĞİN KONUTUNDA YENİ TEKNOLOJİLER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .167 Seza FİLİZ (Gediz Üniversitesi) Selim SOLMAZ (Gediz Üniversitesi)
VIII. OTURUM OTURUM BAŞKANI: Özgür MÜFTÜOĞLU > Sempozyum Danışmanlar Kurulu Üyesi TEKNO-LOGİC-TEKNİK AKLIN ELEŞTİRİSİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .177 Sinan ALÇIN (Maltepe Üniversitesi) YENİ TEKNOLOJİLER VE EMEK SÜRECİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183 Özgür NARİN (Ordu Üniversitesi) YENİ TEKNOLOJİLER VE KRİZ: BİLEŞENLER SEKTÖRÜ ÖRNEĞİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189 Kurtar TANYILMAZ (Marmara Üniversitesi)
IX. OTURUM OTURUM BAŞKANI: Süleyman Buğra BARIN > Sempozyum Düzenleme Kurulu Üyesi SON GELİŞMELER IŞIĞINDA TOZ METALURJİSİ ÜRETİM TEKNOLOJİLERİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199 Şevki Yılmaz GÜVEN (Süleyman Demirel Üniversitesi) ENJEKSİYON KALIPLAMA YÖNTEMİ İLE TERMOPLASTİK KÖPÜK MALZEME ÜRETİMİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . .205 S. Hakan YETGİN (Sakarya Üniversitesi) Hüseyin ÜNAL (Sakarya Üniversitesi) POLİMER MALZEME SEKTÖRÜNDE YENİ TRENDLER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213 Sencer Süreyya KARABEYOĞLU (Namık Kemal Üniversitesi) ELEKTRİKSEL OLARAK İLETKEN TEKSTİL YAPILARI VE KULLANIM ALANLARI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .217 Nilşen SÜNTER (Dokuz Eylül Üniversitesi) Ayşe ÇELİK BEDELOĞLU (Dokuz Eylül Üniversitesi) Yalçın BOZKURT (Dokuz Eylül Üniversitesi)
GETEK giris:AYDIN_ACEMI.qxp 14.10.2011 14:35 Page 8
X. OTURUM (KISA SUNULU BİLDİRİLER) OTURUM BAŞKANI: Orhan ATİLLA > Sempozyum Yürütme Kurulu Üyesi AŞIRI PLASTİK DEFORMASYONUN ALÜMİNYUM ALAŞIMLARIN KAYNAĞI ÜZERİNE ETKİSİ . . . . . . . . . . . . . . .225 Mümin ŞAHİN (Trakya Üniversitesi) Cenk MISIRLI (Trakya Üniversitesi) Derviş ÖZKAN TAVLAMA ŞARTLARININ CAM ÜRÜN ÖZELLİKLERİNE ETKİSİNİN İNCELENMESİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .237 Cemal MERAN (Pamukkale Üniversitesi) Sidem Kaner (Pamukkale Üniversitesi) GGG 50 VE 60 SERİSİ KÜRESEL GRAFİTLİ DÖKME DEMİR MALZEMELERDE KESİT KALINLIĞININ MEKANİK ÖZELİKLERE ETKİSİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .243 Serhan KARAMAN (Trakya Üniversitesi) Cem S. ÇETİNARSLAN (Trakya Üniversitesi) PARTİKÜL TAKVİYELİ ALÜMİNYUM ESASLI METAL MATRİS KOMPOZİTLERİN DİFÜZYON KAYNAK KABİLİYETLERİNİN İNCELENMESİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .249 Sertan OZAN (Ege Üniversitesi) Rasim İPEK (Ege Üniversitesi) Serdar KARAOĞLU (Ege Üniversitesi) POLİPROPİLEN KÖPÜK MALZEME ÜRETİMİNDE KULLANILAN KİMYASAL KÖPÜK AJANININ HÜCRE MORFOLOJİSİNE ETKİSİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .257 Salih HAKAN (Sakarya Üniversitesi) Hüseyin ÜNAL (Sakarya Üniversitesi) AKUT LENFOBLASTİK LÖSEMİ TEŞHİSİNDE YENİ BİR YÖNTEM: DESTEK VEKTÖR MAKİNELERİ TABANLI SINIFLANDIRMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .263 Esra PARMAKSIZ (Haliç Üniversitesi) Figen ÖZEN (Haliç Üniversitesi) ÖZYÜZ YÖNTEMİ İLE YÜZ TANIMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .267 Müge ÇARIKÇI (Haliç Üniversitesi) Figen ÖZEN (Haliç Üniversitesi) RÜZGÂR GÜCÜNDEN BASINÇLI HAVA, GAZ VE ELEKTRİK ENERJİSİ ÜRETİMİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .273 Mehmet AYGÜN PLAZMA NİTRÜRLEME İŞLEMİNİN 316L OSTENİTİK PASLANMAZ ÇELİĞİNİN MALZEME ÖZELLİKLERİNE MİKRO ve NANO ETKİSİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .281 M. Cem İĞDİL (Tayangu Danışmanlık) Murat TOSUN (İstanbul Teknik Üniversitesi) Levent TRABZON (İstanbul Teknik Üniversitesi)
GETEK giris:AYDIN_ACEMI.qxp 14.10.2011 14:21 Page 9
I. OTURUM OTURUM BAŞKANI: Tahsin AKBABA > MMO Yürütme Kurulu Sayman Üye TEHDİTLERE YÖNELİK ERKEN UYARIYA DAYALI KARAR VERME YETENEĞİ GELİŞTİRME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 Cahit KARAKUŞ (İstanbul Kültür Üniversitesi) ARAÇ GÖRÜNTÜLERİNDEN YAPAY SİNİR AĞI İLE PLAKA TANIMA . . . . . . . . . . . . . .9 Fikriye ÖZTÜRK (Haliç Üniversitesi) Figen ÖZEN (Haliç Üniversitesi) 3G ve 4G MOBİL İLETİŞİM SİSTEMLERİNDE BAZ İSTASYONU ANTENLERİ GELİŞİMİ .15 Cahit KARAKUŞ (İstanbul Kültür Üniversitesi) Mehmet Fatih DEMİRKOL (Avea)
TEHDİTLERE YÖNELİK ERKEN UYARIYA DAYALI KARAR VERME YETENEĞİ GELİŞTİRME Dr. Cahit Karakuş İstanbul Kültür Üniversitesi E-posta:
[email protected] ÖZET:
mi? Basit gibi gözükse bile bu iş mikrobilgisayar kontrollü sisteme göre değil sadece insana göre tanımlanmıştır. Fakat bu tür işlevler yakın gelecekte matematik ve bilgisayar sistemlerinin birlikte kullanılması ile mümkün olacaktır. Düşünün, araba kazalarını önlemek için tüm araçlar akıllı minik algılayıcılar ile donatılmış olsun. Uyuyan şoförü fark eden algılayıcılar, aracın kontrolünü şoförden alıp, dörtlüleri yakarak aracı sağa çekebilir mi? Trafik ihlalleri ve tehlikeli sürüşler, akıllı algılayıcılar tarafından saptanabilirse, sürüş yetkisi şoförden alınıp kazaların oluşmadan önlenmesi mümkün olabilecektir.
Hedeflerin oluşturduğu çok yoğun bilgi yığınları içerisinden tehdidin göstermeye başladığı izler birleştirilerek, tehdidin gelecekte göstereceği davranışı kestirebilmek için karmaşık algoritmalar ve paralel işlemciler kullanılmaktadır. Çoklu algılayıcılardan elde edilen bilgileri sınıflandıran ve birleştiren uygulamalar, başta askeri uygulamalar olmak üzere işletmelerde imalat süreçlerinin kontrol edilmesinde, karmaşık makine ergonomisinin yönetilmesinde, robotik ve tıbbi uygulamalarda kullanılmaktadır. Bu yayında tehditlere yönelik erken uyarıya dayalı karar verme yeteneğini geliştirme üzerine bir çalışma yapılmıştır. Kestirim yapma anlayışı genel olarak tanımlanmış, bilginin toplanıp arşivlenmesi anlatılmıştır. Üçüncü bölümde kestirim yapabilmek için problem çözme yeteneğine dayalı matematiksel modeller anlatılmış ve son olarak bir algılayıcının kestirim yapabilme yeteneğini nasıl kazanabileceği üzerine bir çalışma yapılmıştır.
Bilgiyi sayısallaştırıp veriye dönüştüren, toplayan, sınıflandıran, birleştiren ve kıyaslama yapan algılayıcıların ortak değerlendirme ile doğru karar vermesinin nasıl yapılacağının iyi anlaşılması için, insan ve hayvanların bu işlevleri nasıl yaptığının çok iyi araştırılması gerekmektedir. Örneğin yapay sinir ağları, insan beyninin bilgi işleme mantığından esinlenerek geliştirilmiş bir bilgi işlem teknolojisidir. Basit olarak incelersek, biyolojik sinir sisteminde sinir hücreleri nöronlar içerir ve bu nöronlar çeşitli şekillerde birbirlerine bağlanarak iletişim ağını oluştururlar. Bilgisayarın temel matematiğini geliştiren Macar asıllı matematikçi John Von Neumann’ın kurduğu mimariye göre bilgisayarın işlemcisi ve belleği ayrıdır. İşlemci ve bellek arasında bilgi iletişim yolları vardır. İşlemcinin işlem yapma hızı ile veri iletim yolarının veriyi okuma ve yazma hızları bilgisayarın kapasitesini belirler. Fakat insan beyni bilgisayardan farklıdır ve Von Neumann mimarisi ile çalışmaz. Beynimizdeki nöronlar (10 milyar) ve bağlantı noktaları (Synapses – 10 trilyon) paralel çalışır. Bu nedenle beyin sürekli öğrenen bir yapıya sahiptir.
Anahtar Kelimeler: Bilginin gücü, Veri madenciliği, Veri füzyonu, Problem çözme yeteneği, Algılayıcılar, Kestirim yapabilme yeteneği geliştirme.
1. GİRİŞ Gelecekte karşılaşılması olası değişiklikler, tuzaklar ve belirsizlikler hakkında öngörüde bulunurken, geçmişte elde edilen deneyimlere dayalı yorumlar yapılır. Sorgulanarak, kıyaslanarak, varsayımlar üretilerek ve tahminlerde bulunarak yapılan yorumların amacı sağlıklı kestirimde bulunabilmektir. Geçmişteki davranışların nedenlerini bulabilmek için değişimin şiddetinin ve tekrarlanma süresinin izlenmesi, zayıf ve güçlü yanlarının belirlenerek kayıt edilmesi gerekmektedir. Karar vermek; risk satın alarak seçim yapmaktır. Bu nedenle karar verilirken kazanım ve kayıpların toplam değerine nasıl bakıldığı da önemlidir. Karar verme sadece ve sadece kazanmak üzerine olursa, kayıplar her zaman beklenilenden çok daha büyük olacaktır. Bu yüzden karar verme yeteneğini geliştirmek için; iş süreçleri ve işlevleri sürekli ölçülerek bilgiler toplanmalı, istatistiksel olarak analiz edilmeli, değerlendirilmeli ve grafiksel gösterimler ile yorumlanmalıdır.
Uzaktaki hedefe ait fiziksel ve kimyasal özellikler ölçülerek hedefin uzaktan izlenmesi ve davranışlarının nedenlerinin belirlenmesi uzaktan algılama olarak tanımlanmaktadır. Günümüzde özellikle iletişim ve bilgisayar teknolojilerindeki gelişmeler sayesinde uzaktan algılama sağlıktan endüstriye, askeri silahlardan güveliğe kadar yaşamın pek çok alanında kullanılmaktadır. Uzaktan algılama, bilgi toplama ve veri analizi işlevlerini yerine getirir. Bilgi toplama; hedefin davranışına ait fiziksel ve kimyasal ölçümlerin yapılması, bozucu etkilerin belirlenmesi ve sayısal veriye dönüştürülmesidir. Veriler bilgi işleme merkezine transfer edilerek kayıt edilir. Örneğin ses, görüntü ya da titreşim birer bilgidir. Bu bilgilerin bilgisayar ortamında işlenebilmesi için sayısal verilere dönüştürülmesi gerekir. Veri analizi ise sayısal ve elektronik veri işleme teknikleri ile toplanan verilerin sınıflandırılması, istatistiksel analiz yöntemleri kullanılarak yorumlanmasıdır. Yorumlama; kıyaslama ve sorgulamaya dayalı varsayımlar üreterek tahminde bulunmaktır. Yorumlamanın doğruluğunu artırmak için aynı anda tüm
Günümüzde kritik alt yapıları uzaktan izleyen, yöneten ve tehditleri erken belirleyen algılayıcıların sayısında, çeşidinde ve konumsal dağınıklığında yoğun artış görülmektedir. Algılayıcılarda karar verme yeteneği geliştirmek için birbirleri ile iletişime geçmeleri ve ortak değerlendirme yapabilmeleri sağlanmalıdır. Buzdolabına yerleştirilen minicik algılayıcılar yardımıyla koku, sıcaklık gibi ölçümler yapılarak yiyeceklerin bozulmaya başladığı an belirlenebilir 3
algılayıcılardan toplanan veriler birleştirilerek algılayıcıların birbirlerini hissetmeleri sağlanmalıdır. Birbirlerini hisseden algılayıcıların kestirim yapmayı öğrenmesi ekip olabilmeyi becermeleri ve problem çözmeye odaklı ortak akıl geliştirmeleri ile mümkün olabilir. Bunun için iş bölümü yapan yetenekli algılayıcıların geliştirilmesi gerekir. Algılayıcılarda kestirim yapma yeteneği geliştirmek için ölçülen değerler kıyaslanarak farklılık aranır. Bu farklılıklar tekrar edebilen özellikte de olabilir, anlık da olabilir. Tekrar eden farklılıklar değişimi tanımlar. Değişkenlikler sınıflandırılarak hatalar ayıklanmalı, belirsizliklerin sayısı azaltılmalı, tuzaklar belirlenmeli ve uygulanacak taktikler geliştirilmelidir. Değişikliklerin neye dönüştüğünü hızlıca fark etmek, eksik bilgiyi aramaya ve ayırt edebilmeye yönelik ortak akıl geliştirmek ile mümkündür. Baykuşlar bir farenin ayak sesini 1km öteden algılar. Filler çok uzaklardan gelen sismik sinyalleri hisseder. Yaban arıları yuvalarını tahrip edebilecek tehditleri önceden fark ederek, topluca saldırıya geçerler ve düşmanlarını kilometrelerce kovalarlar. Bunlara benzer yüzlerce örnek verebiliriz, burada önemli olan, hayvanların bu yetenekleri nasıl kazandıkları ve nasıl algıladıklarıdır. İnsanlar tarafından işitilebilen duyusal ses aralığının frekansı 30Hz ile 16KHz arasındadır. 30Hz den düşük ses ötesi dalgalar dünyanın ve gezegenin meydana getirdiği seslerdir. Hayvanların çoğu 30Hz den düşük frekanslardaki ses ötesi (infrases) dalgaları hissederler. Öte yandan çevremizde oluşan ve periyodik olarak tekrarlanan olaylardan geleceğe yönelik kestirim yapma işlevleri binlerce yıldır insanlar tarafından yapılmaktadır.
olur. Elektronik ortamda üretilen bilgilerin arşivlenmesinde bilginin bozulmadan ve değişime uğramadan korunarak sonraki kuşaklara aktarılmasında içerik, yapı, bağlam, sunum, davranışa yönelik işlevleri bozulmamalıdır. Arşivleme yetersizliği birikimleri yok eder, karışıklık çıkmasına neden olur. Bulunamayan ya da kaybolan bilgi ve belgeler yüzünden organizasyonlar çok büyük zararlara uğrarlar. Sistemin sağlıklı işlemesinin temel kuralı, zaman içerisinde bir bilgiye ihtiyaç duyulduğunda o bilginin hızlıca bulunmasıdır. Bu nedenle her türlü bilgi, hizmetin türüne göre sınıflandırılıp saklanmalıdır.Arşivleme odasında bilgilerin hasar görmemesi, çalınmaması, her türlü çevresel etkiye ve tehdide karşı korunması için gerekli önlemler alınmalıdır. İmha edilecek olanların neler olacağı, ne zaman, nasıl imha edileceği önceden belirlenmelidir. Arşivlemede bilginin depolanması ve sınıflandırılması sağlıklı yapıldığında, organizasyonun beyni bilgileri birleştirir, değerlendirir, kestirim yapar ve öğrenen organizmaya dönüşür. Bilgiyi önemli veya önemsiz diye sınıflamaktan ziyade, hangi bilgi ne zaman, nerede işe yarar diye bakmak daha doğru bir stratejidir. Analizlerde, öngörülerde ve çıkarımlarda yanlı değerlendirmelerden kaçınmak ve örtülü bilgileri ortaya çıkarmak için farklı analiz yöntemlerine dayalı değerlendirmeler yapılmalıdır. Örneğin evlerde kullanılan su miktarına ilişkin bilgiler toplandığında gelecekte ne kadar su kullanacakları kestirilebilinir. Evde, kestirim yapılan miktardan daha fazla su kullanılmış ise eve yaşayanların dışında birileri gelmiş demektir. Bu öngörüyü kestirime dönüştürmek için telefon görüşme süreleri dâhil diğer harcama tutarlarına da bakmak gerekir.
2. BİLGİLERİN TOPLANMASI VE SINIFLANDIRILMASI
Algılayıcılar, doğru bilgileri doğru zamanda, doğru yerde, doğru kaynaktan toplarsa ve arşivlerse alınacak pozisyon da doğru belirlemiş olur; tehlikeler önceden öngörülebilir, olaylar olmadan kestirilebilir. Ölçülen, birleştirilen, kıyaslanan ve sınıflandırılan bilgilerden sadece tehditleri değil fırsatları da bulabilmek için bilgi toplama süreci sürekli ve kesintisiz devam etmelidir. Toplanan bilgi miktarının kontrolsüz büyümesi; veri yığını içindeki değerli bir bilginin bulunmasını ve analiz edilmesini imkânsız hale getirmektedir. Çok büyük boyutlardaki bilgi yığını içerisinden aranan verinin bulunup çıkarılması için sınıflandırma, veri madenciliği ve veri füzyonu algoritmaları kullanılmaktadır. Veri madenciliği yararlı bilginin büyük miktardaki veri yığını arasından bulunup çıkarılmasıdır. Veri madenciliği, verinin bulunduğu yığın içerisinde iz arayan ve keşfeden analiz yöntemleridir. Veri madenciliği analizinde kayıp, eksik, hatalı verilerin belirsizlik oluşturmaması için kullanılacak veri tabanı uygulamaları algılayıcıların öğrenme görevini kolaylaştıracak şekilde tasarlanmalıdır. Veri füzyonu ise algılayıcılardan gelen bilgileri kaynaştırmada ve birleştirmede kullanılan algoritmalardır. Hedefleri bulmada, tanımlamada ve takip etmede bilgileri toplayan ve sentez yapmayı öğrenen veri füzyonu algoritmaları kullanılmalıdır. Bilgileri birleştirme işlevi, canlıların her zaman farkında olmadan yaptıkları bir işlemdir. Öğrenen algoritmalar dağınık ve farklı amaçlar için geliştirilmiş algılayıcılardan gelen bilgileri birleştirerek daha iyi bir analiz yapılmasını ve daha doğru bir kararın verilmesini sağlar. Örneğin tehditlere ait hedeflerin oluşturduğu bilinmeyen sayıdaki izler birleştirilerek, hedeflerin yerleri ve davranışları belirlenebilir. Dağınık noktalara yerleştirilmiş çok sayıdaki algılayıcılardan
Ne kadar büyük ve gelişmiş olurlarsa olsunlar, bilgiyi doğru yönetemeyenler yüzeysel değerlendirme hatasına düştüklerinde kaybetmeye mahkûmdurlar. Kapsamlı bilgi yönetiminin olmadığı, bilgilerin bir araya getirilmediği, buzdağının yüzeyine bakarak yapılan değerlendirmeler ve analizler organizasyonları öyle sıkıntılara sokar ki, kurtulmaya çalıştıkça batarlar. Bilginin gücünü algılamayanlar, karanlıkta el yordamıyla yön bulmaya çalışırlar. Fiziki bir yönü olmayan fakat güç faktörü olarak stratejik bir öneme sahip olan bilginin günümüzde etkinliği giderek artmaktadır. Bilgi; para, seçkinlik ve başarı getirdiğinden, güç ve egemenlik mücadelesinde bilgiyi toplamak stratejik önem arz etmektedir. Öte yandan günümüzde toplanan bilginin boyutu o kadar hızlı büyümektedir ki, yığının içerisinden gerekli olan bilgiyi bulabilmek, işlemek, tasnif etmek ve zamanında erişebilmek çok daha fazla önemsenir hâle gelmiştir. Hayati olan nokta herkesin gözü önünde bulunan bilgi yığınları içerisinden, kimsenin dikkatini çekmeyen, kimsenin akıl edemediği örtülü veya kapalı bilgiyi bulup çıkartabilmektir. Bilgilerin saklandığı arşivler, organizasyonların geçmişini ve geleceğini aynı anda aydınlatan değerlerdir. Bu nedenle bilgiler toplanırken ve arşivlenirken erişim yetkisi olmayanların bilgiyi görmemesi, bilmemesi ve yasadışı yollardan ele geçirmemesi için gerekli önlemler alınmalıdır. Bir organizasyonun arşiv kültürü yok ise onun beyni de yoktur. Bilgiyi arşivlerken bilgisayarlarda veri tabanı oluşturulması ile yer meselesi, korunma ve emniyet sağlanmış 4
gelen bilgiler hem çok karmaşık hem de çok fazla çeşit içerdiklerinden dolayı, toplanan bilgiler analiz edilirken karmaşık algoritmalar ve paralel işlemciler kullanılır. Çoklu algılayıcılardan elde edilen bilgileri sınıflandıran ve birleştiren uygulamalar geniş bir alana yayılmıştır;
gösterdiğinden bellek alanını verimli kullanacak sıkıştırma teknikleri geliştirilmelidir.
•
Askeri uygulamalarda; otomatik hedef tanıyan akıllı silahlarda, insansız taşıtlarda, uzaktan dost-düşmantarafsız tanıma sistemlerinde, savaş alanı gözetlemede ve tehdit bulma sistemlerinde kullanılmaktadır.
•
İşletmelerde imalat süreçlerinin kontrol edilmesinde, karmaşık makine ergonomisinin yönetilmesinde, robotik ve tıbbi uygulamalarında geniş bir uygulama alanı bulunmaktadır.
Bir insanın, düşünme ve gözlemleme yeteneklerini problemlere yönelik çözümler üretmede kullanmasının temel sebebi insan beyninin yaşayarak veya deneyerek öğrenme yeteneğine sahip olmasıdır. İnsanlar doğumlarından itibaren yaşayarak öğrenme süreci içerisine girerler. Öğrenen beyin sürekli gelişir. Yaşayıp tecrübe edildikçe, beyindeki nöronları birbirine bağlayan bağlantılar sürekli güncellenir ve yeni bağlantılar oluşturulur. Bu sayede öğrenme süreklilik kazanır. Öğrenerek problemlere çözüm üretme yeteneğini algılayıcılara kazandırmak için rakamsallaştırılmış ölçümlerin çeşitli istatistiksel teknikler kullanılarak gruplandırılması, özetlenmesi ve anlamlandırılması gerekir. İstatistiksel analizde verilerin toplanması, işlenip düzenlenmesi, tablo veya grafikler şeklinde gösterilmesinin temel amacı sorgulamalara yanıt vermek ve geleceğe yönelik tahminde bulunmaktır. İstatistiksel işlemler ile hata, kararsızlık, belirsizlik ve değişkenler hakkında bilgi edinmek için olasılık hesaplama teknikleri kullanılarak ölçme ve kıyaslama yapılır, tahminde bulunulur. İstatistik bir belirsizlik bilimidir. İstatistikçiler, “Nedir?” sorusuyla değil, “Ne olabilir?” veya “Ne muhtemeldir?” soruları ile ilgilenirler. Verilerin toplanması, derlenmesi, özetlenmesi, sunumu, analizi ve aynı zamanda geçerli bir sonuç çıkarılması istatistik dalının başlıca ilgi alanlarıdır.
3. PROBLEM ÇÖZME YETENEĞİNİN GELİŞTİRİLMESİ
Sayısal sinyal işlemeyi, istatistiksel tahmini, kontrol teorisini, yapay zekâyı ve klasik sayısal metotları kullanarak bilgileri sınıflandıran, kaynaştırarak birleştiren teknikler ve algoritmalar üzerine çalışmalar yoğunlaşmıştır; • • • • • • • • • • • • • •
Kalman filtreleme algoritmaları, Bayesian ağları ve Bayesian teknikleri, Dempster-shafer algoritması, Regresyona dayalı teknikler, Sınıflandırma ağacı, Duruma dayalı muhakeme, Veri görselleştirme, Bulanık sorgulama ve analiz, Doğrusal diskriminant analizi, Kalıp ya da örnek tanıma, Temel bileşen analizi, Yapay Sinir ağları, Genetik algoritma, Simülasyon ve modelleme ile öğrenme.
Kestirim yapmada kabul edilebilecek sapmaların güven aralığı ve güven sınırları belirlenirken, davranışın izlerini yansıtan örnekler almak için, zamanla genliği, frekansı ve fazı değişen sinyalden örnek alma aralığının doğru belirlenmesi gerekir. Örnek alınırken; • • • • •
Öğrenen algoritmanın yapısı, çok boyutlu doğrusal olmayan en küçük kareler yöntemine temel oluşturan değerlerin düzeltilmesine dayanır. Enterpolasyon kavramı, grafiği verilen bir fonksiyonda sınırlı sayıdaki veri noktasından geçecek şekilde bir y=p(x) fonksiyonunun türünü ve katsayılarını seçme işlemidir.
Toplanan verilerin doğru olması, İzleri ve belirtileri içerisinde barındırması, Takip edildiğinde verilerin tekrar üretilebilmesi, Süreci tamamıyla anlamlandırması, Amaca ulaşmada kullanılabilir olması gerekmektedir.
İstatistiksel olarak geçerli bir örnek alabilmek için örnekleme sayısı, zaman aralığı doğru belirlenmelidir. Örneklemeye dayalı tahminler ile hedefe ait davranışın gerçek karakteristiği arasında daima farklılık olacaktır. Amaç, toplanan veriler ve örnekleme aralığı ile bu farklılığı minimize etmektir. Hedefin gösterdiği davranışlar özelliklerine göre sınıflandırıldığından sınıf sayısı, aralığı ve sınırları doğru belirlenmelidir. Davranışların karakteristik eğilimi, örnek alınan değerlerin aritmetik, geometrik, harmonik ve ağırlıklı ortalaması hesaplanarak bulunur. Alınan örnekleme değerlerinden bir ya da iki tanesi çok yüksek ya da düşük olursa aritmetik ortalama davranışın eğilimini yansıtmaz. Bu gibi durumlarda medyan değerlendirilmesi yapılarak davranışın eğilimi belirlenebilir. Medyan değerlendirmesi, alınan örneklere ait veri değerleri büyükten küçüğe ya da küçükten büyüğe sıralandıktan sonra, tam ortadan veri dizisini 2 eşit frekansa ayıran değerdir. Bir veri setindeki bütün değerleri dikkate almayan (hassas
Algılayıcıların ekip olarak doğru fonksiyonu belirlemeyi öğrenmesi, kestirilmiş değerler ile kullanım sonrası ortaya çıkan hataların düzeltilerek güncellenmesidir. Tüm olayların temelinde değişkenlik vardır ve hataların büyük bir bölümü değişkenlikten kaynaklanmaktadır. Değişkenliğin özelliği belirlenirken hata kaynakları tespit edilmelidir. Belirsizlik yaratan değişkenleri izlemek için tekrar eden değişkenler ayrıştırılmalıdır. Toplanan verilerden değişken olanlar kıyaslanarak belirlenir. Çok yoğun bilginin toplandığı bir ortamda en doğru yaklaşım, öncelikle hatalı olanların ayıklanmasını da içeren öğrenen algoritmaların geliştirilmesidir. Öğrenen algoritmalar tarafından sınıflandırılan bilgiler içerisinde aranan bilgiye hızlıca erişim sağlanmalıdır. Bilgilerin saklandığı bellek ortamlar, hem maliyet hem de kapasite büyümesinde sıkıntı 5
olmayan) bir başka davranış eğilimi belirleme yöntemi ise Mod ölçümüdür. Mod ölçümü, bir veri setinde en sık olarak gözlenen veri değeridir.
arasından birini tercih ederlerken, problemlere çözüm üretecek alternatifleri nasıl bulacaklardır? Algılayıcılar karar verirken birbirleri ile etkileşim içinde işbirliği modelleri oluşturmalıdır. Bu amaçla akıl oyunları kuramının çok iyi bilinmesi ve mikroişlemci kontrollü algılayıcılar tarafından sınıflandırılan bilgilerdeki değişimlerin sürekli izlenmesi ve sorgulanması gerekir. Algılayıcılardaki iş süreçleri ve fonksiyonlarında önemsenmesi gereken şey; sorgula sorgulan, denetle denetlen olmalıdır. Denetim yapılmasındaki amaç iş süreçlerinde oluşacak risklerin önceden fark edilip krize dönüşmeden gerekli çözümlerin geliştirilip uygulanmasıdır.
Davranışları kıyaslamak için yığın içerisindeki verilerin değişkenlik aralığı, ortalama sapma ve standart sapma gibi değişkenlik ölçüleri kullanılır. Davranışlardaki değişimin aralığı bir veri serisindeki en yüksek değer ile en düşük değer arasındaki farktan hesaplanır. Ortalama sapma, tüm veri değerlerinin aritmetik ortalamasından olan mutlak sapmalarının aritmetik ortalamasıdır. Bir yığın içerisindeki örnek değerlerin hangi mertebelerde çeşitlenerek değiştiğini gösteren ölçüt varyans olarak adlandırılır. Değişkenlik bulabilmek için davranışların nominal değerlerden sapmalarının iyi analiz edilmesi gerekir. Sınıflandırılmış verilerde, orta nokta her zaman davranışın ağırlıklı orta noktası olmayacağından, ham verilere göre gruplandırılmış değerlerde daha yüksek sapma değeri ölçülür. Belirli bir değişimin olma ihtimalinin ölçülmesi ve sapmaların çok iyi belirlenmesinde olasılık hesaplamaları ve istatistiksel yöntemler birlikte kullanılmaktadır.
Ölçme sonuçlarının belirlenmiş bir ölçütle kıyaslanarak, ölçülen nitelik hakkında bir karara varılması değerlendirme sürecidir. Değerlendirme, bir yargılama işlemidir ve ölçme sonucunun bir ölçütle karşılaştırılmasına dayanır. Değerlendirme ile zayıf ve güçlü yanlar ve belirli alanlardaki gelişimler saptanır. Seçim yapmada uygun düzey belirlenir. Davranışa ait fonksiyonlar ve süreçler işlenirken tecrübe kazanmak için yeterli ve zamanında geribildirim önemsenmelidir. Sürekli ve birbirini tamamlayan becerilerin ölçümü esas alınmalıdır. Algılayıcılarda bilgisayar destekli denetim teknikleri kullanılarak veri toplama, veri analizi ve değerlendirme teknikleri ile performans değerlendirilmesi yapılmalıdır.
Formülü belirlenen bir fonksiyon içindeki bir değişkene ait değişime karşılık fonksiyonun değerlerindeki değişimin oranı tablo ve grafiksel olarak gösterilir. Grafikte belirlenen bir noktaya yaklaşımın nasıl olacağının analiz edilmesi için o noktadaki teğetin eğimi bulunmalıdır. Ayrıca yorum yapmaya destek olması için formülü verilen bir fonksiyonun entegral ve türevinin grafiği de çizilmelidir. Değişkenleri bir araya toplayarak ölçmeyi az sayıda faktör ile açıklamayı amaçlayan faktör analizi değişken sayısını azaltır, ulaşılan sonuçları anlamlı kılar. Faktör analizi, ölçmenin nasıl gerçekleştiğini belirler. Değişkenler arasındaki ilişkileri ölçmek için regresyon analizi teknikleri kullanılmaktadır.
Belirsizlik, nedenini bilememek, sonuçları tahmin edememek, sistemi anlayamamak, herhangi bir fikir yürütememek, sorulara cevap verememek, verilen cevaplarla tatmin olamamaktır. Laplace’ın önermesine göre, öyle bir bilimsel yasalar takımı olmalıdır ki, yalnızca bir an için evrenin tümünün durumunu bilirsek evrende olup bitecek her şeyi hesaplayabiliriz. Örneğin, güneşin ve gezegenlerin bir andaki hızlarını ve konumlarını biliyorsak, Güneş Sisteminin başka zamanlardaki durumunu Newton’ın yasalarını kullanarak hesaplayabilirdik. Belirsizlik ilkesi 1927 yılında Werner Heisenberg tarafından öne sürüldü. Kuantum fiziğinde Heisenberg’in belirsizlik ilkesine göre, bir parçacığın momentumu ve konumu aynı anda tam doğrulukla ölçülemez (momentum değişimi = kütle değişimi x hız değişimi). Birbirine bağlı iki büyüklükten birinin ölçülmesindeki duyarlılık arttıkça diğerinin ölçülmesindeki duyarlılık azalır. “Heisenberg’ in belirsizlik ilkesi, bir sistemin durumunun tam olarak ölçülemeyeceğini, bu yüzden onun gelecekte tam olarak ne yapacağı konusunda kestirimde bulunulamayacağını göstermiştir. Tüm yapılabilecek şey, farklı sonuçların olasılıkları hakkında kestirimde bulunmaktır.
Bilgileri düzenlemek, yorumlamak, değerlendirmek, sorgulamak ve özetlemek için problem çözme yeteneği geliştirilmelidir. Geliştirilen problem çözme yeteneği ile çabuk öğrenme sağlanır. Daha önce elde edilen deneyimler, sorunlara yaratıcı ve orijinal bir biçimde çözüm üretir, performansı yükseltir. Algılayıcılarda sistematik bir problem çözme yeteneği geliştirilirken stres altında doğru değerlendirme yapmaları için sorgulama algoritmalarının çok iyi çalışıyor olması gerekir. Eğitim yetersizliğinin yanında inanmama, isteklendirme yetersizliği, denetim eksikliği, denetlemede zıt yönden sorgulama yapılmaması, anlatılmaması, ifade hatası, süreçlerin yazılı olmaması gibi etkenler insanlarda, problemleri çözümsüzlüğe götürmektedir. Problem çözerken değişiklikleri, farklılıkları bulmada ve yeni fikirler geliştirmede düşüncelere engel koymaksızın yapılan fikir geliştirme yöntemleri de beyin fırtınası olarak adlandırılmaktadır. Einstein bu konuda şöyle demiştir: “ Ortaya atılan yeni fikirlerde bir ilginçlik ya da saçmalık yoksa o fikirde umut yok demektir.” Her tür eleştiri kişilerin hayal gücünü engeller, çünkü fikir üretme ve eleştiri aynı anda gerçekleşemez. Beyin fırtınasının amacı; belirli bir durum veya probleme ilişkin fikir ve seçenekleri ortaya koyarak, yaratıcı düşünmeyi geliştirmektir. Beyin fırtınası esnasında ortaya atılan olağandışı fikirler, probleme çözüm odaklı olmalıdır. O halde algılayıcılar beyin fırtınası yapmayı nasıl becereceklerdir? Karar verici olarak alternatifler
Kestirimde bulunmanın amacı kriz başladığında ortaya çıkıp çözmek mi? Ya da hasta döşeğindekine reçete yazmak mı? Kestirimde bulunmanın amacı problemlere ilişkin tuzakları önceden görüp oyunları boşa çıkartmak ve krize dönüşmeden çözüm üretmek olmalıdır. Önemsenmesi gereken tuzakların nasıl algılanacağı ya da bulunacağıdır. Problemleri oluşmadan algılamak, görebilmek ve önleyebilmek birbirlerine bağlı geliştirilmesi gereken yetenekler ile mümkündür. Toplanan bilgilerden tuzaklar görüldüğünde konum alarak taktik değiştirmek gerekir. Değişimlerin neye dönüştüğünü ya da ne doğurduğunu bulabilmek için izlenmesi ve çok iyi analiz edilmesi gerekir. Kestirim yapmanın amacı olaylar olmadan değişimlerin bulunması ve uyarı verilmesidir. 6
Örneğin zamanla genliği değişen bir grafikte, herhangi bir büyüklüğün zaman içerisindeki değişimini izlerken, sağ elinizle grafiğin sağ tarafını kapatın ve elinizi yavaşça sağa kaydırın. Bu işi yaparken de, bir yandan, elinizin kayması sırasında ortaya çıkacak noktaların konumlarına bakarak, bir sonraki noktanın nerede ortaya çıkacağını kestirmeye çalışın. Lineer sistemlerde noktanın nerede olacağını çok rahat bir biçimde belirleyeceksiniz. Ancak lineer olmayan sistemlerde, değişkenler başlangıç koşullarına o kadar hassas bir şekilde bağlıdırlar ki, girdilerdeki en ufak bir değişiklik, sonuçları dramatik bir biçimde değiştirmektedir. Fakat zaman ilerledikçe daha sağlıklı öngörüde bulunabilmenin de mümkün olduğunu fark edeceksiniz.
• •
•
•
Sürekli üretim yapan endüstriyel tesislerde, uygulanan bakımlar büyük önem taşır. Üretimin aksamasına tahammülü olmayan yönetim, erken uyarı niteliği olan kestirimci bakım yöntemlerini tercih etmektedir. Ani arızalarla karşılaşmamak, beklenmeyen üretim kayıplarını engellemek, bakım ve onarımı planlanabilir hale getirmek, erken uyarıya dayalı kestirimci bakımın hedeflerini oluşturur. Erken uyarı özelliği olan kestirimci bakım yöntemleri makinelerin mekanik durumlarının düzenli olarak izlenmesi ve önemli değişikliklerin görülmesi durumunda, arıza meydana gelmeden, müdahale edilmesine olanak sağlar. Erken uyarı özelliği olan kestirimci bakımın üstün yönü arızanın kök nedenin analizlerinin yapılabilir olmasıdır. Bu analizle sorunun temeline inilir ve bir daha tekrarlamaması için önlemler alınır. Verimli bir erken uyarı özelliği taşıyan bakım sisteminden söz edebilmek için, bakımdan sorumlu tüm tekniklerin bir arada uygulanması gerekir.
•
•
•
4. ALGILAYICILARDA TAKİP YETENEĞİ GELİŞTİRME Bu bölümde, bir araziye izinsiz giriş yapanların sismik hareketlerini hedef olarak algılayan, hedefi takip eden ve hedefin amacını kestirmeye çalışan algılayıcıların sahip olması gereken özellikler anlatılacaktır. Hedefi bulmak ve davranışlarına ait bilgileri toplamak için kestirim yapabilen algılayıcılar kullanılacaktır. Algılayıcılar, ölçtükleri fiziksel ve kimyasal büyüklükleri elektriksel sinyallere çevirecekler. Kullanılacak algılayıcılar; ses, titreşim, hareket, basınç, sismik, sıvı yaklaşım ve ışık olarak sıralanır. Kendi başına çalışan her bir algılayıcı aktif ve yarı aktif olmak üzere iki modda çalışacaktır. Her bir algılayıcı belirli aralıklarla ölçtüğü değeri kendisi için belirlenmiş güven aralığına girip girmediğini kontrol edecektir. Ölçülen değer güven aralığına girmiş ise algılayıcı yarı aktif moddan aktif moda geçerek aynı anda hem etrafındaki algılayıcılara hem de merkezi veri işleme birimine durumu bildirecektir. Yarı aktif modda iken etrafındaki algılayıcılardan da uyarı geldiğinde hemen aktif moda geçecek, kayıt ettiği verileri diğer algılayıcılar ile paylaşarak ortaklaşa analiz algoritmalarını çalıştırmaya başlayacaklar.
•
•
•
• •
•
•
Kesintisiz veri akışı ile gerçek zamanlı olarak tehditleri uzaktan tespit ve teşhis eden, tehdidin konumunu belirleyen ve takip eden algılayıcıların sahip olması gereken özellikler; •
Sisteme yapay zekâ özellikli yazılımların eklenmesi ile 7
insan faktörü en aza indirgenmeli ve bu sayede yanlış alarm sayısı minimize edilmelidir. Küçük boyutlu bütünleşik çözümler üretilmelidir. Kablosuz iletişim yapabilen algılayıcılar gereksinim duyacakları enerjide maksimum verimle çalışmalı, az güce ihtiyaç duymalı ve mümkün olduğunca ihtiyaç duyacakları enerjiyi kendileri hasat etmelidir. Bilgisayar kontrollü, zamanla değişen elektriksel sinyalleri sayısal verilere dönüştüren, bellek kayıt alanına verileri toplayan, mukayese eden, karşılaştıran ve belirlediği ihlalleri diğer dost birimler ile paylaşan algılayıcılar geliştirilmelidir. Algılayıcılar taş, ağaç, kuş yuvası, yol taşı, yol tabelası, direk gibi kurulumu yapılacak coğrafi yapıya uygun objeler içine yerleştirilerek gizlenebilmelidir. Algılayıcılarda, hayvanlar, çit hareketleri, ağaçlar, telefon ve elektrik direkleri, zemin hareketleri, hava değişimleri (yağış) gibi gürültü kaynaklarını ayırt edecek ve hatalı alarmları minimize edecek yazılımlar ve çözümler geliştirilmelidir. Algılayıcılar çevresel ve iklimsel değişimleri algılayarak kendi kendini kalibre edebilmelidir. Çok sayıda birbirini tamamlayan farklı algılayıcılar, hedeflerin izleneceği bölgeye istatistiksel olarak yerleştirilmelidir. Algılayıcılar birbirleri ile karma ağ (MESH) üzerinden iletişim kurmalı, verileri paylaşmalı, ortaklaşa mukayese ederek erken uyarıda bulunmalıdır. Toplanan veriler merkeze gerçek zamanlı iletilmeli, merkezden gerçek zamanlı izleme ve yönetim yapılmalıdır. Gerçek zamanlı izlemenin mümkün olmadığı durumlarda lokal izleme ve yönetim de mümkün olmalıdır. İletişim koptuğunda ya da iletişimin imkânsızlaştırıldığı durumlarda algılayıcılar iletişim kurabildiği dost algılayıcılara durumu rapor etmelidir. Kendine yaklaşanı stratejik dost ve düşman olarak ayıran, ihlal var ise dostu uyaran, düşmanı deşifre eden ve kendi kendini imha edebilen teknik özelliklere sahip olmalıdır. Bir algılayıcı komşu algılayıcılar ile veri haberleşmesi yapabilmelidir. Bulduğu erken uyarıyı komşuları ile paylaşmalı ve onları da durum hakkında sorgulayabilmelidir. Yer değiştirilirse ya da acil erken uyarı oluşursa çığlık alarmı oluşturmalı ve bunu belirli süreyle kablosuz ortamdan diğerlerine iletmelidir. Kablosuz algılayıcılar RFID kimlik tanıma sistemlerine entegre olmalıdır. Çalışırken ortam sıcaklığından etkilenmemelidir. Uzaktan kurulum ve yazılım yüklenmesi yapılabilmelidir. Özellikle sismik algılayıcılarda yürüme ve kazı gibi insan kaynaklı tehdit faaliyetlerinin bulunması hedeflenmelidir. Sismik işaretlerin analizinde diğer algılayıcılar ile beraber çalışarak hassasiyet artırılmalıdır.
5. SONUÇ
of Data and Information Fusion, FOI, S-172 90 Stockholm, Sweden. 8. “Data Fusion for a Distributed Ground- Based Sensing System”, Richard R. Brooks, The Pennsylvania State University. 9. “Machine Learning Techniques for Stock Prediction”, Vatsal H. Shah, Courant Institute of Mathematical Science, New York University. 10. “Advances in Multi-Sensor Data Fusion: Algorithms and Applications”, Jiang Dong, Dafang Zhuang, Yaohuan Huang and Jingying Fu, Sensors 2009, 9, 7771-7784.
Bilgileri birleştiren çoklu algılayıcıların kullanıldığı alanlar; a) Güvenlik; cisim ve veya insan izleme ve gözetleme, b) Askeriye; araç izleme, izinsiz giriş bulma, savaş alanına ilişkin bilgi toplama, c) Stratejik uyarılar; kimyasal, biyolojik ve gaz sızıntılarını tespit etme, d) Çevre; ürün miktarı saptama, doğal çevreyi izleme, e) Tıp; hasta takip, f) İnsan sağlığı için risk içeren alanları izleme, g) Otomasyon uygulamaları olarak sıralanır.
ÖZGEÇMİŞ
Endüstride ve insan yaşamında problem meydana getiren tıkanıklıkları belirlemek için verileri birleştirerek analiz yapan çoklu algılayıcılar verimliliğe önemli katkılar sağlayacaktır. Tekrarlanan olaylardan hangi değişimin ne zaman nasıl meydana geleceğine yönelik tahminlerde bulunabilinirse bir olayın diğer bir olayı ya da felaketi nasıl tetiklediği öngörülebilir. Değişimlerin tekrarlanma aralığı, süresi ve şiddeti sağlıklı izlendiğinde gelecek ile ilgili kehanette bulunmakta mümkündür. Unutulmaması gereken şey, değişimler süreklilik kazandığında yeni bir dönüşümün başladığıdır. Yapay zekâ programları ve işaret işleme algoritmaları gibi yazılımlardaki ve bilgisayar teknolojilerindeki gelişmeler, insan ve hayvanların sezilerine benzer yetenekleri oluşturabilecek düzeye gelmiştir. Bu nedenle insanların ve hayvanların veri analiz kabiliyetlerinin donanım ve yazılımda bir benzerliğinin oluşturulması üzerine çalışmalar yoğunlaşmıştır. Bu çalışmalarda başarı elde etmek için veri kaynaştırma algoritmaları ile iletişim ve bilgisayar teknolojilerindeki gelişmelerin gerçek zamanlı veriyi birlikte işleyip sonuçlandırması gerekmektedir.
Dr. Cahit KARAKUŞ 13.05.1960 tarihinde Malatya’nın Yeşilyurt ilçesinde doğan Dr. Cahit Karakuş, haberleşme ve savunma sektörlerinde 27 yıllık deneyime sahiptir. Dr. Karakuş, geniş band ışıma yapan anten tasarımı ve gerçek zamanlı kestirim yapan kablosuz akıllı algılayıcılar konularında uzmandır. 1984 yılında İTÜ Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği bölümünden mezun olan Dr. Karakuş; 1987 yılında aynı üniversitede yüksek lisansını, 1995 yılında ise doktorasını tamamlamıştır. 1985 ile 1987 yılları arasında İTÜ Elektromanyetik ve Mikrodalga ana bilim dalında araştırma görevlisi olarak çalışmıştır. Halen İstanbul Kültür Üniversitesinde öğretim görevlisi olarak Bilgisayar ve Ağ Teknolojileri, Mikrobilgisayar Sistemleri ve Assembler derslerini vermektedir. 1988 ile 2000 yılları arasında Nortel – Netaş’ da yazılım ve donanım mühendisi olarak haberleşme sistemlerinin tasarımında çalışan Dr. Karakuş, kablosuz haberleşme sistemlerinde kullanılan anten buluşundan dolayı teknoloji ve yaratıcılık ödülüne layık görülmüştür. 2000 ile 2002 yılları arasında COMSAT firmasında uydu yer istasyonlarının planlanma ve kurulumunda uzman olarak görev alan Dr. Karakuş, yurt içinde ve dışında şirketler için çok sayıda uydu link kurulumu yapmıştır. 2002 ile 2007 yılları arasında pek çok kurum ve kuruluşun ağ iletişim alt yapılarını projelendiren ve kurulumlarında görev alan Dr. Karakuş, 2007 ile 2009 yılları arasında “Kent Güvenliği Projelendirme” çalışmalarında bulunmuştur. 2007 yılından itibaren Telekom ve Savunma projelerinde uzman olarak çok sayıda kurum ve kuruluşa danışmanlık hizmetleri veren Dr. Karakuş, anten tasarımı ve kestirim yapan akıllı algılayıcılar konusunda çalışmalarına devam etmektedir.
6. KAYNAKLAR 1. “Towards A Learning Organizations:The Introduction Of A Client-Centered Team-Based Organization In Administrative Surveying Work” ,Gard, G., Lındstrom, K., Dallner, M. (2003), 2. “Örgütlerde Takım Çalışmasına Yönelik Etkin Liderlik Nitelikleri”, Mehmet İnce, Aykut Bedük, Enver Aydoğan. 3. “Fırtınalı Dönemlerde Yönetim”, Drucker, Peter F., (Çev. Bülent Toksöz), , İnkılap Kitapevi, İstanbul, 1998. 4. “Arşiv Yönetimi: Türkiye Cumhuriyet Merkez Bankası Örneği”, Ümit Nihal DÜZENLİ, Uzmanlık Yeterlilik Tezi, Türkiye Cumhuriyet Merkez Bankası, İletişim Genel Müdürlüğü, Ankara, Aralık 2006. 5. “Oyun Teorisi”, http://www.oyunteorisi.com/article. php?aID=9, 21.11.2002 6. “Rekabet Ortamında Karar Verme Süreçlerinde Oyun ve Fayda Kuramı İlişkileri ve Etkileşimi”, Doç. Dr. Şevkinaz GÜMÜŞOĞLU, İşletme Bölümü, İktisadi ve İdari Bilimler Fakültesi, Dokuz Eylül Üniversitesi. 7. “Multi-sensor management for information fusion: issues and approaches”, N. Xiong, P. Svensson, Department
Dr. Karakuş; akıllı kablosuz algılayıcılar, uzaktan davranışların manipüle edilmesi ve elektromanyetik silahlar, çevreci akıllı evler ve stratejik davranış geliştirmede tehditlerin analizi konularında çeşitli üniversitelerde konferanslar vermiştir. Askılı geniş band anten tasarımı konusunda yayınları ve patentleri bulunan Dr. Cahit Karakuş, çok sayıda lisans ve yüksek lisans öğrencisine anten tasarımı konusunda tez yaptırmıştır. 8
ARAÇ GÖRÜNTÜLERİNDEN YAPAY SİNİR AĞI İLE PLAKA TANIMA Fikriye Öztürk1, Figen Özen2 T.C. Haliç Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, İstanbul E-posta:
[email protected], E-posta:
[email protected] Özet
için watershed dönüşümü uygulanmıştır. Dönüşüm çıkışına göre de plaka alanı belirlenmiştir. Plaka bölgesi belirlendikten sonra karakter bölütleme işlemi yapılmıştır en son olarak da karakterler tanınmıştır. Karakter tanıma kısmında üç katmanlı geri yayılım algoritmasıyla eğitilmiş YSA kullanılmıştır [1]. Aynı yıl Yeo vd. tarafından karakterlerin özelliklerine göre yeni karakter sınıflama ve tanımlama algoritması geliştirilmiştir. İnceltme (thinning) algoritması uygulanarak karakter iskeletleri elde edilmiştir. Giriş karakterlerinin özelliklerini veri tabanı ile karşılaştıran program ile de karakter tanıma işlemi gerçekleştirilmiştir [2].
Plaka Tanıma Sistemi araçları plakaları yardımıyla tanımaya yarayan görüntü işleme teknolojisidir. Otomatik plaka tanıma belli amaçlar doğrultusunda kamera(lar)dan elde edilen araç görüntüsünün üzerinde plaka bölgesinin ayrıştırılarak, plaka üzerinde bulunan karakterlerin çeşitli karakter tanıma yöntemleri ile okunması işlemidir. Kamu ve özel alanda değişik uygulamaları olup, uygulamaya özel algoritma, donanım ve ağ yapısının bir araya getirilmesi ile sistemin verimi arttırılır. Son yıllarda bilim ve teknoloji alanlarındaki çalışmalar daha yüksek kalitede algoritmalar ve donanımların geliştirilmesine olanak sağlamıştır. Otomatik plaka tanıma sistemleri daha yaygın kullanılır hale gelmiştir. Araç plakası tanıma işlemi plaka bölgesi çıkarma, karakter ayrıştırma ve karakter tanıma olarak üç aşamada gerçekleşir. Öncelikle veri tabanındaki araç plaka görüntülerinden plaka bölgesi bulunup çıkartılır. Çıkartılan plaka bölgesinde karakter ayrıştırma işlemleri yapılır ve ayrıştırılan karakterler uygun yöntemlerle tanınır.
Emiris ve Koulouriotis tarafından sonuçları 2001’de yayımlanan çalışma, yarı yapılandırılmış çevrede optik tanıma otomasyonu ile üç etaptan oluşmuştur. Sayısal görüntü işleme bölümünde, toplanan görüntüler ön işlemden geçirilerek gürültüden kurtulunmuş ve filtreden geçirilmiştir. Eğitim kısmında ise alfanümerik veriler eğitilmiş, son olarak optik tanımayla karakter tanınması yapılmıştır [3]. Juntanasub ve Sureerattanan tarafından 2005’te yayımlanan çalışmada görüntü önce ikili sisteme çevrilmiş, sonra da bölütleme yapılmıştır. Tanıma kısmında ise Hausdorff uzaklığı (Hausdorff Distance) tekniği kullanılarak benzerlik ölçümü yapılmıştır. Karakterler ve herhangi bir örüntü belirlemede bir sorun olduğu iki takım arasındaki benzerlik derecesini ölçme yöntemi ile bulunmuştur [4].
Yapılan çalışmada farklı uzaklıklardan, farklı açılarla ve günün faklı saatlerinde çekilmiş düzleme paralel olmayan plakaları da tanıyabilecek bir program geliştirilmiştir. Elde edilen araç görüntülerinden plaka aday bölgeleri tespit edilip plaka olabilecek bölge Otsu eşikleme metodu kullanılarak çıkartılmıştır. Daha sonra sütun toplam vektörleri kullanılarak karakter ayrıştırma işlemi yapılmıştır. Ayrıştırılan karakterler olasılık tabanlı Yapay Sinir Ağı (YSA) ile tanınmıştır. Çalışmada Matlab programı kullanılmıştır.
Rattanathammawat ve Chalidabhongse tarafından 2006’da yayımlanan çalışma ise özel kenar belirleme, kenar piksel yayılımına dayalı plaka yeri belirleme ve zamansal analizlerle yanlış belirlemeleri yok etme olmak üzere üç ana basamaktan oluşmuştur. Plaka bölgesi daha çok dikey kenar içerdiği için dikey Sobel kenar detektörü kullanılmıştır. Sistemi aydınlatma koşullarındaki farklılıklara karşı güçlendirmek için değişken eşik değerleri kullanılmıştır. Plaka bölgesi belirlenirken yatay ve düşey tarama yapılmıştır. Son olarak da aday bölgedeki görüntüler zamana bağlı olarak karşılaştırılıp uyumlulukları kontrol edilmiştir [5].
Anahtar sözcükler: Plaka tanıma, Otsu eşikleme, YSA
1.
GİRİŞ
Plaka tanıma sistemi, akıllı trafik sistemlerinde kullanılan önemli tekniklerden biridir. Site, alışveriş merkezi, market, sınır ve gümrük giriş çıkışlarında, otoyollarda vb. yerlerde güvenliği arttırmak amacıyla kullanılmaktadır.
YSA çok tercih edilen başarı oranı yüksek bir yöntemdir. Raust ve Kreftt tarafından 1996’da YSA kullanılarak araç park yeri sorununa ve araç takibine bir çözüm bulmaya çalışılmıştır [6]. Sirithinaphong ve Chamnongthai tarafından 1998’de dört katmanlı ağda geri yayılım algoritmasıyla eğitilmiş YSA kullanılarak aday bölgeler arasından plaka bölgesi belirlenmiştir [7]. 1999’da Park vd. tarafından YSA’nın filtre gibi kullanılması özelliğinden faydalanılarak plaka tanıma sistemi çalışmaları yapılmıştır. Plaka bölgesi belirlemede gecikmeli sinir ağları (time-delay NN) yatay ve dikey filtre gibi kullanılmıştır. Bu iki sinir ağı da geri yayılım algoritmasıyla eğitilmiştir. YSA’nın avantajının yüksek performansta sonuç vermesi olduğu açıklanmıştır [8].
1998 yılında El-Adawi vd. plaka tanıma metotlarını inceleyip yeni bir algoritma geliştirmişlerdir. Bu çalışmada öncelikle plaka bölgesinin çıkartılmasında gri seviyeye indirgenmiş görüntüyü ikili sisteme çevirmek için genel eşik değeri hesaplanmıştır. Her bir gri seviye bu değerle karşılaştırılarak büyük veya küçük olma durumuna göre ‘1’ ve ‘0’ değerlerini almıştır. Algoritmada eşik değeri sabit seçilmiştir. Düşey ve yatayda çekirdek (kernel) evrişimi tabanlı ince kenar dedektörü kullanılmıştır. Fakat dalgacıklanma olan yerlerde bozulmalar olacağından görüntüde genleşme (dilation) yapılmıştır. Sonra plaka bölgesi olamayacak bölgeler çıkartılıp kalan düşey ve yatay çizgilere görüntü bölütleme 9
Aynı mantıkla 2000’de Kim vd. tarafından plaka bölütleme kısmında geri yayılım algoritmasıyla eğitilen zaman gecikmeli sinir ağları yatay ve düşey filtre gibi kullanılmıştır [9]. 2003’te Jianfeng vd. tarafından etkili plaka bölgelerinde hataya aday olabilecek yerleri çıkaran renk analiz metodu kullanarak bir çalışma yapılmıştır. YSA ise piksel rengini tanımlamada sınıflandırıcı olarak kullanılmıştır [10]. Broumandnia ve Fathy tarafından 2004’te plaka bölgesi bulmada çok katmanlı geri yayılım algoritmasıyla eğitilmiş YSA kullanılmıştır. Karakter tanıma kısmında ise Fars ve Arap örüntüleri Latin örüntülere göre daha zor olduğu için geri yayılım algoritmasıyla Fars rakamları öğretilmiş YSA ile çalışılmıştır [11]. Ganapathy ve Lui tarafından 2006’da park sistemlerini geliştirmek için yapılan çalışmada geri yayılım algoritmasıyla eğitilmiş YSA kullanılarak karakter tanıma işlemi gerçekleştirilmiştir [12]. 2009’da Hsieh vd. tarafından yapılan çalışmada her bir karakter geri yayılım algoritması kullanılarak bulunmuştur [13]. 2010’da Wang ve Li tarafından yapılan çalışmada öncelikle gelişmiş geri yayılım algoritmasının genel en iyi arama yetenekleri kullanılarak sinir ağı ağırlıkları ve düğüm eşikleri optimize edilmiştir. Geri yayılım algoritmasında sinir ağının kolayca yerel minimuma gitmesi problem olduğu için yavaş yakınsamasını çözebilen momentum öğeleri tanıtılmıştır. Sonra denemeler yapılıp sonuçlarına bakıldığında bu metodun hızlı ve istikrarlı bir sinir ağı yakınsaması yapabildiği ve plaka karakterleri için hızlı ve doğruluğu kesinleşmiş sonuçlar alabildiği görülmüştür [14]. Bu çalışmada, üç aşamadan oluşan yeni bir plaka tanıma sistemi geliştirilmiştir. Bildiride bu sistemin ayrıntıları yer almaktadır. 2. bölümde plaka bölgesinin çıkarılması, 3. bölümde karakterlerin ayrıştırılması, 4. bölümde karakterlerin tanınması aşaması, kullanılan yöntemler ve Matlab sonuçlarıyla anlatılmıştır. Son olarak 5. bölümde sonuçlar ve gelecek çalışmalarla ilgili bilgi verilmiştir. Plaka bölgesinin çıkartılmasında Otsu eşikleme, filtreleme ve etiketleme işlemleri uygulanmıştır, böylece plaka olabilecek alanlar ön plana çıkmıştır. Daha sonra çıkartılan plaka bölgesi üzerinden karakterlerin ayrıştırılması işlemi yapılmıştır, bu aşamada Sütun Toplam Vektörleri kullanılmıştır. Son olarak karakterlerin tanınması aşamasında, ayrıştırılmış olan karakterler ile eğitilen olasılık tabanlı YSA kullanılmıştır.
2.
PLAKA BÖLGESİNİN ÇIKARTILMASI
Yapılan çalışmada farklı aydınlık seviyelerde, farklı uzaklıklarda, düzleme paralel olmayan plaka bölgesine sahip, önden ve arkadan çekilmiş 193 araç görüntüsünden oluşan zengin bir veritabanı kullanılmıştır. Şekil 1’de yapılan çalışmada kullanılan araç görüntülerinden oluşan veritabanından örnekler verilmiştir. Plaka tanımada, plaka bölgesinin çıkartılması aşaması ilk ve en önemli kısımdır. Daha sonraki aşamalar çıkartılmış olan plaka bölgesi üzerinde yapılmaktadır. Eğer plaka bölgesi yanlış ise geri kalan aşamaların hiçbir önemi kalmaz, o alan üzerindeki işlemlerden istenen sonuç alınamaz ve o araç görüntüsü için yanlış tanıma yapılır, bu da sistemin başarısını düşürür.
Şekil 1. Veritabanındaki araç görüntü örnekleri
Yapılan çalışmada gri seviyeye indirgenmiş görüntüler üzerinde çalışılmıştır, böylece renk bilgisinin karmaşıklığı ile taşınan fazla ve anlamsız bilgiler ortadan kalkmıştır. 10
Filtreleme, Otsu eşikleme, etiketleme ve kapama işlemleri uygulanarak plaka bölgesi elde edilmiştir. Plaka bölgesinin çıkartılmasına ilişkin akış diyagramı Şekil 2’dedir.
Şekil 4. Bottom-Hat filtre uygulanmış görüntü
Daha sonra gri seviye görüntüler üzerinde uygulanabilen eşik tespit yöntemi olan Otsu eşikleme yöntemi kullanılmıştır. Görüntü ikili seviyeye çevrilmiştir, elde edilen görüntü Şekil 5’tedir. Otsu eşikleme yönteminin tercih edilme sebebi, alınan her gri seviye görüntünün çevresel faktörler yüzünden parlaklığının farklı olması ve seçilen eşik değerinin de bu doğrultuda değişken olarak belirlenebilir olması ihtiyacından kaynaklanmaktadır. Otsu’nun bölgesel eşikleme algoritması, kendi içinde ağırlıklandırılmış ve sınıflandırılmış varyansı minimize edecek şekilde çalışmaktadır, böylece bu sınıfların kovaryansını maksimize etmektedir [15].
Şekil 2. Akış diyagramı
Veri tabanından rastgele seçilen araç görüntüsü üzerinden yapılan çalışmadaki işlemler sonuçlarıyla birlikte, sırayla anlatılmaktadır. Renkli görüntüler 16 milyon renk bilgisine sahiptir, bu yüzden öncelikle görüntü gri seviyeye indirgenmektedir. Şekil 3’teki gri seviye görüntüye Bottom-Hat filtre uygulanarak Şekil 4’teki görüntü elde edilmiştir, böylece plaka olabilecek alanlar ön plana çıkartılmıştır.
Şekil 5. Otsu eşikleme uygulanmış görüntü
Elde edilen bu ikili görüntüler sınıflandırmanın yapılabilmesi için öbekler halinde ayrı renklerde etiketlenir, etiketlenen görüntü Şekil 6’dadır. Etiketleme işleminde birbiriyle komşu olan noktaların etiketlenmesi önem taşır. Böylece etiketlenen her bölgenin boy, genişlik, en-boy oranı, alan ve görüntü içerisindeki koordinat bilgileri bulunur. Daha sonra kapama işlemi uygulanarak Şekil 7’deki görüntü elde edilip plaka aday bölgesi alanı tespit edilmiştir.
Şekil 3. Gri seviye araç görüntüsü
11
Şekil 6. Etiketleme işlemi uygulanmış görüntü
Şekil 8. Plaka bölgesinin dikdörtgen forma çevrilmesi
Elde edilen dikdörtgen alanın görüntüden çıkartılmasıyla plaka bölgesi görüntüden çıkartılmış olup, karakterlerin ayrıştırılması aşamasına geçilmektedir.
3.
KARAKTERLERİN AYRIŞTIRILMASI
Bu aşamada çıkartılan plaka bölgesi üzerinden işlem yapılmaktadır. Örnek olarak veritabanından rastgele seçtiğimiz araç görüntüsünden çıkartılan plaka bölgesi Şekil 9’dadır. Bu görüntünün sütun toplam vektörleri (STV) grafiği kullanılarak karakter ayrıştırma işlemi yapılmaktadır. STV grafiği yardımıyla iki minimum nokta arası bir karakterdir kabulü ile karakterlerin sınırları belirlenmektedir. Ancak bazen karakter haricinde, temizlenemeyen gürültüler de grafikte bir değer alabilir, bu yüzden karakterlerin alabileceği minimum değer baz alınarak sınır değer kabulü yapılır, o değerin altında kalan değer karakter olamaz kabulüyle de o alanların değeri sıfırlanır. STV grafiği Şekil 10’dadır.
Şekil 7. Kapama işlemi uygulanmış görüntü
Gerçek hayatta düzleme paralel plaka bölgesine sahip araç görüntüleri elde etmek zor olabilir, bu yüzden kullanılan veritabanında plaka bölgesinin düzlemle açısı sıfır olmayan görüntüler de kullanılmıştır. Kullanılan görüntülerde plaka alanları düzleme paralel olmadığı için, bu alanların düzleme paralel hale getirilmesi gerekmektedir. -45 ve +45 derece arasında eğimi olan plaka alanının eğimini 0 dereceye getiren kodlar yardımıyla bu işlem gerçekleşmiştir. Her bir karakterin orta noktası belirlenip, belirlenen noktalar birleştirilmiş ve düzleme paralel hale getirilmiştir. Böylece plaka bölgesi de düzleme paralel olmuştur.
Şekil 9. Plaka bölgesi
Kapama işleminden sonra elde edilen alan düzleme paralel hale getirilip dikdörtgen forma getirilmiştir ve Şekil 8 elde edilmiştir. Gerçek hayatta plaka bölgeleri dikdörtgen formada olduğu için kapama işleminden sonra bu işlem uygulanmaktadır.
Şekil 10. STV grafiği 12
STV grafiği yardımıyla karakterlerin sağdan ve soldan sınırları belirlenir, satır toplam bilgileriyle de karakterlerin üstten ve alttan sınırları belirlenir. Şekil 11’de plaka bölgesi üzerinde sınırları belirlenmiş karakterler görülmektedir. Daha sonra bu sınırlar arasında kalan karakterler görüntüden çıkarılır böylece ayrıştırılmış olan karakterler elde edilir.
tanınmıştır.
Şekil 12. Ayrıştırılmış karakter örnekleri
5.
Uygulamanın başarısı bu aşamada öngörülen oranlardadır. Her bir plaka için kaç saniyede işlem yapıldığı da Matlab programıyla hesaplatılmaktadır, program her bir plakayı ortalama 0,1 saniyede tanımaktadır.
Şekil 11. Karakterlerin ayrıştırılması
Karakter ayrıştırma aşamasının başarısı da sistem başarısına doğrudan etki etmektedir, eğer sınırlar yanlış belirlenir ve tanıma kısmının tanıyamayacağı zorlukta karakterler ağa girdi olarak verilirse, başarı oranı çok düşer. Bu yüzden karakter ayrıştırma aşamasının başarısı da yüksek oranlarda tutulmalıdır.
4.
SONUÇLAR VE GELECEK ÇALIŞMALAR
Yapılan çalışmanın başarısı % 90’lardadır. Her aşama için başarı oranını arttıracak yöntemler geliştirilip, bu oran % 100’lere yaklaştırılabilir. Kullanılan görüntülerde plaka düzlemi -45,+45 derece arası yataya paralel olabilir, uygulamada bunu çevirecek kodlar mevcuttur. Kullanılan veritabanının çeşitliliği de çalışmanın başarısını ortaya koymaktadır. Çekilen görüntülerin uzaklıkları birbirinden farklıdır, üzerinde gölge olan, ışık açısı ve miktarı farklı olan önden ve arkadan çekilmiş 193 adet araç görüntüsünden oluşmuş bir veritabanı ile çalışılmıştır.
KARAKTERLERİN TANINMASI
Karakterlerin tanınmasında YSA (Yapay Sinir Ağı) kullanılmıştır. YSA genel anlamda insan beyninin fonksiyonlarından olan öğrenme ile yeni bilgiler elde edebilme yeteneğini herhangi bir yardım almadan otomatik olarak gerçekleştirmek amacıyla geliştirilen bilgisayar sistemleri olarak tanımlanabilir.
Plaka bölgesinin çıkartılması aşamasında Tablo 1’de görüldüğü gibi 193 görüntünün 186 tanesinde başarı sağlanmıştır. Plaka bölgesinin çıkartılmasında başarı oranı % 96.4’tür. Amaçlandığı gibi yüksek bir başarı sağlanmıştır ve uygulamanın başarısına da büyük katkısı olmuştur.
YSA’nın işleyişine dayanan başka bir tanım ise ilk ticari YSA’nın geliştiricisi olan Hecht-Nielsen’e ait “YSA dışarıdan gelen girdilere dinamik olarak yanıt oluşturma yoluyla bilgi işleyen, birbiriyle bağlantılı basit elemanlardan oluşan bilgi işlem sistemidir” tanımıdır [16].
Çıkarılan 186 plaka bölgesinden 162 tanesi doğru tanınmıştır, plaka tanıma başarısı da % 87,1’dir. Bir karakterin dahi yanlış tanınması o plakanın yanlış tanınmasına sebep olmaktadır. Tablo 1’den görüldüğü gibi 1437 karakterin 1368’ü doğru tanınmıştır. Karakter tanıma başarısı ise % 95’tir.
Bu çalışmada olasılık tabanlı YSA kullanılmıştır. Olasılık tabanlı YSA yapıları 1990 yılında Donald Specht tarafından önerilmiştir. Bu tip sinir ağları birçok sınıflandırma probleminin çözümünde kullanılmaktadır. Giriş, örüntü, toplama ve çıkış olmak üzere dört katmandan oluşan bir yapısı vardır. Giriş nöron sayısı diğer ağlarda olduğu gibi problem giriş sayısına bağlıdır. Ara katman sayısı ise, örnek sayısı kadardır. Gizli katmanda bulunan veri işleme elemanları, toplam mevcut sınıfı sayısı kadar alt gruba ayrılır. Her veri işleme elemanı karşı geldiği sınıfı ifade eden bir Parzen penceresini gösterir. Sahip olduğu ağırlık değeri söz konusu pencerenin ağırlık merkezini ifade eder. Toplama katındaki nöron sayısı, çıkış sayısının bir fazlasıdır. Bu ağ yapılarında öğrenme hızlıdır ve az sayıdaki veri ile etkin olarak kullanılabilirler.
TABLO 1. Sonuçlar Toplam araç görüntüsü
193
Doğru bulunan plaka bölgesi
186
Doğru tanınan plaka
162
Yanlış tanınan plaka
24
Doğru tanınan karakter
1358
Yanlış tanınan karakter
79
Gelecek çalışmalarda tanıma kısmında farklı ağlar da denenecektir. YSA plaka tanımanın diğer aşamalarında da kullanılabilir.
Şekil 12’deki ayrıştırılmış karakter örnekleri vardır. Kullanılan 193 adet araç görüntüsündeki plaka bölgesinden elde edilen ayrıştırılmış karakterler ağa eğitilmek üzere girdi olarak verilmiştir. Eğitilen ağ sayesinde veritabanından rastgele seçilen araç görüntüsünden ayrıştırılan karakterler
6.
KAYNAKÇA
[1] Mohamed El-Adawi, Hesham Abd el Moneim Keshk, 13
Mona Mahmoud Haragi., “Automatic License Plate Recognition”, IEEE Transactions on Intelligent Transport Systems, vol. 5, 2004, pp. 42- 53.
License Plate Localization And Recognition System”, Journal of Systemics, Cybernetics and Informatics, Vol. 6, No. 1, 2008 (selected from the best 10% papers presented in WMSCI 2007 conference).
[2] B. L. Lim, W. Yeo, K. Y. Tan, C. Y. Teo, “A Novel DSP Based Real-Time Character Classification and Recognition Algorithm For Car Plate Detection and Recognition”, Proceedings of ICSP’98, Vol. 2, 1998, pp. 1269-1272.
[13] C. Hsieh, L. C. Chang, K. M. Hung, H. C. Huang, “A Real-Time Mobile Vehicle License Plate Detection and Recognition For Vehicle Monitoring And Management”, 2009.
[3] D. M. Emiris, D. E. Koulouriotis, “Automated Optic Recognition of Alphanumeric Content in Car License Plates in a Semi-Structured Environment”, Proc. Int. Conf. Image Processing, Vol. 3, 2001, pp. 50–53.
[14] Z. Wang, S. Li, “Research and Implementation for Vehicle License Plate Recognition Based on Improved BP Network”, IEEE International Conference on Computer and Communication Technologies in Agricultural Engineering, 2010, pp. 101-104.
[4] R. Juntanasub, N. Sureerattanan, “Car License Plate Recognition through Hausdorff Distance Technique”, Proc. of ICTAI’05 IEEE, 2005, pp. 607-612.
[15] H. Boztoprak, “Gerçek Zamanlı Taşıt Plaka Tanıma Sistemi”, Yüksek Lisans Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta, 2007.
[5] P. Rattanathammawat, T. H. Chalidabhongse, “A Car Plate Detector using Edge Information”, IEEE, ISCIT’06, 2006, pp. 1039-1043.
[16] M. Caudill, “Neural Network Primar Part 1”, AI Expert, December, 1998, p. 47.
[6] M. Raust, L. Kreftt, “Reading Car License Plates by the Use of Artificial Neural Networks”, IEEE Proceedings of the 38th Midwest Symposium on Circuits and Systems, 1995, pp. 538-541.
ÖZGEÇMİŞ Figen Özen, lisans, yüksek lisans ve doktora öğrenimini Boğaziçi Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü’nde tamamladı. Doktora çalışmaları sırasında New Jersey Institute of Technology’de dersler alıp, araştırma yaptı. Master ve doktora tezlerini Robot kontrolü konusunda yazdı. Boğaziçi Üniversitesi’nde ve New Jersey Institute of Technology’de araştırma görevlisi, Koç Üniversitesi’nde öğretim görevlisi olarak çalıştı. Halen Haliç Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü’nün tam zamanlı, İstanbul Teknik Üniversitesi Matematik Mühendisliği Bölümü’nün yarı zamanlı öğretim üyesidir. İşaret ve görüntü işleme konularında araştırmalar yapmaktadır.
[7] L. Sirithinaphong, K. Chamnongthai, “Extracting Of Car License Plate Using Motor Vehicle Regulation and Character Pattern Recognition”, IEEE, 1998, pp. 559–569. [8] S. H. Park, K. I. Kim, K. Jung and H. J. Kim, “Locating Car License Plates Using Neural Networks”, Electronics Letter, Vol 35, No 17, 1999, pp. 1475-1477. [9] K. K. Kim, K. I. Kim, J.B. Kim, H. J. Kim, “LearningBased Approach For License Plate Recognition”, Proceedings of IEEE Signal Processing Society Workshop, Vol. 2, 2000, pp. 614-623. [10] X. Jianhfeng, L. Shaofa, C. Zhibin, “Color Analysis for Chinese Car Plate Recognition”, IEEE International Conference on Robotics, Intelligent Systems and Signal Processing, 2003, pp. 1312-1316.
Fikriye Öztürk, 1989’da Nazilli/Aydın’da doğdu. 2007’de Nazilli Anadolu Öğretmen Lisesi’nden mezun oldu. Haliç Üniversitesi Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği bölümünü 2011’de birincilikle bitirdi. URSİ 2010’da “Oyuklu Mikroşerit Yama Anten” isimli çalışmasını sundu. Halen Turkcell A.Ş.’de PAF Takımında çalışmaktadır.
[11] A. Broumandnia, M. Fathy, “Application of Pattern Recognition For Farsi License Plate Recognition”, ICGST, 2005, www.icgst.com. [12] V. Ganapathy, W. L. D. LUI, “A Malaysian Vehicle
14
3G ve 4G MOBİL İLETİŞİM SİSTEMLERİNDE BAZ İSTASYONU ANTENLERİ GELİŞİMİ Dr. Cahit Karakuş1, Dr. Mehmet Fatih Demirkol2 1
İstanbul Kültür Üniversitesi 2 Avea olmaktadır. Artan kapasite ihtiyaçlarını uygun maliyetler ile karşılayabilme yolunda bir sonraki önemli fayda sağlayacak çözüm akıllı anten teknolojisidir. Hem alıcı hem de verici tarafta kullanılan antenlerin ışıma yönlerini, işaretin gürültüye oranını artıracak şekilde karşılıklı olarak birbirlerine odaklanmaları üzerine yapılan çalışmalar akıllı antenlerin temelini oluşturmaktadır.
Anahtar sözcükler: GSM, Mobil iletişim, Baz istasyonu, Yönlü antenler, MIMO, Dizi antenler, Işıma huzmesi yönlendirilmesi.
Özet 3G mobil haberleşme sistemi, cep telefonunu sadece konuşma amaçlı olmaktan çıkarıp, yerini video ve multimedia içeren geniş bant veri servislerinden mobil olarak faydalanmayı sağlayan cihazlara bırakmıştır. Mobil veri trafiği hızla büyümekte olup bazı gelişmiş pazarlarda ses trafiğinin fazlasıyla üstüne çıkmıştır. Mobil kullanım ve uygulamalardaki hızlı veri isteği GSM operatörlerinin şebeke kapasitelerini hızlı şekilde genişletme uğraşı içerisine sokmuştur. Bu yayında gezgin telefon olarak da adlandırılan mobil erişim hizmetlerini veren GSM operatörlerin baz istasyonlarında kullandıkları antenlerin gelişimi ve teknik özellikleri anlatılmıştır. Geleceğin anteni olarak adlandırılan antenlerde ışıma huzmesi yönlendirilmesi konusu detaylı olarak açıklanmıştır.
1.
Bu bildiride, gelişen yeni nesil mobil iletişim ağlarında kapsama ve kapasite artırımını amaçlayan anten teknolojisi gelişmelerinden ve akıllı anten kullanımlarından bahsedilecektir. Bölüm II’de günümüzde kullanılan sektör antenlerinin özellikleri ve GSM’in doğuşundan bu yana izlenen teknolojik gelişmeler özetlenecektir. Bölüm III’de, akıllı antenler ve MIMO (Multiple-Input MultipleOutput) sistemlerin geniş bantlı mobil iletişim sektöründe uygulamaları hakkında bilgi verilecektir. Bölüm IV ise sonuç bölümüdür.
2.
GİRİŞ
BAZ İSTASYON ANTENİ ÖZELLİKLERİ VE GELİŞİMİ
Günümüzde kullanılan baz istasyon antenleri genellikle dipol dizilimleri, baktıkları yönde kazanç sağlayan dizi ya da bir yansıtıcı yüzeyden odak ta kazanç sağlayan yönlü antenlerdir. Antenlerin kazançları ve ışıma diyagramları kullanılan tekniklere bağlıdır.
GSM operatörleri artan kapasite ihtiyacını karşılayabilmek için baz istasyonu yoğunluğunu artırma, istasyon başına sektör sayısını artırma, taşıyıcı ekleme ya da bant genişliğini artırma ve daha yeni erişim teknolojilerini servise sunma gibi çözümler uygulamaktadırlar. Operatörler, menzili tipik olarak 2 ile 5 km olan makro kapsamalı istasyonların yerine özellikle yoğun nüfuslu yerlerde menzili 200m’ye kadar düşen mikro istasyonlar kurarak hücre yoğunluğunu, kapasiteyi ve veri hızlarını artırmaya yönelmişlerdir. Ayrıca küçük iş yerlerinde ve evlerde femto hücreler devreye alınmaya başlayarak şebeke üzerindeki veri trafiği yükünün hafifletilmesi amaçlanmaktadır. Baz istasyonu başına hücre sayısı da ilk GSM şebekelerinde tek iken, günümüzde, yoğun nüfuslu ve sinyalin açısal saçılımının düşük olduğu ortamlarda 6 sektör kullanılmaya başlanmıştır. Dünyanın birçok yerinde 4G adı da verilen mobil geniş bant hizmeti veren LTE (Long Term Evolution) servisi de hizmete alınarak yüksek veri hızları sağlanmaya başlanmıştır.
GSM mobil hizmetlerin çalışma frekansı ve bant genişliği: İlk GSM antenleri 890-960 MHz bandı için tasarlanmışken EGSM (Extended GSM) bandının da eklenmesi ile desteklenen bant 880-960’a, son olarak LTE açılımıyla birlikte 790-960’a çıkmak zorunda kalmıştır. Üst bantta ise günümüzde çoğu anten hem GSM 1800, hem de UMTS 2100 bantlarını içeren 1720-2170 MHz aralığını desteklemektedir. Çoklu sistem kullanımı ve operatörler arası paylaşımın yaygınlaşması ile her iki bandı destekleyen çoklu girişli antenler üretilmektedir. Anten ışıma diyagramı, ışıma alanı gücünün, antenden uzak bir mesafeden 3 boyutta ölçümüdür. Aynı zamanda antenin kendine gelen sinyali boşlukta elektromanyetik dalga olarak yayılım yapabilme ve boşlukta yayılım yapan elektromanyetik dalgaları da kapabilme özelliğini de gösterir. GSM baz istasyonlarında, ilk yıllarında kullanılan antenler yatayda her yöne eşit yayılım yaparken, daha sonraları sektörel antenler ile tipik bir baz istasyonu ile 3 ayrı sektör oluşturarak
Baz istasyonlarında kullanılan anten teknolojisi de, mobil iletişim sektörünün ihtiyaçları doğrultusunda gelişmektedir. Kapasite büyüten hücresel şebeke teknikleri, baz istasyonlarının yoğunlaşması ile ışımayı tanımlı bölge içinde tutma ihtiyacı, ve tek radom içinde daha fazla işlev entegre etme gibi faktörler anten gelişiminde tetikleyici 15
(daha yüksek anten kazançları sayesinde) istasyon başına kapsama genişletilmiş, (yönlü ışıma sayesinde de) hücre başına kapasite ihtiyacı da azaltılmıştır. Mecvut şebekelerde ihtiyaca göre 30-120 derece arasında yatay hüzme açıklığına sahip antenler kullanılmaktadır. Yönlü antenler istenen alanı kapsayabilmesi için gücü belli yönlere yoğunlaştırarak yayılım yapacak şekilde tasarlanır. Şekil 1’de örnek bir üç boyutlu ışıma diyagramı, Şekil 2’de ise örnek iki boyutlu yatay ve dikey ışıma diyagramı kesitlerinin çizimleri verilmiştir.
Eğim (tilt): Işımayı yere doğru yönlendirerek kapsamayı ve hücreler arası etkileşimi kontrol etmek için kullanılır. Anten eğimi kullanılarak, bir hücredeki sinyal seviyesi iyileştirilebilir ve anten ışıma örüntüsünün daha iyi yönlendirilmesi ile diğer hücrelere yayılan girişim azaltılabilir. 3G şebekelerinin gelişmesi ile birlikte, bir elektrik motoru aracılığıyla eğim uzaktan ayarlanabilir hale getirilmiştir. 3G UMTS sisteminde frekans planlaması olmadığından ve kullanıcı yükü de kapsamayı etkilediğinden, hücrelerin kapsama ve birbiriyle örtüşme alanları şebekenin performansını büyük ölçüde etkiler. Hücreler arası örtüşmenin el değiştirmede (handover) aksama yaratmadan en aza indirilmesi için eğimin en iyi şekilde ayarlanması, hatta gün içindeki kullanım yoğunluğuna göre ayarların değiştirilebilmesi şebekenin kapasitesini büyük ölçüde artırır. Anten eğimlerinin en iyi şekilde seçilmesi %15–50 kapasite kazancı sağlayabilir [2].
Antenin yanlarından ve arkasından da ışıma yapması hücreler arası istenmeyen girişimlere neden olmaktadır. Bu nedenle kullanılacak antenlerde kenar lobların bastırılmış olması ve anten arkası ışınım zayıflaması, ya da ön-arka oranının (Front-to-Back Ratio, FBR) yüksek olması önem kazanmıştır.
Polarizasyon çeşitliliği olan ya da çok bantlı antenlerin içerisinde aslında birden fazla anten dizilimi olduğundan bu antenlerin farklı polarizasyonları ya da bantları arasında da yalıtım seviyesi önemli bir parametredir. Tipik olarak 30 dB’den fazla olması beklenir. Farklı taşıyıcı ya da banttaki iki sinyalin doğrusal olmayan sistemler üzerinden geçerken karışarak istenmeyen RF sinyalleri Pasif Inter-Modülasyon oluşturur. Yükseltici, birleştirici, bağlantı noktalarında olduğu gibi antenlerde de önemli önemli sorun teşkil edebilir. Anten tasarım, üretim ve test süreçlerinde dikkat edilmesi gereken önemli etkenlerden biridir.
Şekil 1. Üç boyutlu ışıma örüntüsü.
3.
(a)
AKILLI ANTENLER VE MIMO
Uyarlamalı (akıllı) anten sistemleri, birden fazla anten bileşeninin sinyallerini uyarlamalı sinyal işleme algoritmaları kullanarak birleştirerek antne ışımasına çevre ve kullanıcı şartlarına göre değişebilen özellik sağlar. Kablosuz iletişimde akıllı antenler kanal kapasitesini ve spektrum etkinliğini artırma, kapsama alanını genişletme, verici gücünü düşürme, girişimi engelleme, sinyal yayılımında sönümlenme etkisini azaltma, bit hata oranı ve servis kesilmesi olasılığını azaltma amaçlarıyla kullanılabilir. İletişim bağlantısının her iki tarafında çoklu anten sistemi kullanılmasıyla elde edilen çok girdili çok çıktılı (Multiple-Input Multiple-Output, MIMO) bağlantılar aynı bant genişliğinde anten sayısı ile orantılı kapasite artışı sağlar.
(b)
Şekil 2. İki boyutlu ışıma örüntüleri: (a) yatay, (b) düşey.
Son zamanlarda yoğun nüfuslu alanlarda istasyon başına sektör sayısı 3 sektörden 6 sektöre çıkararak yeni kapsama hücreleri eklenmesi ile hücre başına kullanıcı sayısı dengelenmeye çalışılmaktadır. Bunun için 30-45 derece hüzme açılı ve birden fazla hüzmeli (multi-beam) antenler tasarlanmıştır. Fakat kapsama alanlarının örtüşmesindeki artış sebebiyle tam olarak iki kat kapasite elde edilemez. Ayrıca özellikle yol kapsamalarında sık hücre değişimleri (handoff) istenmeyen bir etkidir. Sektör sayısını üçten altıya çıkarmak sinyalin açısal saçılımının düşük olduğu ortamlarda yaklaşık %70 kapasite artışı sağlar [1].
Akıllı anten avantajlarından mevcut teknoloji ile faydalanmanın en kolay yolu çoklu sütun dizi antenler kullanmaktır. Bu yapı, mevcut sektörel antenler sektör başına birden fazla kullanılarak sağlanabilir. Ancak, birden fazla antenin yanında, her bir anten için ayrı radyo alıcı-verici zinciri ve sinyal işleme yeteneği gerektirir. Uygun boyut ve maliyetlerde, alıcı-verici zinciri sayısını artırmadan ışıma hüzmesini ayarlayabilmek için yön, eğim ve hüzme açıklığı uyarlanabilir antenler tasarlanmıştır. Akıllı anten ve MIMO teknolojilerden en etkin şekilde faydalanabilmek için ise her bir anten bileşeni ile bir alıcı-verici zincirinin entegre olduğu aktif anten sistemleri gereklidir.
Kapasite ve kapsamayı en iyi şekilde sağlayabilmek için birden fazla anten kullanma ihtiyacı ile birlikte çapraz polarizasyonlu (±45°) antenler yaygınlaşmıştır. Tek bir radom içinde birbirine dik ışıma yapan iki anten dizini sağlayan çapraz polarizasyon ile ışıma yönünde birleştirici kaybının önüne geçilir, alıcı yönünde ise anten çeşitliliği (diversity) sağlanır. 16
a. Çoklu sütun dizi antenler Çoklu sütun dizi antenler ışıma huzmesini uyarlamalı olarak biçimlendirme, baz istasyonu ile cep telefonu arasındaki bir uçtan bir uça iletişim bağlantısını verimli hale getirilmesini sağlayan gelişmiş çoklu anten tekniği olarak kabul edilir (Şekil 3). Uyarlanmalı ışıma huzmesini biçimlendiren antenlerin temel mimarisi alıcı ve verici iletişim kısımların ayrıldığı ışıma elemanlarının çoklu sütunundan meydana gelir. Her bir alıcı-verici yolu alıcı ve verici işaretlerinin genlik ve fazlarını ayarlama yeteneğine sahiptir. Özellikleri; • Düzlemsel dizi – ışıma yapan parçalardan çok sütun • Yatay ışıma huzmesi kontrolü sayısal işaret işleme teknolojileri ile yapılmaktadır. • Bir cep telefonu tek bir huzme takip eder. • İşaretin gürültüye oranını artırır, girişim sinyallerini önler. • V-pol 4,6 ve 8 li sütun antenler WiMax uygulamalarında kullanılır. • Sütunlar arasında λ/2 boşluk bırakılır. • Besleme kablolarındaki genlik ve faz değişimlerini elimine etmek için kalibrasyona gereksinim vardır.
b.
Işıma hüzmesi yapılandırılabilen antenler
Şekil 4’te hüzmesi dikey ve yatay olarak yönlendirilebilen, hüzme açıklığı değiştirilebilen bir ürün örnek olarak gösterilmiştir. Ürünün özellikleri: • • • • • •
Pasif ışıma hüzmesi kontrolü 1-yönlü standart ışıma eğimi (RET) kontrollü anten 2-yönlü ışıma huzmesini kaydırır – yatay düzlemdeki ışıma huzmesini yönlendirir. 3-yönlü ışıma huzmelerini yelpaze biçiminde açar – yatay düzlemde ışıma genişliğini ayarlar. Kapasite artımı sağlar, ağı optimize ede ve trafik yükünü dengeler. Dinamik kapsama alanı ayarlamaları trafik dağılımına yanıt verecek şekilde yapılır.
Şekil 3. Uyarlamalı dizi antenler [1]. Şekil-4. Işıma hüzmesini yapılandırılabilen antenler [3].
Şekil 5. Aktif anten dizini [1]. 17
c.
Aktif anten sistemleri
d.
Günümüzde kullanılan pasif baz istasyon antenlerinde vericiden gelen sinyal, eş eksenli kablo ile anten elemanlarına dağıtılır. Aktif anten sistemlerinde ise her bir elemana entegre edilmiş bir radyo alıcı-verici devresi bulunur. Büyük bir verici yükselticisi yerine her bir antene bağlı daha küçük yükseltici ve filtreler kullanılır (Şekil 5). Bu şekilde, anten elemanları sayısal sinyal işleyici tarafından uyarlanabilir ağırlık ve fazlarla birleştirilebilir. Dolayısıyla, hem yatay hem de dikey yönde istenilen şekilde hüzme oluşturulabilir. Bu teknoloji ile baz istasyonu da küçültülerek tamamen anten içine sığdırılacaktır. Ayrıca, radyo besleme kablolarında sinyal gücü kaybını da engelleyerek daha etkin kapsama sağlar.
MIMO sistemler
Hem verici hem de alıcıda çoklu anten elemanları kullanan MIMO sistemler yeni nesil kablosuz haberleşme sistemlerinin kapasitesini artırmada önemli bir basamaktır (Şekil-6). MIMO sistemler [4,5,6], elektromanyetik yayılım ortamında saçılım etkisini kullanarak aynı bant genişliği içerisinde aynı anda birden fazla sinyalin iletilmeini sağlar. İletilen sinyallerin farklı yayılım yolları ile alıcıya ulaşarak sinyaller arası ilintinin düşük olması MIMO sistemlerden sağlanan avantajı artırır. Etkili frekans spektrumu kullanımına olanak sağlayan bu sistemler sınırlı bant genişliği içerisinde yüksek kanal kapasitesi sağlamaktadır.
Şekil 6. MIMO sistemleri.
18
Şekil 7. 3GPP standardında akıllı anten ve MIMO kullanım algoritması [6].
Akıllı anten ve MIMO teknikleri 2008’de 3GGP standartlarına eklenmiştir. Baz istasyonu ve kullanıcı terminalindeki antne sayıları, kullanıcı sayısı ve taşıma kanalı ile ilgili gerekli bilgilerin alıcıya geri beslemesinin sağlanmasına göre kullanılacak yöntem Şekil 7’de özetlenmiştir.
4.
May 2010. 2. J. Niemela, T. Isotalo, “Optimum antenna downtilt angles for macrocellular WCDMA network,” EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, pp. 816-827, 2005. 3. http://docs.commscope.com/Public/SmartBeam_ BSA_ANS.pdf 4. “Layered space-time architecture for wireless communication in fading environments when using multielement antennas”, Foschini, G. J., Bell Labs Techn. J., pp. 41–59, Autumn 1996. 5. “On limits of wireless communications in a fading environment when using multiple antennas”. Foschini, G. J., ve Gans, M., Wireless Personal Communications, vol. 6, pp. 311–355, March 1998. 6. “MIMO Transmission Schemes for LTE and HSPA Networks,” 3G Americas Whitepaper, June 2009.
SONUÇ
Mobil veri trafiğinin hızlı artış beklentisi, operatörleri iletişim ağlarındaki veri taşıma kapasitesini artırma zorunluluğuna sokmuştur. Bu yönde en önemli çözümlerden biri akıllı anten ve MIMO teknolojilerinin hücresel şebekelerde uygulanmasıdır. Bildiride, baz istasyon antenlerinde, GSM’in ilk yıllarından itibaren mobil iletişim sektörünün ihtiyaçları doğrultusunda görülen gelişmeler özetlenmiş, 3G ve 4G sistemlerinde kullanılmak üzere geliştirilmekte olan akıllı anten ve MIMO teknolojileri hakkında bilgi verilmiştir.
5.
KAYNAKÇA
1. “MIMO and Smart antennas for 3G and 4G Wireless Systems”, Practical Aspects and Deployment Considerations,
19
ÖZGEÇMİŞ
2002 ile 2007 yılları arasında pek çok kurum ve kuruluşun ağ iletişim alt yapılarını projelendiren ve kurulumlarında görev alan Dr. Karakuş, 2007 ile 2009 yılları arasında “Kent Güvenliği Projelendirme” çalışmalarında bulunmuştur. 2007 yılından itibaren Telekom ve Savunma projelerinde uzman olarak çok sayıda kurum ve kuruluşa danışmanlık hizmetleri veren Dr. Karakuş, anten tasarımı ve kestirim yapan akıllı algılayıcılar konusunda çalışmalarına devam etmektedir.
Dr. Cahit KARAKUŞ
[email protected] 13.05.1960 tarihinde Malatya’nın Yeşilyurt ilçesinde doğan Dr. Cahit Karakuş, haberleşme ve savunma sektörlerinde 27 yıllık deneyime sahiptir. Dr. Karakuş, geniş band ışıma yapan anten tasarımı ve gerçek zamanlı kestirim yapan kablosuz akıllı algılayıcılar konularında uzmandır. 1984 yılında İTÜ Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği bölümünden mezun olan Dr. Karakuş; 1987 yılında aynı üniversitede yüksek lisansını, 1995 yılında ise doktorasını tamamlamıştır. 1985 ile 1987 yılları arasında İTÜ Elektromanyetik ve Mikrodalga ana bilim dalında araştırma görevlisi olarak çalışmıştır. Halen İstanbul Kültür Üniversitesinde öğretim görevlisi olarak Bilgisayar ve Ağ Teknolojileri, Mikrobilgisayar Sistemleri ve Assembler derslerini vermektedir.
Dr. Karakuş; akıllı kablosuz algılayıcılar, uzaktan davranışların manipüle edilmesi ve elektromanyetik silahlar, çevreci akıllı evler ve stratejik davranış geliştirmede tehditlerin analizi konularında çeşitli üniversitelerde konferanslar vermiştir. Mehmet Fatı̇ h DEMİRKOL M. Fatih Demirkol lisans derecesini 1998’de University of Southern California, Los Angeles, CA, ABD’den, Electric Mühendisliği üzerine almıştır. Yüksek lisans ve doktora derecelerini ise, sırasıyla 2000 ve 2003’te, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA, ABD’den, Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği’nde almıştır.
1988 ile 2000 yılları arasında Nortel – Netaş’ da yazılım ve donanım mühendisi olarak haberleşme sistemlerinin tasarımında çalışan Dr. Karakuş, kablosuz haberleşme sistemlerinde kullanılan anten buluşundan dolayı teknoloji ve yaratıcılık ödülüne layık görülmüştür.
2003-2007 yılları arasında University of Hawaii, HI, ABD’de Yardımcı Doçent olarak çalışmıştır. Araştırma alanları kablosuz ve mobil haberleşme ve haberleşme için sinyal işleme üzerine yoğunlaşmıştır. 2007’den beri mobil haberleşme sektöründe çalışmaktadır.
2000 ile 2002 yılları arasında COMSAT firmasında uydu yer istasyonlarının planlanma ve kurulumunda uzman olarak görev alan Dr. Karakuş, yurt içinde ve dışında şirketler için çok sayıda uydu link kurulumu yapmıştır.
20
GETEK giris:AYDIN_ACEMI.qxp 14.10.2011 14:23 Page 10
II. OTURUM OTURUM BAŞKANI: Esra DÜNDAR > Sempozyum Düzenleme Kurulu Üyesi BALIK KUYRUKLU HİDROFOİLLERİN HİDRODİNAMİK ANALİZİ . . . . . . . . . . . . . . . .23 Şakir BAL (İstanbul Teknik Üniversitesi) HEKZAGONAL BOR NİTRÜR VE ENERJİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27 Gökçe Mehmet AY (Bortek) Nuran AY (Anadolu Üniversitesi) IV. NESİL NÜKLEER REAKTÖRLERDE ULTRASONİK NDT YÜKSEK SICAKLIK PİEZOELEKTRİK MALZEMELER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33 Sinem Üzgür (Ondokuz Mayıs Üniversitesi)
BALIK KUYRUKLU HİDROFOİLLERİN HİDRODİNAMİK ANALİZİ Şakir Bal İstanbul Teknik Üniversitesi, Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi, Maslak, İstanbul TÜRKİYE Tel: 212 285 64 85 GSM: 537 334 77 85 E-Posta:
[email protected] Özet
yüzeyinde uygulanması ile bir integral denklem elde edilmiştir. Bu integral denklem daha sonra hidrofoil yüzeyi panellere bölünerek ayrıklaştırılmıştır. Herbir panel üzerinde sabit şiddetli kaynak ve duble dağılımı varsayılmıştır. Kinematik sınır şartının ve integral denklemin kullanılması ile kaynak ve duble tekilliklerine ait şiddetler hesaplanabilmiştir [6, 7]. Daha sonra hidrofoil üzerindeki hız dağılımı, bu tekilliklerin indükledikleri akım alanı ile ve basınç dağılımı da Bernoulli denklemi ile bulunabilmiştir. Hidrofoilin hücum açısı değiştirilerek hem boyutsuz kaldırma kuvveti katsayısı hem de kavitasyon kovası oluşturulabilmiştir.
Bu çalışmada, gemi inşaatı ve deniz endüstrisi alanlarında son yıllarda sık olarak kullanılmaya başlayan ve gelecekte de çok sık kullanılacağının olası kuvvetli işaretlerini veren balık kuyruğuna benzer çıkış uçlarına sahip hidrofoillerin hidrodinamik performansları ve karakteristikleri sayısal olarak incelenmiştir. Bilindiği üzere, özellikle mevcut gemilere takılan yalpa finleri ve dümen kesitlerinde, bu tür balık kuyruğuna benzer geometriler kullanılmaktadır. Yakın gelecekte, bu tür kesitlerin daha da yaygınlaşarak başka alanlarda da uygulamalarının olabileceği konuyla ilgili yapılan ve artarak devam eden araştırma ve yayın sayılarından anlaşılabilir. Bu tür balık kuyruklarının ana kullanım nedenlerinden biri, aynı hücum açısında benzerlerine göre, hidrofoilin kaldırma kuvveti değerini önemli ölçüde arttırmasıdır. Ayrıca, balık kuyruklu hidrofoillerin kavitasyon karakteristikleri de oldukça iyileşmektedir. Benzerlerine göre daha geniş bir kavitasyon kovasına sahip olup, kavitasyon daha gecikmeli oluşmakta ve/veya ötelenmektedir. Bu çalışmada, balık kuyruğu tipi çıkış ucuna sahip hidrofoillerin kaldırma kuvveti ve kavitasyon karakteristikleri sayısal olarak incelenmiş ve klasik hidrofoillerle karşılaştırmalı analizler yapılmıştır. Yakın gelecekte, çok büyük bir olasılıkla uygulama alanları genişleyerek artacak olan bu tip hidrofoillerin benzerlerine göre avantaj ve dezavantajları tartışılmıştır.
Resim 1. Balık kuyruklu bir dümen.
Anahtar sözcükler: Hidrofoil, balık kuyruğu, kavitasyon
1.
GİRİŞ
Bilindiği üzere, insanoğlunun bugünkü teknoloji düzeyi ve birikiminde, doğa temel esin kaynaklarından biri olmuştur ve halen de olmaya devam etmektedir. Günümüz sualtı ve suüstü taşıtlarında kullanılmaya başlayan ve yakın gelecekte de bu kullanımının yaygınlaşarak artacağından kuşku duyulmayan balık kuyruklu hidrofoil uygulaması, bu durumun çok açık bir örneğini oluşturmaktadır. Bu tür balık kuyruklu hidrofoiller, gemilerde kullanılan yalpa finlerinde, dümenlerde sık sık uygulanmakta ve sualtı insansız araçların sevkinde bir alternatif olarak ortaya çıkmaktadır [1-5]. Resim 1-3’ de değişik balık kuyruk türlerine ait dümen uygulamaları gösterilmiştir. Bu çalışmada, balık kuyruklu hidrofoillerin hidrodinamik performansı (boyutsuz kaldırma kuvveti katsayısı ve kavitasyon kovası) incelenmiştir. Bunun için, potansiyel temelli bir panel yönteminden faydalanılmıştır [6]. Panel yöntemi Dirichlet tipidir. Green toereminin hidrofoilin
Resim 2. İkiz balık kuyruklu dümen.
Yöntem, NACA0012 hidrofoiline ve bundan türetilmiş 23
bir simetrik ve bir asimetrik balık kuyruklu hidrofoile uygulanmıştır. Her üç hidrofoil için de 10 derecelik hücum açısına kadar hidrodinamik performans incelenmiştir. Boyutsuz kaldırma kuvveti katsayısı hidrofoil hücum açısının bağlısı olarak hesaplanmış ve üç hidrofoilin değerleri kendi aralarında karşılaştırılmıştır. Ayrıca, her üç hidrofoil için kavitasyon kovaları da hesaplanmış ve gerekli karşılaştırmalar yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar tartışılmıştır.
dipole ve kaynak dağılımları yapılarak ayrıklaştırılmış hale getirilebilir. Yine, hidrofoil yüzeyinde kinematik cisim şartı da sağlanmalıdır. Kinematik cisim şartının uygulanması ile kaynak şiddetleri, , gelen akımın hızı cinsinden aşağıdaki gibi yazılabilir: (4) Burada, n yukarıda belirtildiği üzere cisimden akışkana yönlendirilmiş birim normal vektördür. Ayrıca, hidrofoil çıkış ucunda (izler kenarında) Kutta şartı sağlanmalıdır. Yani, hız burada sonlu olmalıdır:
(5) Kutta şartı, Morino’nun uyguladığı koşula benzer olarak kullanılabilir, [8, 9]. Bu konuda Green fonksiyonunun ve ilgili sayısal yöntemin ayrıntılı yakınsaklık analizleri [8, 10] numaralı kaynaklarda verilmiştir. Burada tekrardan kaçınmak için ayrıntılara girilmemiştir. Resim 3. Balık kuyruklu (kesit çıkış uçlarına düz levha eklenmiş) diğer bir dümen uygulaması.
2.
3.
SAYISAL BULGULAR
Sayısal panel yöntemi, NACA0012 kesitinden elde edilmiş bir balık kuyruklu hidrofoile uygulanmıştır. Hidrofoil üzerindeki panel saysı N=90 olarak alınmıştır. Bütün hesaplamalarda bu sayı muhafaza edilmiştir. Zira, yakınsaklık analizlerinden bu sayının yeterli olduğu görülmüştür. Şekil 1’de NACA0012 kesiti ve bu kesitten elde edilen balık kuyruklu hidrofoil gösterilmektedir. Şekil 1’den görüleceği üzere, balık kuyruklu hidrofoil kiriş boyunun %75’ine kadar (X/C=0.75) NACA0012 geometrisine sahiptir. Daha sonra çıkış ucuna kadar hafif bir şişkinlik değerine sahip olmaktadır. Buradaki balık kuyruğu simetrik balık kuyruğudur. Bu simetrik kuyruk, hidrofoilin alt tarafındaki şişkinlik atılarak asimetrik hale de getirilmiştir. Şekil 2’ de ise, hem simetrik hem de asimetrik hidrofoile ait geometriler gösterilmektedir.
MODELLEME
Düzgün ve daimi akıma maruz iki boyutlu hidrofoil etrafındaki akım, potansiyel temelli bir panel yöntemi ile çözülebilir. Hidrofoil etrafındaki akımın hız alanı için aşağıdaki şu yaklaşım yapılabilir: (1) I I Burada, V akımdaki toplam hız, U gelen düzgün akımın hızı ve pertürbasyon hızıdır. Pertürbasyon potansiyeli, akış alanı içerisinde Laplace denklemini sağlamalıdır:
(2)
0.1
Green teoreminin hidrofoil üzerinde üzerinde uygulanması ile aşağıdaki denklem yazılabilir:
0.05 0
Y/C
-0.05 -0.1
(3)
-0.15
Burada, p hidrofoil üzerindeki kontrol noktaları ve q ise tekilliklerin bulunduğu kontrol noktalarıdır. G fonksiyonu G(p;q) = ln [R(p;q)] ise Green fonksiyonudur. R(p;q), p ve q noktaları arasındaki mesafe ve n ise cismin yüzeyinden akışkana doğru yönlendirilmiş birim normal vektördür. SH hidrofoil yüzeyini göstermektedir. Yukarıdaki 3 numaralı integral denklem hidrofoil yüzeyi üzerinde sabit şiddetli
NACA0012 Bal k Kuyruklu
-0.2 -0.25 -0.3
0
0.25
0.5
X/C
0.75
Şekil 1. NACA0012 kesiti ve balık kuyruklu hidrofoile ait geometriler ve hesaplarda kullanılan paneller. 24
1
1.5 0.1
1.4 NACA0012 Simetrik Asimetrik
1.3
0
1.2 1.1
Y/C
-0.1
Simetrik Bal k Kuyrugu
-0.2
1 0.9 0.8
CL
-0.3
0.7
-0.4
0
0.25
0.5
0.75
X/C
0.6
1
0.5 0.4
0.1 0.05
0.3
0
0.2
-0.05
Y/C
-0.1
0.1
-0.15
Asimetrik Bal k Kuyrugu
-0.2
0
-0.25
0
2
4
6
8
(o)
-0.3
10
12
-0.35 -0.4
0
0.25
0.5
0.75
X/C
1
Şekil 4. NACA0012, simetrik ve asimetrik balık kuyruklu Şekil 2. Simetrik ve asimetrik balık kuyruklu hidrofoillere ait geometriler.
hidrofoillere ait boyutsuz kaldırma kuvveti değerleri. 10
Daha 8sonra bu üç hidrofoile ait kavitasyon kovaları hesaplanmıştır. Şekil 5, 6 ve 7’de bunlar gösterilmiştir. 6 Şekil 5 ve 6’ya dikkatli bakılırsa, hemen hemen aynı ve 4 simetrik kova oldukları anlaşılabilir. Kovanın içi kavitasyon NACA0012 2 yapmayan bölgedir. Ancak Şekil 7’ye bakılırsa, kovanın asimetrik ve diğer Kavitasyon iki kovadan farklı olduğu görülecektir. 0 Olmayan Bölge Örneğin, Şekil 5 ve 6’da, CP = -4.0 değeri için kavitasyon -2 hücum açısı yaklaşık 7° civarında çıkmakta iken, Şekil 7’ -4 de kavitasyon hücum açısı 8°’den biraz büyük çıkmaktadır. Diğer -6bir deyişle, asimetrik balık kuyruğuna sahip hidrofoil için kavitasyon yapma açısı daha büyük olmakta ve -8 kavitasyon geciktirilmiş olmaktadır. -10 o
()
Sayısal yöntem bu üç hidrofoile uygulanarak önce hidrofoil üzerindeki basınç dağılımları hesaplanamıştır. Şekil 3’ de, 5°’lik hücum açısında hesaplanan boyutsuz basınç değerleri gösterilmektedir. Görüldüğü üzere, özellikle asimetrik balık kuyruklu hidrofoil için hidrofoil çıkış ucuna yakın bölgede basıç farkı artmaktadır. Bu da aynı hücum açısında asimetrik balık kuyruklu hidrofoilin kaldırma kuvvetinin daha fazla olacağını belirtir. Bu özellik, Şekil 4’de çok daha açıı olarak görülmektedir. Bu şekilde her üç hidrofoile ait boyutsuz kaldırma kuvveti katsayıları hücum açısının bağlısı olarak verilmektedir. Aynı hücum açısında, asimetrik balık kuyruğuna sahip hidrofoilin kaldırma kuvveti değeri diğer iki hidrofoilden daha fazladır. Bu bütün hücum açıları için de böyledir.
-1
0
1
2
-CP
3
4
5
6
Şekil 5. NACA0012 kesiti için kavitasyon kovası.
2.5
2
NACA0012 Simetrik Asimetrik
10
1.5
8 6
-CP
1
4
0.5
Simetrik Kuyruk
o
()
2
0
Kavitasyon Olmayan Bölge
0 -2
-0.5
-1
-4 0
0.25
0.5
X/C
0.75
-6
1
-8 -10 -1
Şekil 3. NACA0012, simetrik ve asimetrik balık kuyruklu idrofoiller etrafındaki basınç dağılımı.
0
1
2
-CP
3
4
5
6
Şekil 6. Simetrik kuyruğa sahip hidrofoil için hesaplanan kavitasyon kovası. 25
[5] M.A. MacIver, E. Fontaine, J.W. Burdick, “Designing Future Underwater Vehicles: Principles and Mechanisms of the Weakly Electric Fish”, IEEE Journal of Oceanic Engineering, 29, 2004, 651-659.
10 8 6 4 2
(o)
[6] S. Bal, S.A. Kinnas, H. Lee, “Numerical Analysis of 2-D and 3-D Hydrofoils Under a Free Surface”, Journal of
Asimetrik Kuyruk
Ship Research, 45, 2001, 34-49.
Kavitasyon Olmayan Bölge
0
[7] S. Bal, “Prediction of Wave Pattern and Wave Resistance of Surface Piercing Bodies by a Boundary Element Method”, International Journal for Numerical Methods in Fluids, 56, 2008, 305-29.
-2 -4 -6
[8] S.A. Kinnas, C.Y. Hsin, “A Boundary Element Method for the Analysis of the Unsteady Flow around Extreme Propeller Geometries”, AIAA Journal, 30, 1992, 688-696.
-8 -10 -1
0
1
2
3
-CP
4
5
6
7
[9] L. Morino, C.C. Kuo, “Subsonic Potential Aerodynamic for Complex Configurations: A General Theory”, AIAA Journal, 12, 1974, 191-197.
Şekil 7. Asimetrik kuyruğa sahip hidrofoil için kavitasyon kovası.
4.
TARTIŞMA VE SONUÇLAR
[10] J. Katz, A. Plotkin, Low Speed Aerodynamics, 2nd Edition, John Wiley and Sons Inc., USA, 2001.
Bu çalışmada, balık kuyruklu hidrofoillerin kaldırma kuvveti değerleri ve kavitasyon kovaları incelenmiştir. Günümüzde gemi yalpa finleri ve dümen kesitlerinde kullanılan bu tür hidrofoillerin, gelecekte daha sık ve daha yaygın olarak (sualtı insansız araçları da dahil) uygulama alanı bulacakları değerlendirilmektedir. Bunun da en önemli sebeplerinden biri, bu tür hidrofoillerin hidrodinamik performanslarının benzerlerine göre oldukça pozitif olmasıdır. Bu çalışmanın sonuçları şu şekilde özetlenebilir:
ÖZGEÇMİŞ: Prof. Dr. Şakir Bal, 1996 yılında İstanbul Teknik Üniversitesi’nden Gemi Hidrodinamiği konusunda doktora derecesi almıştır. 1995-1996 yılları arasında Helsinki Teknoloji Üniversitesi, Gemi Labratuvarı Bölümü’nde ziyaretçi araştırmacı olarak, 1998-1999 yılları arasında Austin Texas Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacı olarak bulunmuştur. Prof. Bal, yine, Austin Texas Üniversitesi’nde 2005 yılında ziyaretçi öğretim üyesi olarak ve yine 2005 yılında Newcastle Üniversitesi Emerson Kavitasyon Tüneli’nde de ziyaretçi profesör olarak araştırma çalışmalarına katılmıştır. 2009 yılından beri İstanbul Teknik Üniversitesi Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi’nde tam zamanlı öğretim üyesi olarak araştırma ve eğitim çalışmalarına devam etmektedir. Prof. Bal, “Gemi Hidrodinamiği”, “Gemi Hareket ve Manevraları”, “Teknik Resim”, “FORTRAN”, “Yüksek Süratli Tekne Dizaynı”, “Gemilerin Hidrodinamik Dizaynı”, “Gemi Sevki” derslerini lisans düzeyinde, “Gemi Pervanelerinin Hidrodinamiği”, “Gemi Hidrodinamiğinde Sınır Elemanları Yöntemleri” derslerini yüksek lisans düzeyinde vermektedir. Bu dersleri değişik dönemlerde İstanbul Teknik Üniversitesi’nde, Yıldız Teknik Üniversitesi’nde, Karadeniz Teknik Üniversitesi’nde, Deniz Harp Okulu’nda ve Liege Üniversitesi’nde (Belçika) vermiş ve vermektedir. Prof. Bal’ın 18 tanesi uluslararası olmak üzere toplam 25 adet hakemli dergilerde yayınlanmış makalesi ve 12 tanesi uluslararası olmak üzere toplam 19 adet konferans bildirisi mevcuttur. 1 adet de kitap bölüm yazarlığı bulunmaktadır. Prof. Bal, ayrıca çok sayıda hem ulusal hem de uluslararası araştırma raporları yayınlamıştır. Prof. Bal, 2006-2011 yılları arasında ISOPE (International Society of Offshore and Polar Engineers) Teknik Komite Üyeliği yapmıştır. 1989 yılından beri TMMOB Gemi Mühendisleri Odası ve 2000 yılından beri de SNAME (Society of Naval Architects and Marine Engineers) üyesidir. Çok sayıda araştırma projesi yürütücülüğü ve ayrıca lisansüstü tez danışmanlığı gerçekleştirmiş ve gerçekleştirmektedir.
Asimetrik balık kuyruklu hidrofoil 10°’ye kadar bütün hücum açılarında daha yüksek kaldırma kuvveti üretebilmiştir. Asimetrik balık kuyruklu hidrofoil, simetrik benzerine göre daha geniş kavitasyon kovasına sahiptir. Bu ise, olası kavitasyonun daha geç olacağı (gecikeceği) demektir. Asimetrik balık kuyruklu hidrofoil, diğerlerine göre daha derin bir kavitasyon kovasına sahiptir. Diğer bir deyişle daha düşük kavitasyon sayılarında kavitasyon olamdan bu hidrofoil çalışabilir demektir. Yakın gelecekte kullanım sıklığının yaygınlaşarak artacağı düşünülen balık kuyruklu hidrofoillerin daimi olmayan karakteristikleri de sözkonusu bu yöntemle incelenebilir. Bu da gerçekleştirilme aşamasındadır.
5.
KAYNAKÇA
[1] M.S. Triantafyllou, G.S. Triantafyllou, D.K. Yue, “Hydrodynamics of Fishlike Swimming”, Annual Review of Fluid Mechanics, 32, 2000, 33-53. [2] J.O. Dabiri, “On the Estimation of Swimming and Flying Forces from Wake Measurements”, Journal of Experimental Biology, 208, 2005, 3519-3532. [3] M. Hultmark, M.C. Leftwich, A.J. Smis, “Flowfield Measurements in the Wake of a Robotic Lamprey”, Experiments in Fluids, 43, 2007, 683-690. [4] K.D. von Ellenrieder, K. Parker, Soria, “Flow Structures behind a Heaving and Pitching Finite-Span Wing”, Journal of Fluid Mechanics, 490, 2003, 129-138. 26
HEKZAGONAL BOR NİTRÜR VE ENERJİ Gökçe Mehmet Ay1, Nuran Ay2 1
BORTEK Bor Teknolojileri ve Mekatronik Ltd.Şti., Esk.OSB Teknoloji Böl. Eskişehir, Türkiye Tel: 222 236 21 13 GSM: 533 652 80 08 E-posta:
[email protected] 2 Anadolu Üniversitesi, Müh. Mim. Fak., İkieylül Kampüsü, Eskişehir, TÜRKİYE Tel: 222 021 65 50 GSM: 535 548 58 94 E-posta:
[email protected]
Özet Enerji maliyetlerindeki sürekli yükseliş, birçok sektörde enerji tasarrufu ve enerjinin verimli kullanımı üzerine çalışmalar yapılmasına yol açmıştır. Enerji kayıplarının önemli bir kısmı sürtünme ile oluşmaktadır. hBN, sürtünme katsayısının düşüklüğü ve ısıl özelliğiyle sürtünmeyi azaltma araştırmalarının en baştaki bileşiği olmuştur. Bu çalışmada hekzagonal bor nitrürün günümüzde nerelerde kullanıldığı, araştırmaların kapsadığı alanlar ve ülkemizin hekzagonal bor nitrür üretimindeki yeri ele alınmıştır. Anahtar sözcükler: Enerji, Sürtünme, Hekzagonal bor nitrür
1.
Şekil 2 1960 2020 arası dünya araç sayısı [1]
GİRİŞ
Örneğin, içten yanmalı motorlar pek çok kara, deniz taşıma araçlarının kalbi olup güvenliği ve performansı açısından tercih nedenidir. Bu motorlarda sürtünme ve ısı kaybı ile hesaplanan teorik enerjinin bir kısmının kullanılamaması sonucu verimlilik düşmektedir. Motorlarda ve şanzımanlarda sürtünmenin ve aşınmanın azaltılması ile ABD de 120 milyar dolarlık tasarruf sağlanacağı hesaplanmıştır [5]. Araçların hareketli parçaları arasında oluşan sürtünmenin ve aşınmanın azaltılması ile üretilen enerjinin daha verimli kullanılması çok sayıda çalışmanın konusunu oluşturmaktadır [6].
Dünya nüfusunun 2050 yılında 9,3 milyar olacağı tahmin edilmektedir (Şekil 1). Nüfusun artmasına paralel olarak kullanılan enerjinin 2025 yılına kadar her yıl %1,7 büyüyeceği, daha sonra ise nüfusun artma hızından daha büyük bir hızla artacağı beklenmektedir. Bunlara bağlı olarak taşıma işlerinde kullanılan araç sayısının da büyüyeceği ve 2020 yılında 1 milyar 116 milyona ulaşacağı ve az gelişmiş ülkelerdeki araç sayısının çok hızla artarak gelişmiş ülkelerin araç sayısına yaklaşacağı ifade edilmektedir (Şekil 2)[1]. Gelecek için tasarlanan hibrid ve elektrikli araçların kullanılması düşünülse bile petrol türevlerini kullanan araçlardan vazgeçilemiyeceği ortaya konulmaktadır. Bu verilerin sonucunda enerji ve çevre konusundaki araştırmaların yoğunlaşacağı öngörüleri oluşmaktadır [2,3].
Sürtünme kayan ya da yuvarlanan yüzeylerde etkiyen, harekete direnç gösteren veya hareketi engelleyen mekanik kuvvettir. Geçmiş dönemlerde tekerler, at arabası milleri ve inşaatta taş blokları arasında yağlayıcı kullanılmıştır. Yağlamanın Sümer ve Mısır uygarlıklarından beri (3500 ila 5000 yıl önce) kullanıldığı bilinmektedir [7]. 2007 yılı verilerine göre araştırmalar batılı kalkınmış ülkelerde yağlama tam uygulanabilse GSMH’dan %0,4 tasarruf sağlamanın mümkün olacağını ortaya koymaktadır [8]. Katıların temasında sürtünme ve aşınmayı önlemede kullanılan filmin geliştirilmesi ile ilgili konular yağlama başlığı altında araştırılmaktadır. Sürtünme, ince bir film ile kayma mukavemeti düşük gaz, sıvı, katı malzemeler kullanılarak yüzeylerin düzgün hareketi sağlanarak azaltılabilir. Birbiri üzerinde hareket eden yüzeyler arasında oluşan filmlerin sürtünme katsayıları değişkendir. Sürtünme katsayısı ile yağlama durumu ilişkilidir ve Şekil 3’de yağlayıcı filmlerin kalınlık oranı ( Summerfield number) ile sürtünme katsayısı arasındaki ilişki görülmektedir. Değişik motor parçaları farklı yağlamaya göre çalışarak kabul edilen performansa ulaşmaktadırlar. Genellikle rulmanlar
Şekil 1 1750 ile 2150 arası dünya nüfusu değişimi [1]
Enerji tasarrufu ve emisyonların azaltılmasının önem kazandığı günümüzde, enerjinin önemli bir kısmı sürtünmeyle kaybedilmektedir. Sürtünme kayan ya da yuvarlanan yüzeylerde etkiyen, harekete direnç gösteren veya hareketi engelleyen mekanik kuvvettir ve enerjinin kayıp sebebidir [4] 27
hidrodinamik yağlama ile çalışmakta ve yüzeyler yağ filmi ile birbirinden ayrılmaktadır. Düşük hızlarda, kalkış ve duruşta yağ filmi kesilerek metal metale temas etmektedir. Piston segmanlarında ve şanzımanlarda ise karışık ve sınır yağlama şartları geçerlidir. Burada asıl amaç karışık ve sınır yağlama koşullardaki sürtünme katsayısını aşağıya çekmektir. Sürtünme katsayısını düşürmek için motor parçaları arasında yağlayıcılık görevi yapan yağlayıcılar (motor yağları) kullanılmaktadır. Tek başına motor yağları kullanıldığında karışık ve sınır yağlama şartlarında hareketli motor parçaları arasındaki yağ film çok incelmekte hatta kesilmektedir, bunun sonucunda hareketli yüzeylerde metaller birbirine temas etmektedir. Bunu önlemek için motor yağına çeşitli katkılar ilave edilmektedir. Bu katkılardan; motor yağı ile reaksiyona girmemeleri, kalıntı bırakmamaları, filtreyi tıkamamaları, oluşan sıcaklığa dayanmalar, metal yüzeyinde korozyona neden olmamaları, eksoz gazında çevreye zarar verecek emisyon yaymamaları ve motor performansını artırmaları beklenmektedir. Beklentilerin karşılanması için çeşitli bileşikler denenmektedir. Bazılarının istenen tüm özellikleri sağlayamadığı tespit edilmiştir.
çalışmalar sonucunda birçok malzeme bulunmuş olsa da araştırmalar MoS2 ve grafit kullanımı üzerine yoğunlaşmıştır. MoS2 ve grafitin katı yağlayıcılık özelliği hekzagonal yapılarıyla ilişkilidir [7]. Tablo 1: Katı yağlayıcılar [8] Grafit
Seryum florid
Grafit florid
Baryum hidroksit
Molibdenyum disülfid
Kadmiyum klorid
Molibdenyum diselenid
Kobalt klorid
Tungsten disülfid
Ziryonyum klorid
Tungsten diselenid
Kurşun klorid
Niyobyum disülfid
Kurşun iyodid
Niyobyum diselenid
Bor nitrür
Tantalyum disülfid
Gümüş sülfat
Tantalyum diselenid
Boraks
Titanyum disülfid
Talk
Titanyum diselenid
Mika
3.
Bor Nitrür, bor ve azot elementlerinin 1:1 oranında oluşturduğu yapay bir bileşiktir. Kimyasal formülü BN olup, karbonun polimorfları ile aynı kristal yapıya sahip olan üç farklı kristal yapıda bulunmaktadır. Kristal yapıları; hekzagonal yapıya sahip olan hekzagonal bor nitrür (hBN), yüksek basınç altında sentezlenen sıkı paket hekzagonal würtzitik bor nitrür (wBN) ve yüksek sıcaklık yüksek basınç şartları altında elde edilen sıkı paket kübik yapıdaki kübik bor nitrürdür (cBN). Her bir kristal yapısındaki bor nitrürün özellikleri farklıdır [20-22].
Şekil 3 İçten yanmalı motor parçaları için yağlama rejimleri ve sürtünmeyle olan ilişkileri [6]
Sadece motor parçalarında değil otomotiv, tekstil ve mikromekanik sistemler[9 - 15], biyomekanik sistemlerde [16] de yağlayıcıların etkileri incelenmektedir. Makinelerin gelişmesi ve yüksek çalışma hızları, artan sıcaklık ve yüksek basınçlı sistemler yağlamaya daha da fazla ihtiyaç duyulmasına sebep olmaktadır[17]. İçten yanmalı motorlarda kullanılan yağ özellikleri üzerinde yapılan çalışmalar hala sürmektedir [18]. 1916’da Maxwell otomobillerinin yağı her gün ya da 100 milde bir değiştirilmesi gerekmekteyken [19], günümüzde otomobil yağlarını 30.000km ve daha uzun süre kullanılabilmektedir.
2.
BOR NİTRÜR
Dünyada sınırlı sayıda şirket tarafından üretimi gerçekleştirilen BN, çeşitli yöntemlerle üretilmektedir. Üretimle ilgili bilgiler teknolojiye sahip olanlar tarafından gizli tutulmaktadır. BN ilk kez 19. yüzyılın ortalarında (1842 yılında) Balmain tarafından bor oksidin NaCN ile ısıtılması sonucu elde edilmesine rağmen 20. yüzyılın ortalarında (1950) sıcak preslenmiş hBN üretilene kadar laboratuvar malzemesi olmaktan ileri gidememiştir[23]. Hekzagonal Bor Nitrür tabakalı kristal yapısına sahip, tabakalardaki atomlar arasında güçlü kovalent bağlı ancak tabakalar arasında zayıf Van der Waals bağları olan (Şekil 4) yapay bir malzemedir [24]. Kristal yapısı ve bazı özellikleri grafite benzediği için beyaz grafit olarak adlandırılmaktadır. hBN yoğunluğu 2,0 ile 2,28 g/cm3 arasındadır. Lattice parametreleri a= 300oK’de 2,5040oA , c ise 6,6612oA ölçülmüştür. Bulk modulü 300oK’de 36,5GPa, sertliği Mohs ölçeğinde 1,5’dir [25]. Oksitleyici koşullarda 900oC’ye kadar bozulmadan özelliklerini korumaktadır. Hekzagonal bor nitrür sahip olduğu özellikleri nedeniyle metal sektöründen kozmetik sanayine kadar farklı uygulama
YAĞLAYICILAR
Yağlayıcılar, sıvı (petrol bazlı ya da sentetik yağlar) ve katı yağlayıcılar olarak sınıflandırılabilir. Katı yağlayıcılar sıvı yağlayıcıların teknolojik veya ekonomik olarak kullanılmasının mümkün olmadığı ya da sıvı yağlayıcıların özelliklerinin geliştirilmesi istendiğinde kullanılmaktadır. Bir çok malzeme ve kaplama katı yağlayıcı grubunda sayılmaktadır. Bu yağlayıcılar arasında en çok kullanılanı katı yağlayıcılar Tablo 1’de verilmiştir . Uzay ve havacılık endüstrisinin ihtiyaçları doğrultusunda katı yağlayıcılar konusunda araştırmalar 1950’lerden itibaren artmıştır. Bu 28
Sanayi ve Ticaret Bakanlığı SAN-TEZ projesi desteği ile nano boyutlu hBN (Şekil 6) üretilmiş. Nano boyutlu olarak üretilen hekzagonal bor nitrür motor yağı ve motorla etkileşime girmeyen, filtreleri tıkamayan, herhangi bir kimyasal reaksiyon oluşturmayan ve bozulmayan, sürtünmeyi ve aşınmayı azaltan özellikleriyle yağ katkısı olarak BORONMAX adlı ürünler geliştirilmiştir. BORONMAX ürünleri çeşitli testlere tabi tutularak özellikleri ve performansı belirlenmiştir.
alanlarında kullanılmaktadır. Hekzagonal bor nitrür ergimiş metaller ve cüruflar tarafından ıslatılmamakta ve mükemmel katı yağlayıcı özellik göstermektedir. Ayrıca düşük sürtünme katsayısı, yüksek ısı iletimi ve elektrik yalıtkanlığı p [ ] özelliklerine de sahiptir[26-27].
Şekil 6. hBN’nin SEM görüntüsü
Şekil 4 Hekzagonal Bor Nitrürün Kristal Yapısı
Sürtünme katsayısını ve yüke dayanımını belirlemek amacıyla İ.T.Ü. de ASTM D 5183-05’e göre teste tabi tutulmuştur. Katkısız motor yağı ile BORONMAX katkılı motor yağı 392 N yük altında 1 saat testten sonra katkısız yağın sürtünme katsayısı 0,14 iken, BORONMAX katkılı yağın sürtünme katsayısı 0,12 olarak tespit edilmiştir.
Grafitten farklı olarak hBN tabakalar arasında yağlayıcılık için su veya gaz kalmasını gerektirmez. Bu özelliği sayesinde vakumda da yani uzay çalışmalarında da katı yağlayıcı olarak kullanılabilmektedir [28]. Dünya bor rezervinin %75 ni sahip olan ülkemiz bor uç ürünlerinde yeterli pazara sahip değildir ve pazar payını geliştirmek için çok sayıda araştırmanın yapılması gerekmektedir. Yaklaşık 250 bor bileşiğinden biri bor nitrürdür. Bor nitrürün ticari olarak kullanılan iki farklı formu ( hBN ve cBN ) vardır. Türkiye’de sanayi ölçeğinde 2006 yılına kadar üretilemeyen hekzagonal bor nitrür, Anadolu Üniversitesi öğretim üyesi Prof.Dr. Nuran AY tarafından kurulan 4691 sayılı kanun kapsamında faaliyet gösteren BORTEK Bor Teknolojileri ve Mekatronik San. Tic. Ltd. Şti.’ce Ulusal Bor Araştırma Enstitüsünün (BOREN) desteği ile üretilmeye başlanmıştır. Şekil 5’de BORTEK tarafından üretilen hBN görülmektedir.
Yük 490 N çıkarıldığında katkısız yağın sürtünme katsayısı ani olarak artmış ve yağlayıcı film kesilerek metal metale temas edip aşınma izi oluşmuştur. BORONMAX içeren yağda ise aynı yük altında sürtünme katsayısında değişim olmamış ve aşınma görülmemiştir. BORONMAX katkılı yağ üzerindeki yük 588 N çıkarıldığında belirli bir süre sonunda sürtünme katsayısının arttığı ve aşınmanın oluştuğu gözlenmiştir (Tablo 1). Bu durum yükün artması durumunda BORONMAX katkılı yağın sınır ve karışık şartlarda sürtünme katsayısını düşürerek yağlama görevini yapmaya devam ettiğini göstermektedir. Sonuç olarak, katkılı yağın sürtünme katsayısında %14 azalma, yük dayanımında da %20 bir artma gözlenmiştir [29].
Tablo BORONMAX Tabl Ta abl bloo 1. 1. Katkısız Kat atkı atk kısı sız vee B sız OR RON ONMA ONMA MAX AX katkılı katk katk ka tkıl tkıl ılı lı motor mooto m tor yağın tor yağı ya ağı ğın ın yük yük dayanımı dayanıımıı [29] [[29 2 ] 29
Sürtünme sadece aşınma oluşturmamakta motor performansını da etkilemektedir. Sürtünme katsayısının düşürülmesi, sürtünme kayıplarını azaltarak motor performansını yükseltmektedir. Motor performansının yükselmesi sonucunda yakıt sarfiyatı azalmaktadır. Ortadoğu
Şekil 5. Beyaz rengi ile hekzagonal bor nitrür tozu 29
Teknik Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü İçten Yanmalı Motorlar laboratuvarında kontrollü ortamda sıfır motorda BORONMAX katkılı yağ kullanıldığında yaklaşık 2900 devir/dakika motor hızında özgül yakıt tasarrufu %3,28, yaklaşık 3900 devir/dakika motor hızında özgül yakıt tasarrufu %4,64 olduğu ölçülmüştür. Saha yapılan deneylerde kullanılmış motorlarda BORONMAX kullanımı ile yakıt tasarrufu daha yüksek rakamlara çıkmaktadır [29].
stratejik alanlardır. Sahip olduğu özellikler ile hekzagonal bor nitrür bilinen ve keşfedilmeyi bekleyen yeni kullanım alanlarında yer alacak önemli bir malzemedir. Nano boyutlu hekzagonal bor nitrür yağlayıcılık özelliğiyle sürtünmeyi, aşınmayı azaltan dolayısıyla enerji ve malzeme tasarrufu sağlayan BORONMAX ürünleri içinde yer almıştır. Çeşitli kompozit kaplamalarda da bulunarak malzeme dünyasına yeni olanaklar sunma aşamasındadır. Ülkemiz bor nitrür üreten az sayıdaki üretici ülkeler arasına girerek bor nitrürün gelecek malzeme hayallerinin gerçeğe dönüşmesinde yerini almıştır.
Günümüzün rekabet şartlarında, üretim yapan şirketlerde enerji maliyetlerini düşürmek birinci öncelikli konu haline gelmiştir. Tesislerin ve makinaların daha verimli çalıştırılarak kullanılan elektrik enerjisinin aşağı çekilmesi başka bir deyişle tasarruf edilmesi enerji maliyetlerini azaltacaktır.
5.
KAYNAKÇA
[1] D. Apelian, Looking Beyond the Last 50 Years: The Future of Materials Science and Engineering, JOM, 2007, 65-75
BORONMAX M1002 yağ katkısı nano boyutlu hBN içeren ve her redüktör ve dişli sistemine uygun hazırlanan bir yağ katkısıdır. KALESERAMİK ÇANAKKALE KALEBODUR SERAMİK SANAYİ A.Ş. ‘de değirmenlerindeki redüktörler katkısız yağ ile çalıştırılarak çektiği akım ölçülmüştür. Daha sonra BORONMAX M1002 redüktör yağ katkısı eklenmiş yağ ile çalıştırılarak motorun çektiği akım ölçülmüştür. Şekil 7’de akımda meydana gelen değişim görülmektedir. Çekilen akım kullanılan süre uzadıkça düşmekte ve ikinci haftadan sonra sabit kalmaktadır. BORONMAX M1002 uygulamasının ilk yapıldığı redüktörlerde ara dönemlerde, en son 12 ay ara ile analizör ölçümleri tekrarlanmış ve tasarrufun kalıcı olduğu ispatlanmıştır. Meydana gelen değişim sürtünmenin azaltılmasıyla oluşmaktadır. BORONMAX M1002 sürtünme nedeniyle oluşan enerji kaybını %10’na varan oranlarda azaltmaktadır.
[2] J. Rödel ve arkadaşları, Development of a roadmap for advanced ceramics: 2010-2025, Journal of ECERS, 2009, 1549-1560 [3] http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=16047.php [4] A.R. Lansdown, Lubrication and Lubricant Selection A Practical Guide Third Edition, London and Bury St Edmunds, UK, 2004. [5] S.C.Tung., M.L. McMillan Automotive Tribology Overview of Currrent Advances and Challenges forThe Future, Tribology .International, 37, 2004, 517-536 [6] Booser E. R., CRC Handbook of Lubrication, Theory and Practice of Tribology, Volume II: Theory and Design, CRC press, 1988. [7] A.R. Lansdown, Molybdenum Disulphide Lubrication, Swansea UK, 1999. [8] T. Mang ve W. Dresel, Lubricants and Lubrication Second, Completely Revised and Extended Edition, Weinheim Almanya, 2007. [9] N. Jamaludin, D. Mba, and R. H. Bannister, Monitoring the Lubricant Condition in a Low-Speed Rolling Element Bearing Using High Frequency Stress Waves, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part E-Journal of Process Mechanical Engineering 216(E2), 2002,73.
Şekil 7. BORONMAX M1002 redüktör yağ katkısı eklenmiş yağ ile çalıştırılan motorun zamana bağlı olarak çektiği akım [29]
[10] J. Xu, F. Wang, and Z. L. Liu, Investigation of the Tribology Behaviors of Auto-restoration Additive under Heavy Loading Conditions, Surface Review and Letters 14(2), 2007, 329.
Hekzagonal bor nitrür sahip olduğu özellikleri sayesinde gelecekte sürtünme, aşınma, yapışma ve yağlayıcılık konularında yaygın kullanılacağı beklenmektedir. Mikro ve nano makinalarında yeni bir yağlayıcı olarak yaygın kullanılacağı öngörülmektedir. Ayrıca hareketli ve temas eden parçaların sürtünme dolayısıyla oluşan enerji kayıplarının en aza indirilmesini sağlayan, kendi kendini yağlayan nano yapılı kompozit kaplamalar içinde kullanımının artacağı düşünülmektedir. BORTEK firması bu kapsamda nano boyutlu hekzagonal bor nitrür üzerine araştırmalarını sürdürmekte ve iki patent başvurusu bulunmaktadır.
4.
[11] M. Benz, N. H. Chen, and J. Israelachvili, Lubrication and Wear Properties of Grafted Polyelectrolytes, Hyaluronan and Hylan, Measured in the Surface Forces Apparatus, Journal of Biomedical Materials Research Part A 71A(1), 2004, 6 [12] P. Kumar, M. Oka, J. Toguchida, M. Kobayashi, E. Uchida, T. Nakamura, and K. Tanaka, Role of Uppermost Superficial Surface Layer of Articular Cartilage in the Lubrication Mechanism of Joints, Journal of Anatomy 199, 2001, 241
GENEL SONUÇLAR
Yeni teknolojilerin gelişmesi ve potansiyel gelecek uygulamalarında enerji ve çevre, nano triboloji öncelikli
[13] K. M. N. Oates, W. E. Krause, R. L. Jones, and R. H. 30
tamamlamıştır. 2001 yılında Orta Doğu Teknik Üniversitesi Makine Mühendisliği bölümünde “Yüksek Hassasiyetli CNC Hareket Kontrolü” üzerine yüksek lisans çalışmasına başlamıştır. Aynı adlı TÜBİTAK projesinde 2002-2004 yılları arasında araştırmacı olarak görev almıştır.
Colby, Rheopexy of Synovial Fluid and Protein Aggregation, Journal of the Royal Society Interface 3(6), 2006, 167. [14] B. C. Jiang and P. P. Liu, Natural Lubrication and Wear of Textile Spinning Rings, Tribology Transactions 34(3), 1991, 369.
2002 yılında Türkiye’de yeni teknoloji vakum tüplü güneş enerjisi sistemlerinin üretilmediğini görüp bu konuda çalışmalar yapmak üzere Onat Makine Isı Enerji Sistemleri şirketini kurmuştur. Yüksek lisans eğitimini Ankara’da devam ederken Eskişehir’de iki yılı aşkın bir araştırma geliştirme faaliyetiyle vakum tüplü güneş enerjisi sistemlerinin imalatını gerçekleştirmiştir. Küresel pazarın koşullarından dolayı maliyetlerin yüksek çıkması üzerine vakum tüplü güneş enerjisi sistemi imalatını durdurmuştur. O tarihten itibaren çeşitli büyüklüklerde güneş enerji sistemleri tasarımını ve montajı üzerine çalışmaktadır.
[15] Y. Z. Hu and S. Granick, Microscopic Study of Thin Film Lubrication and Its Contributions to Macroscopic Tribology, Tribology Letters 5(1), 1998, 81. [16] Jing LIANG, Investigation of Synthetic and Natural Lubricants, PhD Thesis, NCSU USA, 2008. [17] D.M. Pirro ve A.A. Wessol, Lubrication Fundamentals Second Edition Revised and Expanded, New York, 2001. [18] G.E. Totten, Handbook of Lubrication and Tribology Volume I Second Edition, USA, 2006,1-9 [19] K.C. Ludema, Friction, Wear, Lubrication, USA, 1996
Aralık 2004 – Aralık 2005 tarihleri arasında Yedek Subay olarak askerlik görevini tamamlamıştır.
[20] R. Haubner, M. Wilhelm, R. Weissenbacher, B. Lux, Boron Nitrides –Properties Synthesis and Applications, Springer-Verlag, Berlin, 2002.
Gökçe Mehmet AY sayın Prof.Dr. Nuran AY’ın on senelik bir araştırma sonucu bulduğu Bor Nitrür üretim tekniğinin sanayiye kazandırılması için kurmuş olduğu Bortek Bor Teknolojileri ve Mekatronik şirketinde 2006 yılından beri görev almaktadır. Bortek 2008 yılından itibaren Türkiye’de ilk ve tek Bor Nitrür üreticisi olup dünyada bu teknolojiye sahip sayılı firma arasına girmiştir. Gökçe Mehmet AY Ulusal Bor Araştırmaları Enstitüsünün desteklediği “Endüstriyel Bor Nitrür Üretiminin Araştırılması” adlı projesinde görev almıştır. Bu proje çerçevesinde kullanılan fırınlar, diğer aksamların tasarımlarını, uygulanmasını ve devreye alınması üzerine görev almıştır. Bilim, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı SANTEZ destekleri çerçevesinde gerçekleştirilen “Hekzagonal Bor Nitrür Ürün Özelliklerine Öğütmenin Etkisi” isimli projede de mekanik tasarım ve uygulama görevlerini üstlenmiştir. Gökçe Mehmet AY’ın BORTEK’te yaptığı çalışmalar sonucunda bir adet tek başına, bir adet de ortak buluş sahibi olduğu iki patent başvurusunda bulunmuştur.
[21] R.T. Paine, C.K. Narula, Synthetic routes to boron nitride, Chem. Rev. 90, 1990, 73–91. [22] L. Kempfer, The many faces of boron nitride, Mater. Eng. 107, 1990, 41–44. [23] S.Rudolph, ‘Materials Review: Boron Nitride’, American Ceramic Society Bulletin, August , 81, 8, 2002, 34 -35. [24] M. Naftaly, J. Leist, R. Dudley, “Investigation of ceramic boron nitride by terahertz time-domain spectroscopy”, Journal of the European Ceramic Society 30, 2010, 26912697 [25]http://www.ioffe.rssi.ru/SVA/NSM/Semicond/BN/ basic.html [26] Y. Kimura, T. Wakabayashi, K. Okada, T. Wada, H. Nishikawa, “Boron nitride as a lubricant additive”, Wear 232, 199, sayfa 199-206 [27] M. Engler, C. Lesniak, R. Damasch, B. Ruisinger, J. Eichler, “Hexagonal Boron Nitride (hBN) – Applications from Metallurgy to Cosmetics”, ACM of German Ceramic Society, Dresden, 2007
Eğitim:
[28] J. Greim, K.A. Schwetz, “Boron Carbide, Boron Nitride and Metal Borides”, Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Weinheim, 2005
Orta Doğu Teknik Üniversitesi Makine Mühendisliği Fakultesi Lisans
Cengiz Topel İlkokulu (Eskişehir) Eskişehir Anadolu Lisesi
Orta Doğu Teknik Üniversitesi Makine Mühendisliği Fakultesi Yüksek Lisans
[29] http://www.boronmax.com/tr_raporlar.asp
Sivil Toplum Kuruluşları Üyelikleri:
ÖZGEÇMİŞ
1999-2001 ASME ODTÜ kurucu üyesi
Gökçe Mehmet Ay
1999-2001 Makine Mühendisleri odası öğrenci üye
3 aralık 1979 İstanbul doğumlu olup ilköğretimini Cengiz Topel İlkokulunda Eskişehir’de tamamlamıştır. Ortaokul ve lise eğitimini Eskişehir Anadolu Lisesinde tamamlamış ve 1997 yılında başladığı lisans eğitimini Orta Doğu Teknik Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümünde
2002- Makine Mühendisleri odası üye 2005- Linux Kullanıcıları Derneği
31
IV. NESİL NÜKLEER REAKTÖRLERDE ULTRASONİK NDT YÜKSEK SICAKLIK PİEZOELEKTRİK MALZEMELER Sinem Üzgür Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, TÜRKİYE Tel: 362 312 19 19-1069 GSM: 542 410 49 25 E-Posta:
[email protected]
Özet
I. nesil enerji reaktörleri ilk olarak 1950- 1970 yılları arasında kullanıma sunulmuştur. Ticari enerji reaktörlerini içeren II. nesil ise 1970 ile 1990 yılları arasında kullanılmıştır. Basınçlı su reaktörlerini (PWR) ve Kaynar sulu reaktörlerini (BWR) içine alan uranyum ile zenginleştirilmiş Hafif su soğutmalı (LWRs) reaktörler bu dönemde kullanılan reaktörlerdir. III. nesil reaktörlerin kullanımı ise 1990’larda yayılmaya başlamıştır ve İleri kaynar sulu reaktörler (ABWR) ve Sistem 80+’ ları içeren İleri hafif sulu reaktörlerden (ALWRs) oluşmaktadır. Bunlar ilk olarak Doğu Asya ülkelerinde inşa edilmiştir [1].
Bu araştırma kapsamında, IV. Nesil reaktör teknolojileri araştırılarak, onların gelecekte ihtiyaç duyacağı tahribatsız muayene tekniklerinden ultrasonik test cihazlarının çalışmasını sağlayan yüksek sıcaklık piezoelektrik malzemeleri tanıtılmıştrır. Anahtar sözcükler: IV. Nesil nükleer reaktör, Ultrasonik test (NDT), Yüksek sıcaklık piezoelektrik malzemeler.
1.
GİRİŞ
Mevcut II. ve III. Nesil nükleer enerji santral tasarımları ekonomik, teknik ve alenen kabul edilmiş elektrik üretimi sağlayabiliyor olsalar da, nükleer enerji sistemi tasarımlarında ki gelişmeler nükleer enerjinin kullanımında yeni fırsatların doğmasına yardımcı olabilecektir
Sera gazları yayılımı nedeniyle, özellikle fosil yakıtların yanması sonucu oluşan CO2 salınımının neden olduğu küresel ısınma, her ne kadar tüm dünya ülkelerini ilgilendiren çok önemli bir sorun olsa da, dünya da bir yılda tüketilen enerjinin % 80’ i kömür, petrol ve doğalgaz gibi fosil yakıtlardan sağlanmaya devam etmektedir. Bu bağlamda birçok ülkenin güneş ve rüzgar enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının verimliliğine ve kullanım teknolojilerine önem vermeye başladığı bu yüzyılda, küresel çevre uyumluluğu, güvenilirliği ve düşük maliyeti ile nükleer enerji yerini sağlamlaştırmaya devam etmektedir.
IV. nesil nükleer reaktörlerin 2030 yılına kadar kullanılmaya başlanması beklenmektedir [1, 2]. Bu yeni nesil reaktörler aşağıda belirtilen hedefleri karşılamak amacıyla tasarlanmışlardır: 1. Sürdürülebilirlik 2. Ekonomik
Teknoloji hızla gelişirken, nükleer enerjiden beklentilerde artmaktadır. Sürdürülebilir, temiz enerji üreten, atık miktarı az olan, güvenli ve ekonomik ve önceki tasarımlarına göre daha yüksek sıcaklıklarda çalışacak IV. Nesil reaktörlerin tasarlanma yoluna gidilmektedir. Güvenirliliğin bu derece en üst safhada olduğu nükleer enerji endüstrisinde, birçok malzeme ve parçanın servis sırasında incelenmesinde NDT tekniklerinden Ultrasonik testi ön plana çıkmaktadır. Bu cihazların sahip olduğu prob malzemelerinin yüksek sıcaklık servis şartlarında çalışabilmesi gerekmektedir. Fakat bu şartları sağlayabilen yüksek sıcaklık piezoelektrik malzemelerine kolayca erişmek mümkün değildir.
2.
3. Daha güvenli, 4. Proliferasyon direnci ve fiziksel koruma [1]. Şekil-1 de gelecek için umut vaat eden nükleer reaktör tasarımlarından biri olan Çok-yüksek sıcaklık reaktörü görülmektedir. Bu sistem uranyum/plütonyum yakıt döngüleri ile çalışma esnekliğine sahip olmakla birlikte, atıkların en aza indirgenmesini sağlamaktadır. Ayrıca geniş bir süreç ısı uygulama aralığına ve yüksek verimli elektrik üretimi seçeneğine sahiptir. Fakat aynı zaman da modüler yüksek sıcaklık gaz soğutmalı reaktörler tarafından sunulan güvenlik karakteristiklerini de sağlayabilmektedir. Reaktörün çıkış sıcaklığı 850- 950°C olacaktır [1].
NÜKLEER REAKTÖRLER
Enerji kaynaklarının mevcudiyeti, iklim değişiklikleri, hava kalitesi ve enerji güvenliği gibi konuların yarattığı endişe nedeniyle, nükleer enerji gelecekteki enerji gereci olarak
Aşağıda Generation IV International Forumu (GIF) ülkeleri tarafından seçilen IV. Nesil reaktör tasarımları listelenmiştir:
büyük önem arz etmektedir. Şu ana kadar elektrik üretimi için nükleer enerjinin kullanılması üç nesilden beri devam etmektedir. Şimdi ise son nesil yani IV. Nesil olarak tanımlanan nükleer reaktörler üzerine çalışmalar büyük bir hızla devam etmektedir [1].
1- Gaz-soğutmalı hızlı reaktör sistemi (GFR), 2- Kurşun-soğutmalı hızlı reaktör sistemi (LFR), 3- Erimiş tuz reaktör sistemi (MSR), 4- Sodyum-soğutmalı hızlı reaktör sistemi (SFR), 33
Şekil 1. Çok –yüksek sıcaklık reaktörü (VHTR) [1]
5- Süper-kritik-su soğutmalı reaktör sistemi (SCWR),
basınç kazanı tekrar kullanılmaz hale gelir. Ama tahribatsız muayene teknikleri kullanılarak basınç kazanında (Şekil-2) ki çatlaklar tespit edilerek, hesaplanan ya da tasarlanan basınca ne kadar dayandığı ya da dayanabileceği analiz edilebilir. Böylece basınç kazanına da herhangi bir zarar verilmemiş olur.
6- Çok-yüksek sıcaklık reaktör sistemi (VHTR) [3].
3.
TAHRİBATSIZ MUAYENE TEKNİKLERİ
Nükleer enerji bahis konusu olduğunda kaçınılmaz olarak güvenlik en önemli konu olarak önümüze çıkmaktadır. Tahribatsız muayene teknikleri de enerji santrallerinin güvenliğinin sağlanmasında kilit noktalardan birini oluşturmaktadır. Özellikle yaygın bir şekilde kullanılan tekniklerden birisi de ultrasonik incelemedir. Bu teknikte kullanılan cihazların en önemli parçasını ultrasonik dönüştürücüler oluşturmaktadır. Bu dönüştürücülerin kalbi de piezoelektrik malzemelerden oluşmaktadır [4]. Birçok yeni ve yeni gelişen malzemenin sunulduğu, günümüzün hızla gelişen endüstri dünyasında, emniyet ve güvenilirlik en önemli faktör olarak ortaya çıkmaktadır. Bu konuda da en önemli yeri tahribatsız muayene teknikleri (NDT) teşkil etmektedir. NDT teknikleri birçok malzeme ve parçanın kusurlarının değerlendirilmesinde ve malzeme özelliklerinin karakterizasyonunda kullanılmaktadır. Tahribatsız test adından da anlaşılacağı gibi malzemenin test edilirken herhangi bir tahribata uğramadan ya da test edilen malzemeye daha sonra tekrar kullanımına zarar verilmeden yapılan testler olarak tanımlanmaktadır. Daha iyi açıklamak amacıyla şöyle söylenebilir. Mesela çekme testi gibi malzemen mukavemetinin belirlendiği mekanik testlerde malzeme test sırasında kırılmakta ya da iki parçaya ayrılmaktadır. Tahribatsız muayene de ise malzeme geometrik şekli ile birlikte bütün malzeme özelliklerini koruyarak, test sonunda tekrar kullanılmaya devam etmektedir. Örneğin, yeni üretilmiş bir basınç kazanının patlama/parçalanma dayanımını incelemek istiyoruz. Bunun için hidrostatik hasar analizi seçilebilir. Fakat patlama dayanımı elde edilirken
Şekil 2. Reaktör basınç kazanı [5].
34
Yüksek frekanslı ses dalgaları prob adı verilen bir parça içindeki piezoelektrik özellikteki kristal tarafından üretilir. Prob tarafından algılanan dalgalar (piezoelektrik olay ile) elektrik sinyallerine dönüştürülür ve katod ışınları tübü ekranında malzeme içyapısının habercisi olan yankılar (ekolar) şeklinde görülür. Ekran üzerinde gözlenen ekoların konumları ve genlikleri süreksizliğin bulunduğu yer ve boyutları hakkında bilgi verir [6].
NDT teknikleri kullanılarak malzeme davranışının daha iyi anlaşılması sağlanır, böylece daha güvenli malzemelerin kullanılmasına yardımcı olunur. Ayrıca NDT teknikleri çeşitli endüstriyel süreçlerin ve yapıların periyodik incelenmesinde de kullanılır. Son zamanlarda kritik endüstriyel süreçlerin ve yapıların bazılarının sürekli olarak izlenmesini sağlamak amacıyla yeni NDT teknikleri geliştirilmektedir. Güç üretim yapılarında ‘düşük düzeyde etkinlik’ sağlayan çeşitli malzemeler ile alaşımlandırılmış HMK yapılı çelikler kullanılmaktadır. Bu tip malzemeler çevre ve servis şartlarından kaynaklanan çeşitli çatlak, termal yorulma, yaşlanma, korozyon, radyasyondan kaynaklanan tokluk kaybı ve aşınma gibi degredasyon mekanizmalarından zarar görmektedirler. Malzemelerde meydana gelen bu deformasyon mekanizmalarının “Durum İzleme” (Condition Monitoring) ile sürekli kontrol altında tutulabilmesi gerekmektedir. Risk analizi ve tahribatsız muayene değerlendirmesinin (NDE) de daha tasarım aşamasından itibaren ele alınması gerekmektedir [2].
Muayene parçasının (Şekil-4) mikroyapı özelliklerine göre uygun frekans belirlenir. Prob muayene yüzeyine temas ettirildiğinde ses dalgalarının malzeme içine nüfuz edebilmesi için (ses dalgaları boşlukta yayılamaz) uygun bir temas sıvısı (yağ, gres, su, vb.) kullanılmalıdır. Prob muayene yüzeyinde gezdirilerek parça geometrisinden kaynaklanan yankıların konumları ve yükseklikleri değerlendirilerek hata çözümlemesi yapılır.
Günümüz endüstrisinde kullanılan birçok NDT tekniği bulunmaktadır. Bunların bazıları belirli alanlara ve spesifik uygulamalara yanıt verirken, bazıları endüstrinin her alanında yaygın şekilde kullanılmaktadır. Aşağıda bu teknikler sıralanmıştır: 1- Sıvı penetrant testi 2- Manyetik parçaçık ile çatlak testi 3- Radyografi 4- Ultrasonik test 5- Eddy akımları testi
Şekil 4. Kompleks şekilli bir muayene parçası [5].
6- Akustik emisyon ve Akusto-ultrasonik test.
Ultrasonik test tane sınırları, elastisite modülü, çatlaklar ve artık gerilimler gibi durumların incelenmesinde kullanılmaktadır.
3.1 Ultrasonik Test Bu tahribatsız muayene yönteminde incelenmek istenilen malzemedeki süreksizlikleri tespit edebilmek için muayene probu tarafından üretilen yüksek frekanstaki ses üstü dalgalarının test malzemesi içerisinde yayılması ve bir süreksizliğe çarptıktan sonra tekrar proba yansıması ve böylece prob tarafından algılanması temeline dayanarak test yapılmaktadır. Bir ultasonik test cihazının çalışma prensibi Şekil-3 de verilmiştir.
4.
ULTRASONİK DÖNÜŞTÜRÜCÜLER
Endüstriyel süreçlerin başlangıç noktasında, servis sırasında ki muayenede nükleer tesis parçalarının malzemeleri üzerinde yapılan incelemelerde birçok problemlerle karşılaşılmaktadır. Bu hasar tespit metotlarının içinde en sık kullanılanlardan bir tanesi de daha önceden de bahsedildiği üzere ultrasonik dalgaların kullanılmasıdır. Ultrasonik dönüştürücülerin yüksek sıcaklık uygulamaları ile ilgili literatürde ki ilk tanımlamasına 1940 lar dan sonra rastlanmaktadır ve nükleer enerji endüstrilerinin tahribatsız muayene (NDT) ve değerlendirme (NDE) uygulamalarında yaygın bir şekilde kullanıldığı görülmüştür [7]. Dönüştürücülerin hemen hemen hepsi yüksek sıcaklık malzemeleri ile direk kontak halinde çalışabilecek şekilde tasarlanmışlardır. Bir dönüştürücü piezolektrik element, isteğe bağlı olarak kullanılan bir koruyucu katman ve ön yüz tabakadan oluşur. Koruyucu katman darbe uzunluğunu kontrol etmek için kullanılırken, ön yüz tabaka akustik eşleme için kullanılmaktadır. Ayrıca, ön yüz tabaka, dönüştürücünün eğri yüzeylere adapte olmasını ve sonuçta
Şekil 3. Ultasonik test cihazının çalışma prensibi [6]. 35
açılı ışın üretiminin oluşmasını sağlar [8].
Kurşun Zirconat-Titanat (PZT)
Şekil-5’ de bir yüksek sıcaklık dönüştürücüsünün resmi ve Şekil-6’ da smart kontak dönüştürücünün çalışma prensibi görülmektedir.
Düşük sıcaklıklarda en yaygın olarak kullanılan piezoelektrik malzemedir. Küri sıcaklığı 350°C ve tavsiye edilen servis sıcaklığı 150 ile 200°C arasında değişmektedir [7]. Bizmut Titanat (Bi4Ti3O12) Bizmut titanat çok yüksek Kürü sıcaklığına ve böylece daha yüksek sıcaklıklarda kullanılabilme olasılığına sahiptir. Bu malzemenin düşük dielektrik sabiti, düşük dielektrik kayıpları ve diğer özellikleri, onun çok yüksek sıcaklıklarda kararlı olmasını sağlamaktadır. Hassasiyeti PZT den daha düşüktür. Sillenite yapılı seramikler (Bi2MO2, M=Si, Ge,Ti) grubuna mensuptur. Çeşitli firmalar tarafından modifiye edilmiş Bizmut titanat malzemeler çok daha yüksek servis sıcaklıklarına sahip olabilmektedir [7]. Lityum Niyobat (LiNbO3) Bu malzemenin Küri sıcaklığı 1150°C olduğu için yaklaşık 600°C lik sıcaklıklarda kullanılabilir. Bunu genel bir kabullenmeye dayandırırsak, servis sıcaklığının yaşlanmayı engellemek için TC/2’yi aşmaması gerekmektedir. LiNbO3, tek kristal bir malzemedir, göreceli olarak kırılgandır, fakat basma da güçlüdür. Kristal yapısı trigonal olduğu için, piezoelektrik ve diğer özellikleri belirli kristal yönlenmelere göre değişiklik gösterir. Bu malzemenin önemli optik uygulamaları kolay bulunabilmesini ve dolayısı ile maliyetinin düşük olmasını sağlamıştır [8]
Şekil 5. Geleneksel NDT dönüştürücü tasarımı baz alınarak oluşturulmuş yüksek sıcaklık dönüştürücünün şematik diyagramı [8].
650°C’ nin üzerinde kristal kafesinden oksijen kaybının olması nedeniyle, elektrik iletkenliği arttığında uzun süreli bozulma oluşmaktadır. Bu da en önemli problemi oluşturmaktadır. Çünkü kullanımını neredeyse imkansız hale getirmektedir [7, 8]. Oksijen kaybını gidermek için sodyum eklenerek elde edilen seramik malzeme 800°C servis sıcaklığında kullanılabilmektedir [8]. Kurşun Metaniobat (PbNb2 O6) Kurşun metaniobat 540°C gibi yüksek Küri sıcaklığına, düşük mekanik kalite faktörüne sahip ve bir sensörün algılama elementi için uygun bir malzemedir. Tunsten-bronz ailesine mensuptur. Fakat iyi piezoelektrik özelliklerine sahip yoğun seramiklerin fabrikasyonu zordur. Yüksek yoğunluklu ve yüksek piezoelektrik etkilere sahip seramiklerin üretilebilmesi için Mn ve Ca gibi çeşitli katkı elemetlerinin eklenmesi ya da sinterleme işlemlerinin uygulanması gerekmektedir. Yüksek Küri sıcaklığı sayesinde 300°C sıcaklığa kadar kullanılabilir. Ayrıca bu piezoelektrik seramik malzeme iyi termal şok direncine sahiptir [7]. Düşük Qm (geniş bant aralığı) ve yüksek d33 ve d31 oranı (yüksek seviyeli anizotropi) nedeniyle NDT ve medikal teşhis görüntüleme uygulamalarında kullanılan dönüştürücülerde kullanılabilmektedir. Bu malzeme ile ilgili en önemli problemler yüksek gözenekliliği ve düşük mekanik mukavemetinden kaynaklanmaktadır [9].
Şekil 6. Smart kontak dönüştürücünün çalışma prensibi [5].
5.
YÜKSEK SICAKLIK PİEZOELEKTRİK MALZEMELER
Yeterli hassasiyeti ve uzamsal çözünürlüğü (spatial resolution), çatlak tespiti ve boyutlandırma gibi NDT yöntemlerinde elde etmek için, yüksek sıcaklık testleri; test parçasının sıcaklığına dayanabilen piezoelektrik malzemelere ihtiyaç duymaktadır. Normal bir piezoelektrik malzeme Küri sıcaklığının (TC/2) altında ki sıcaklıklarda çalışabilmektedir [8]. Mevcut yüksek sıcaklık piezoelektrik malzemelerinin sayısı oldukça sınırlıdır. Bu nedenle yeni malzemelerin bulunması için çeşitli araştırmalar yapılmaktadır.
Galyum Ortofosfat Galyum ortofosfat çok geniş ileri teknoloji uygulamalarına sahip çok yeni bir piezoelektrik malzemedir. Hassasiyeti ve yüksek termal kararlılığı 900°C gibi yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanımını sağlar. Kuvars ile aynı gruptadır.
Aşağıda halen kullanımda olan ve halen geliştirilmesi için araştırmaları devam eden yüksek sıcaklık piezoelektrik aday malzemeler hakkında bilgi verilmiştir. 36
Bizmut titanat ile karşılaştırıldığında ise hassasiyeti önemli oranda daha düşüktür [7]. Genel olarak ferroelektrik seramiklerin servis sıcaklığı TC/2 ile sınırlanmaktadır. Daha yüksek sıcaklık uygulamaları için bu sıcaklıklarda çalışabilecek daha yüksek Küri sıcaklığına sahip ferroelektrik, yönlenmiş polar ferroelektrik olmayan, polar olmayan ferroelektrik tek kristal veya piezoelektrik ince film malzemelere ihtiyaç duyulmaktadır. Perovskit Tabaka Yapılı Ferroelektrikler (PLS) PLS ferroelektriklerin genel formülü A2B2O7 dir ve anizotropik tabakalı yapıya sahiptirler. En bilinen iki bileşik olan Sr2Nb2O7 ve La2Ti2O7’nin tek kristalleri bilinen en yüksek Küri sıcaklıklarına sahiptirler, sırasıyla 1342 ve 1500°C. Fakat bu bileşiklerin erime sıcaklıklarının yüksek olması nedeniyle iyi kalitede tek kristallerinin üretilmesi oldukça pahalıdır [9].
(a)
Polar Cam Seramikler Piezoelektrik malzeme sınıfında diğerlerinden çok farklı olan bir formda, polar cam seramiklerdir. Ferroelektrik olmayan bu bileşiklerin piezoaktiviteye sahip olmaları için tek kristal olarak büyümeleri ya da polar tekstüre (texturing) etmeleri gerekmektedir. Bu malzemeler ile ilgili problemlerde vardır. Camsı fazın yumuşaması ve olası ferroelastik faz dönüşümleri yüksek sıcaklık kabiliyetlerini sınırlayabilmektedir [9]. Yüksek sıcaklıkta ki özdirençleri ve dolayısı ile elektriksel özelliklerinin incelenmesi ile ilgili daha ileri çalışmaların yapılmasına ihtiyaç duyulmaktadır
(b)
STAlN008
I, Intensity
10000
Alüminyum Nitrür (AlN) İnce Filmler Alüminyum nitrür polikristalin seramik filmlerin bilinen bir Küri noktası yoktur. Kuvarsa benzer, yapısal olarak piezoelektriktirler. AlN ultrasonik dönüştürücüler 1100°C’ nin üzerinde ki sıcaklıklarda çalışabilirler. Bu ince filmler yüksek frekanslı ultrasonik dönüştürücüler için aday malzemelerdir. Çünkü çok ince filmleri kolaylıkla biriktirilebilmektedir (deposition). Uygun bir altlığın (substrate) üzerinde AlN katmanları biriktirmek için en yaygın kullanılan teknik Kimyasal Buharla Biriktirme (CVD) metodudur. Tungsten karbür ve grafit üzerince iyi yapışma sağlanmıştır. Altlık malzemesinin elektrik iletkenliğinin iyi olması gerekmektedir. AlN’ ninde hassasiyeti Bizmut titanattan daha düşüktür [7].
1000
100
10
1 0
20
40
60
80
100
2-Theta
(c) Şekil.7. AlN ince filmin (a) ve (b) SEM mikroyapı görüntüsü ve (c) XRD grafiği.
Şekil-8 de yaygın şekilde kullanılan piezoelektrik malzemelerin maksimum kullanım sıcaklıkları özetlenmiştir.
6.
AlN III-V bileşik yarı iletken malzemesi olarak kararlı bir kristal (SPK- Sıkı pakatlenmiş kristal) yapıya sahiptir. AlN gibi bileşik yarı iletken malzemelerinin termodinamiksel olarak kararlı yapıları wurtzite yapısıdır. Bazı özel durumlarda çinko sülfür yapısında da büyüyebilirler. Fakat piezoelektrik özelliğini wurtzite olarak kristalleştiklerinde kazanırlar[10]. Akustik dalga cihazlarının oluşturulmasında AlN ince filmlerin yönlenme durumu, filmin kalınlığı ve piezoelektrik özelliği önem kazanmaktadır. Şekil-7 de RF Magnetron Sputtering metodu ile oluşturulmuş (002) düzleminde yönlendirilmiş, 1.9471 μm kalınlığında ki AlN ince filmin SEM den elde edilmiş mikroyapı görüntüleri ile yönlenmenin (002) düzleminde olduğunu gösteren XRD grafiği görülmektedir.
SONUÇ
Gelecekte kullanılması planlanan IV. Nesil nükleer reaktörlerde tahribatsız muayene tekniklerinden ultrasonik muayenin ne kadar önemli olduğu sunulmaya çalışılmış ve bununla bağlantılı olarak ultasonik cihazlarda kullanılan ultrasonik dönüştürücüleri oluşturan en önemli malzemeler olan yüksek performanslı ve yüksek sıcaklık dayanımlı piezoelektrik malzemelere olan ihtiyaç vurgulanmaya çalışılmıştır. Bu uygulamalar için en önemli iki aday malzeme öne çıkmaktadır. Bunlardan birincisi bilinen en yüksek Küri sıcaklığına sahip (1500°C den daha fazla) PLS ferroelektrik ailesi ve ikincisi de kayda geçen en yüksek çalışma sıcaklığı (1150°C) ile ferroelektrik olmayan AlN ince filmlerdir. 37
1200 1000
sıcaklık
800 600 400 200 0
BT
P ZT
BPN
S iO2
PT
B IT
LN
P LS
AlN
pie z oe le ktrik ma lz e me le r Şekil.8. Çeşitli piezoelektrik malzemelerin maksimum servis sıcaklıkları [9].
Sonuç olarak, ultrasonik yüksek sıcaklık NDT için dönüştürücü problemleri halen tam olarak çözülememiştir. Malzeme bilimi ve dönüştürücü yapısını birleştiren kilit alanlarda daha ileri çalışmaların yapılmasına gerek duyulmaktadır.
transducers for high temperature applications”, IEE ProcSei. Meas. Technol., Vol. 145, No. 5, September 1998.
7.
[10] T.M.A.A. Tahtamouni, PhD thesis, ”MOCVD growth and characterization of Al-rich AlN/AlGaN epilayers and quantum wells”, Kansas State University 2007.
[9] R.C. Turner, P.A. Fuierer, R. E. Newnham, T. R. Shrout, “Materials for High Temperature Acoustic and Vibration Sensors: A Review”, Applied Acostics, 41, 299-324, 1994.
KAYNAKÇA
1] Andrzej Furtek, “Fourth Generation Reactor Concepts”, Proceedings of the 7th International Conference on Nuclear Option in Countries with Small and Medium Electricity Grids, Paper Ref. No. S-02.20.
ÖZGEÇMİŞ
[2] David Driver, “Making a material difference in energy
Sinem ÜZGÜR
”, Energy Policy, 36, 4302–4309, 2008.
1976 yılında Eskişehir de doğmuştur. 2001 yılında ODTÜ, Metalurji ve Malzeme Mühendisliğinden mezun olan araştırmacımız, yüksek lisansını Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, Metalurji Mühendisliğinde 2003 yılında tamamlamıştır ve halen doktorasına Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, Makine Mühendisliği, İmalat ve Konstrüksiyon Bilim Dalında devam etmektedir. Uzmanlık alanları; süperalaşımlar, metallerde korozyon, kaynaklı malzemelerde sıcak ve soğuk çatlak hassasiyeti ve ince film teknolojileridir. 2007 yılından bu yana Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Malzeme Bilimi ve Mühendisliğinde Araştırma Görevlisi olarak çalışmaktadır. Amerika ve İngiltere de 6 ile 12 ay arasında ki sürelerde araştırmacı ve proje araştırmacısı olarak görev almıştır. Uluslar arası hakemli dergilerde yayınlanmış 5 makalesi, uluslararası bilimsel toplantılarda sunulan ve bildiri kitaplarında basılan 7 tane bildirisi bulunmaktadır. Uluslar arası ve ulusal olmak üzere 4 projede görev almıştır.
[3] “Overview of Generation IV Technology” Roadmap, Roadmap Backgrounder RQ07-01, 2002. [4] Jean-Francois Saillant, “Design of Ultrasonic Transducers for the Nuclear Industry”, VII. International Workshop on Piezoelectric Materials and Applications in Actuators, Antalya, TURKEY, October 2010. [5] G. Cattiaux, P. Benoist, C. Poidevın, T. Sollier, “IRSN non-destructive testing research relating to the ageing of nuclear installations”, Aging Issues of in Nuclear Power Plants, 2005. [6]http://www.ndt-ed.org [7] R. Kažys, A. Voleišis, B. Voleišienė, “High temperature ultrasonic transducers: review”, ISSN. 1392-2114 Ultragarsas, (Ultrasound), Vol. 63,No.2, 2008. [8] A. Macnab, K. J. Kirk, A. Cochran, “Ultrasonic
38
GETEK giris:AYDIN_ACEMI.qxp 14.10.2011 14:24 Page 11
III. OTURUM OTURUM BAŞKANI: Nedim KARA > MMO Kocaeli Şube Yönetim Kurulu Başkanı NANOTÜP SENTEZLEME YÖNTEMLERİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41 Bedri Onur KÜÇÜKYILDIRIM (Yıldız Teknik Üniversitesi) Ayşegül Akdoğan EKER (Yıldız Teknik Üniversitesi) TEKSTİL SEKTÖRÜNDE NANOTEKNOLOJİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53 Nilgün BECENEN (Trakya Üniversitesi) Bülent EKER (Namık Kemal Üniversitesi) AKILLI AMBALAJ UYGULAMALARI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61 Bülent EKER (Namık Kemal Üniversitesi)
NANOTÜP SENTEZLEME YÖNTEMLERİ Bedri Onur Küçükyıldırım1, Ayşegül Akdoğan Eker2 Yıldız Teknik Üniversitesi, Makine Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, 34349, Beşiktaş, İstanbul, TÜRKİYE Tel: 212 383 2807 E-posta:
[email protected] 2 Yıldız Teknik Üniversitesi, Makine Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, 34349, Beşiktaş, İstanbul, TÜRKİYE Tel: 212 383 27 98 E-posta:
[email protected]
1
Özet
kimyasal olarak kararlı ve duvar kalınlığı bir nanometre boyutundaki “nanotüp” şekline dönüşür.
Karbon nanotüpler, nanoteknolojinin uygulama aşamasında bayağı bir yol katedilmiş alt dallarından biridir. Kendilerine özgü yapıları ve üstün özelliklerinden dolayı nanotüpler, bilim adamları ve araştırmacıların oldukça üzerlerinde durduğu nano yapılardır. Nanotüpler üzerinde yapılan araştırmalar, nanotüplerin sentezlenmeleri, oluşum mekanizmaları, yapıları, özelliklerini etkileyen unsurlar üzerinde yoğunlaşırken, bu araştırmalardan sağlanan verilerle birlikte özellikleri geliştirilmiş ve kontrol edilebilen, ucuz ve seri imal edilebilen nanotüpler üretilmek ve birçok alanda kullanılmak istenmektedir. Karbon nanotüplerin üretimi günümüzde pahalıya mal olmakta; fakat gün geçtikçe daha seri sentezlenmesi ile ilgili çalışmalar ve firmalar çoğalmakta ve maliyet de düşmektedir. Karbon nanotüpler üzerine bir bakış açısına sahip olmak için hazırlanan bu araştırmada karbon nanotüplerin çeşitleri, özellikleri, üretim yöntemleri ve en önemlisi dünyadaki ve Türkiye’deki başlıca uygulama alanları ele alınmıştır.
Nanotüpler ilk olarak 1991 yılında ortaya çıkmıştır. Grafen düzlemi dediğimiz örülü yapının bir silindir şekline sarılması ve uçlarının küresel bir silindir kapağı şeklinde kapatılması ile oluşturulur. Koltuk tipi nanotüp, zikzak yapan nanotüp ve her iki tür nanotüpten farklı yapıya sahip chiral tip nanotüp olmak üzere üç şekilde oluşum gösterirler. (Şekil 3) Ayrıca mukavemet artışı amacı ile birden fazla sarım üst üste yapılarak çok duvarlı nanotüp yapılar da elde edilebilir. Ağırlıklarının çok hafif olması, yüksek elastiklik modülüne sahip olması ve gözüken en dayanıklı fiber olması ihtimalleri karbon nanotüplerin en önemli özelliklerindendir. Karbon nanotüplerle yapılan iletimde, polifenilen esaslı zincirlerden 10 ila 100 kat daha fazla akım iletimi sağlanmaktadır.
Anahtar Sözcükler: Karbon Nanotüp, Nanoteknoloji,
Günümüzde NASA, bakır kablolara göre en az 10 kez daha iyi elektrik ilettiği için, Rice Üniversitesi’ne karbon nanotüplerden oluşan bir enerji iletim kablosu yaptırmaktadır. Bu iletim kablolarının üretimi için bir reaktöre nanotüp tohumları yerleştirilir ve karbon monoksit püskürtülerek, karbon nanotüplerin oluşması veya büyümesi sağlanır. Uzayan bu tüpler daha sonra sarılarak kuantum kablo haline getirilir. NASA’nın karbon nanotüp kablolar üretimindeki amacı, uzay mekiklerini ağır bakır kablolardan arındırıp, kuantum kablolar ile hafif bir yapı sağlamaktır.
Nanomalzeme
1.
GİRİŞ
Günümüzde teknoloji, insanoğlunun ihtiyaçlarını karşılamak için sürekli gelişmektedir. Bu gelişmelerden biri de boyutların küçültülmesi ile başlayan ve malzemelerin özelliklerini iyileştirmeye yönelik olan “nanoteknoloji”dir. ‘Mikroteknolojiden daha küçük teknoloji’ olarak da adlandırılan nanoteknoloji, atomik ölçekte gerçekleştirilen işleme teknolojisidir.
2.
Nanoteknoloji ile ilgili çalışmalar malzemelerin geliştirilmesi için de büyük önem taşımaktadır. Atomik seviyede görüntüleme, ölçme ve işleyebilme sayesinde istenilen özellikler verilerek malzemelerin geliştirilmesi de sağlanabilir. Bu işlemler sayesinde boyutları 1 ile 100 nm arasında değişen, gelişmiş özellikli malzemeler ortaya çıkartılabilir.
KARBON NANOTÜP SENTEZLEME YÖNTEMLERİ
Karbon nano tüp sentezlenmesi için yıllar süren çalışmalar sonucunda belirli yöntemler ortaya çıkartılmıştır. Sentezleme yöntemlerinin her biri farklı uygulama ve kullanım istekleri doğrultusunda şekillendirilmiştir. Yüksek saflıkta üretim isteği, düşük sıcaklıklarda sentezleme ve üretim kapasitesinin artırılması üzerine yapılan çalışmalarla bir çok değişik yöntem ortaya konulmuş ve üretimde uygulanan malzemelerin hallerinden esinlenerek katı halde karbondan ve gaz halde karbondan sentezleme şeklinde bir sınıflandırmaya gidilmiştir. Bu hallerin dışında kalan ve
1985 yılında, Richard Smalley’in bulduğu, karbon atomlarının 60’lı gruplar halinde birbirlerine bağlanması ile oluşan “buckyball”lar (küresel molekül) kütlesine bir kaç kobalt veya nikel atomu eklendiğinde şekil değiştirerek, 41
farklı isteklere cevap veren durumlar ise diğer sentezleme yöntemleri olarak belirtilmiştir.
Katı halde karbondan sentezlenenler Katı halde karbondan sentezleme yöntemlerinde karbon kaynağı, katı halde bulunan grafit bir parça kullanılmaktadır. Grafit çubuğun geometrisi yöntemden yönteme değişmektedir. Bu yöntemlerde yüksek sıcaklıklar ve yüksek basınçlar söz konusu olmaktadır.
Lazerle Aşındırma Yöntemi Bir grafit parçanın hedef olarak kullanılması ve 500 Tor basınç altında yaklaşık 1200oC sıcaklıkta çalışan bir fırın içinde lazer ünitesi ile bombardımanı ile KNT sentezlenmesi gerçekleştirilmektedir. İlk olarak 1995 yılında, Rice Üniversitesi’nde keşfedilen bu yöntemde lazer ile buharlaştırılan grafitten çıkan karbon kümeleri, helyum veya argon içeren soy gaz ortamında su soğutmalı bakır toplayıcı üzerinde birikirler. Bu birikim içinde karbon nano tüpler olacağı gibi bir miktar da nano parçacık bulunacaktır.
Şekil 2. Lazerle aşındırma yöntemi kullanılarak üretilmiş tek duvarlı KNT’lerin SEM görüntüsü
Şekil 3. Lazerle aşındırma yöntemi kullanılarak üretilmiş KNT’lerin TEM görüntüsü
Ark Boşaltma Yöntemi Ark boşaltma yöntemi karbon nano tüp sentezlenmesinde kullanılan en eski yöntemlerden biridir. Yöntemde biri anot biri de katot olmak üzere hazırlanmış iki grafit çubuk arasında ark oluşacak şekilde bir mesafe oluşturularak uygulanan doğru akım sonucu nano tüp sentezlenmesi sağlanır. İşlemin gerçekleşmesi için bir ark reaktörü içerisinde genellikle helyum gazı ile 600mbar’dan yüksek bir basınç sağlanır ve 6mm çaplı bir anot ile 9 mm çaplı bir katot arasında 20-40 V arası bir gerilim ve 50-100 A arası bir akım oluşturulur. Stabil arkın oluşma mesafesi 1mm veya daha az olmaktadır. Anoda geçen elektronlar anot ile çarpışarak katot üzerinde bir depozit oluşumuna yol açar. Bu oluşan depozit içinde karbon nano tüpler, nano parçacıklar ve kümelenmiş karbon bulunur. Ayrıca ark reaktörünün iç çeperi de karbon kümeleri ile kaplanır. Ark boşaltma yönteminde de lazer yöntemindeki gibi saf grafit hedef ile yapılan bombardıman sonucu elde edilen nano tüpler çok duvarlı olurken Co, Ni, Fe, Y gibi katalizör içeren hedeflerden elde edilen nano tüpler tek duvarlı yapıda olmaktadırlar. Katalizörler Şekil 4’deki gibi anot parçacığın merkezine yerleştirilirler.
Şekil 1. Lazerle aşındırma yöntemi şematik gösterimi
Saf grafit hedef ile yapılan bombardıman sonucu elde edilen nano tüpler çok duvarlı olurken Co, Ni, Fe, Y gibi katalizör içeren hedeflerden elde edilen nano tüpler tek duvarlı yapıda olmaktadırlar. Lazerle aşındırma yöntemi kullanılarak üretilen karbon nano tüplerin yapı görüntüleri Şekil 1’de verilmiştir. Lazerle aşındırma yöntemi, ark boşaltma yöntemine göre akma dayanımı daha yüksek, daha kaliteli tek duvarlı karbon nano tüpler üretmek için daha elverişli olmasına rağmen çok maliyetli ve üretim kapasitesi düşük bir yöntem olduğundan pek tercih edilmemektedir.
Şekil 4. Ark boşaltma yöntemi şematik gösterimi
42
Kimyasal Buhar Çökeltme (KBÇ, CVD) Genel olarak katalizörlü kimyasal buhar çökeltme (CCVD) olarak bilinen, karbon gazlarının katalizör yardımıyla kırılarak karbon nanofilamanların üretilmesi yöntemi uzun süredir uygulanmaktadır. 90’lı yıllara kadar karbon nanofilamanlar, katalizörsüz kimyasal buhar çökeltme işlemlerinde kalınlaşma prensibiyle oluşturulan buharda büyütülen karbon fiberler adındaki daha büyük (mikrometrik) karbon fiberlerin üretiminde çekirdek substratı olarak kullanılmaktalardı.
Şekil 5. Ark boşaltma yöntemi sonucu oluşan depozit
Tek duvarlı ya da çok duvarlı karbon nanotüplerin KKBÇ metotlarıyla üretilmesi, karbon içeren bir kaynağın küçük metalik parçalar ya da öbekler üzerinde ayrışması prensibine dayanmaktadır. Bu teknikte eğer bir katı substrat kullanımı söz konusuysa işleme heterojen işlem, eğer her şey bir gaz fazı içinde gerçekleşiyorsa işleme homojen işlem denmektedir. Bu tepkimeler için kullanılan metaller genelde Fe, Co ve Ni gibi geçiş metalleridir. Ark ve lazer teknikleriyle karşılaştırıldıklarında daha düşük sıcaklıklarda uygulanan işlemlerdir, zira karbon nanotüplerin oluşumu 600oC ila 1000oC sıcaklıkları arasında gerçekleşmektedir. Düşük sıcaklık kullanımından ötürü, KKBÇ yöntemlerinin çok duvarlı karbon nanotüplerin üretiminde kullanılmak üzere seçilmesi daha iyi olacaktır. Çünkü örnek olarak ark yöntemiyle üretilen ham tek duvarlı nanotüplerin yanında grafitik parçacıklar ve amorf benzeri karbon kalıntıları da bulunmaktadır. Homojen ve heterojen işlemlerin ikisi de hem kullanılan katalizörün doğasına hem de işlem şartlarına göre oldukça yüksek hassasiyet göstermektedirler. KKBÇ metotlarıyla üretilen karbon nanotüpler ark yöntemiyle üretilenlerden genellikle çok daha uzunlardır (ark yöntemindekiler birkaç mikrometre uzunluktayken, KKBÇ yöntemiyle üretilen onlarca hatta yüzlerce mikrometre uzunluklarında olabilirler). Düşük sıcaklıkta oluşan tepkimenin yapısal değişikliklere izin vermemesinden dolayı KKBÇ yöntemiyle üretilen çok duvarlı nanotüplerin kalitesinin ark yöntemiyle üretilenlerden daha düşük olduğu söylenmektedir. Bu sorunlar daha sonra inert gaz ya da vakum ortamında yapılan ısıl işlemlerle giderilebilirler. Bu tip bir sorunun tek duvarlı nanotüpler için geçerli olup olmadığı ise halen bir soru işaretidir. KKBÇ ile üretilen tek duvarlı nanotüpler genellikle, ark ve lazer yöntemleriyle üretilenlere göre (yaklaşık 100 nm çaplı) daha küçük çaplı (birkaç on nm) demetler halinde bulunurlar. KKBÇ yöntemleri ile karbon nanotüplerin daha düşük maliyetlerle seri üretimi mümkün olabilmektedir. Bu durum endüstriyel büyüklükteki uygulamaları için kilit nokta olmaktadır.
Şekil 6. Ark yöntemi ile sentezlenmiş çok duvarlı KNT’lerin SEM görüntüsü
Şekil 7. Ark yöntemi ile sentezlenmiş tek duvarlı KNT’lerin SEM görüntüsü
Solar Fırın Yöntemi Çoğunlukla fulleren sentezlenmesi için tasarlanmış bu yöntem sonraları karbon nano tüp sentezlenmesi için de kullanılmaya başlanmıştır. İşlem sıcaklıkları 4000oK düzeyindedir. Düşük verimli bir üretim söz konusu olduğundan pek tercih edilmemekte ve hatta pek çok kaynakta bu yönteme değinilmemektedir. Yöntemin en önemli yanı güneş enerjisini kullanarak sentezlemenin gerçekleştirilmesidir.
Gaz halde karbondan sentezlenenler Bu yöntemlerde kullanılan karbon kaynakları çeşitli konvansiyonel gazlar olmaktadır. Yüksek miktarlarda karbon nanotüp üretmek için sıklıkla kullanılan ve günümüze özellikle üzerinde durulan kimyasal buhar çökeltme (KBÇ, CVD) yöntemleri bu grup içerisindedir. 43
Şekil 10. IKBÇ işlemiyle büyütülmüş nanotüplerin SEM görüntüleri
Şekil 8. Katalizörlü KBÇ ile üretilen çok duvarlı karbon nanotüplerin SEM görüntüleri. Düzenli bir şekilde sıralanmış katalizörler, düzenli sıralanmış karbon nanotüplerin oluşmasını sağlamaktadır.
Isıl Kimyasal Buhar Çökeltme (IKBÇ, Thermal-CVD) Isıl kimyasal buhar çökeltme işleminin ürün ve hidrokarbon çeşitliliği, yüksek kaliteli malzemelerin sentezlenebilmesi ve mikroskobik yapıların kontrol edilebilirliği gibi avantajları bulunmaktadır. Tepkime gazının akışındaki değişme kararsız gaz tedariği anlamına geldiğinden, bu metot substratın homojenliği açısından iyi değildir. Ayrıca işlem sıcaklığonaa ve tepkime odasının sıcaklığına da duyarlıdır. Bu dezavantajlarının yanında cihaz kurulumunun basitliği ve seri imalatta avantajlı olmaları gibi özellikleri vardır. Isıl kimyasal buhar çökeltme ile karbon nanotüp üretimi şu şekilde olmaktadır. Fe, Ni, Co, ya da bu üç katalizör metalinin alaşımı öncelikle bir substratın üzerine çökeltilir. Substrat, damıtılmış suyla seyreltilmiş HF çözeltisiyle dağlandıktan sonra numune kuartz teknesine konur. Tekne bir kimyasal buhar çökeltme reaktörüne konur ve katalizör metal filminin NH3 kullanımı ile 750 ila 1050oC sıcaklıkta bir kez daha dağlanmasından sonra nano ölçekte küçük metal katalizör taneler, oluşurlar. Karbon nanotüpler bu küçük katalizör metal parçalarının üzerinde oluştuklarından bunların oluşturulması en önemli işlemdir.
Şekil 11. IKBÇ ile üretilmiş karbon nanotüplerin TEM görüntüleri
Plazmayla Güçlendirilmiş Kimyasal Buhar Çökeltme (PGKBÇ, PECVD) Plazmayla güçlendirilmiş kimyasal buhar çökeltme yönteminin ısıl kimyasal buhar çökeltme işlemine göre düşük sıcaklık avantajı bulunmaktadır. Özellikle görüntüleme cihazlarında kullanılacak olan karbon nanotüplerin üretimi soda kireci üzerinde, soda kirecinin eridiği 550oC’tan az bir sıcaklıkta üretilebilirler. Plazma KBÇ yönteminde deşarj için kullanılan güç kaynakları genelde yüksek frekanslı doğru akım kaynaklarıdır. RF (13,56 MHz) ve mikrodalgalar (2,47 GHz) genellikle kullanılan yüksek frekans güç kaynaklarıdır. Plazma yönteminde iki elektroda da yüksek frekans uygulanarak bir reaksiyon odası ya da fırınında parlak deşarj yapılır. Substrat topraklanmış bir elektrot üstüne konmuştur. Üniform bir film oluşturmak için karşı plakadan tepkime gazı yollanır. C2H2, CH4, C2H4, C2H6, CO gazları karbon nanotüp üretiminde tipik olarak kullanılan gazlardır. Fe, Ni ve Co gibi katalizör metaller Si, SiO2 ya da cam substrat üzerine ısıl KBÇ ya da püskürtme kullanılarak uygulanırlar. Substrat üzerindeki çökeltilmiş metal, amonyak ya da H2 kullanılarak dağlanabilir. Nanoskobik küçüklükte metal parçalar oluştuktan sonra, yüksek frekanslı güç kaynağından güç alan parlak plazma deşarjı ile karbon nanotüpler bu metal parçacıklar üzerinde büyürler. C2H2, CH4, C2H4, C2H6, CO gibi reaksiyon gazları işlem sırasında reaksiyon odasına yollanırlar.
Şekil 9. Isıl kimyasal buhar çökeltme cihazının şematik çizimi. 44
için dışardan üflece eklenir. Gazların akış hızları elektronik gaz akış kontrolörleri tarafından kontrol edilir. Üfleçte oluşan plazma boşalması kuartz bir tüp ile çevrelenerek dış atmosferden korunur. Karbon nanotüp üretimi için gerekli olan substrat elektrot nozülün üstündeki kuartz tübün üstünde duran bir kapağa bağlanmış kuartz tutucu üzerine konulur. Substrat olarak silikon malzemeler kullanılabilir.
Şekil 12. Plazmayla güçlendirilmiş KBÇ cihazının şematik çizimi.
Şekil 15. Karbon nanotüp üretiminde kullanılan bir MDPKBÇ teçhizatının şematik çizimi.
Akış halindeki argon gazı içerisinde (1000 sccm) plazma üfleci ateşlendikten sonra, 300 sccm H2 ve 10-50 sccm CH4’ten oluşan çökeltme karışımı eklenir. Son olarak nozülden arzu edilen bir uzaklığa substrat yerleştirilir. Bu yöntemle çok duvarlı karbon nanotüpler atmosferik basınçlar altında, substrat üzerine dışarıdan ısı uygulanmadan, düzgün sıralı bir şekilde üretilebilmektedir. Substratın çabuk ısıtılabilmesi ve eş zamanlı olarak reaktif karbon türlerinin boşalmadaki yüksek konsantrasyonları bu yöntemin avantajları olarak sayılabilir.
Şekil 13. Plazmayla güçlendirilmiş KBÇ yöntemiyle üretilmiş karbon nanotüplerin SEM görüntüleri.
Şekil 14. Plazmayla güçlendirilmiş KBÇ yöntemiyle üretilmiş karbon nanotüplerin TEM görüntüsü.
Mikrodalga Plazmayla Kimyasal Buhar Çökeltme (MDPGBÇ, MWPCVD) Bu yöntemde karbon nanotüplerin atmosferik basınçlarda üretilmesi söz konusudur. Bu yöntemin düzeneğinde mikrodalga gücü bir mikrodalga jeneratörü tarafından sağlanır. Dalgalar, dalga rehberi, eşleştirme ünitesi ve bir eş eksenli hattan geçerek demirden bir üfleç elektroda gider. Karbon kaynağı olarak CH4 gibi konvansiyonel gazlar kullanılırken, argon ve hidrojen de çökeltmenin sağlanması
Şekil 16. Si/Si02/Fe substratı ile Ar, H2, CH4 gazları kullanılarak MDPKBÇ ile hazırlanmış nanotüplerin SEM (solda) ve TEM (sağda) görüntüleri. 45
Buhar Fazında Büyütme Karbon nanotüplerin gaz karbon kaynaklardan üretim yöntemlerinin çoğunda, karbon nanotüpler metal katalizörlerin bir substrat üzerine C2H2, CH4, C2H4, C2H6 gibi konvansiyonel gazlar kullanılarak çökeltilmesiyle üretilmektedir. Buhar fazında büyütme yönteminde ise karbon nanotüpler, tepkime gazı ve metal katalizörün tepkime odasına bir substrat bulunmadan gönderilmesiyle üretilirler. Bu yöntem seri üretim için uygun olduğu bilinmektedir. Kütle akış kontrolörü bir köşede konulmuştur ve metal katalizörlerin bulunduğu tekne tepkime odasının içindedir. Oda iki bölüm fırından oluşmaktadır. Göreceli olarak daha düşük sıcaklık ilk fırında sağlanırken, asıl tepkimenin oluştuğu ikinci fırında sıcaklık daha yüksektir. İlk fırında hidrokarbon gaz her ne kadar ayrışmasa da, metal katalizörün buharlaşması için gerekli sıcaklık sağlanmış olur. Tozdan buharlaşan metal katalizörler atomik olsalar da, odanın içinde çarpışarak küçük tanecikler haline gelecek şekilde toplanırlar. Düşük sıcaklık bölgesinde metal tozundan buharlaşan küçük katalizör taneleri ikinci fırına ulaştıklarında, sıcak bölgede ayrışmış karbonlar tarafından abzorbe olunur, metal katalizör parçalarına difüze olur ve karbon nanotüp olarak sentezlenir.
Şekil 19. Buhar fazında büyütme yöntemiyle üretilmiş karbon nanotüplerin TEM görüntüleri.
Diğer sentezleme yöntemleri Bu yöntemler sıklıkla kullanılmamakla beraber, daha çok deneysel ve geliştirme aşamasındaki uygulamalardır. Karbon nanotüplerin doğadaki kendiliğinden oluşumları da bu grup altında incelenmektedir.
Hidrotermal Sentezleme Hidrotermal sentezleme yönteminde çeşitli teknikler kullanılarak yüksek basınç altında bir sulu çözeltiden maddeler kristalize edilmektedir. Yöntem “hidrotermal metot” olarak da anılmaktadır. Hidrotermal terimi jeolojik orijinlidir. Hidrotermal sentezleme, yüksek sıcaklıkta su ve yüksek basınç altında minerallerin çözülebilirliklerine dayanarak tekli kristallerin sentezlenmesi yöntemidir. Kristal büyümesi, besleyici malzemenin su ile beraber yollandığı çelikten yapılmış basınçlı bir kap olan otoklav içinde gerçekleşir. Odanın karşılıklı tarafları farklı sıcaklıklardadır. Bu sayede sıcak tarafta besleyici madde çözülürken, soğuk tarafta tohumların ek büyümesi sağlanır.
Şekil 17. Buhar fazında büyütme cihazının şematik çizimi.
Farklı sınıflara ait birçok bileşik, hidrotermal koşullarda üretilebilmektedir. Elementler, basit ve karmaşık oksitler, tungstatlar, molibdetler, karbonatlar, silikatlar, germanatlar üretilen bileşiklere örnek olarak verilebilir. Hidrotermal sentezleme ticari değeri olan sentetik kuartz ve değerli taşların üretiminde kullanılır. Verimli bir şekilde üretilen kristallerden bazıları zümrüt, yakut, kuartz, aleksandritlerdir. Hidrotermal metotta 3 farklı çeşit uygulama vardır. En çok kullanılan yöntem sıcaklık farkı yöntemidir. Aşırı doyurma işlemi kristal büyüme bölgesinde sıcaklığın düşürülmesiyle sağlanır. Besleyici madde otoklavın alt kısmında belirli bir miktar çözücüyle beraber konur. Otoklav farklı iki sıcaklık bölgesi oluşturulacak şekilde ısıtılır. Besleyici malzeme daha sıcak bölgede çözünürken, alt kısımdaki doymuş sulu çözelti, çözeltinin konvektif hareketi ile üst kısma taşınır. Üst kısımdaki daha soğuk ve yoğun çözelti alçalırken, karşı akıştaki çözelti yükselir. Sıcaklıktaki düşüş sebebiyle çözelti üst kısımda aşırı doymuş hale gelir ve kristalizasyon başlar.
Şekil 18. Buhar fazında büyütme yöntemiyle üretilmiş karbon nanotüplerin SEM görüntüleri.
İkinci yöntem ise sıcaklık düşürme yöntemidir. Bu yöntemde kristalizayon büyütme ve ayrışma bölgeleri arasında sıcaklık farkı olmadan oluşur. Aşırı doyurma çözeltinin otoklav 46
içinde dereceli bir şekilde soğutulmasıyla yapılır. Bu yöntemin dezavantajı büyüme işleminin kontrolünün ve tohum kristalin girişinin zor yapılmasıdır. Bu sebepten ötürü bu teknik çok nadir kullanılır.
Hidrotermal karbon tüplerinin sentezlenmesi, karbon, oksijen ve hidrojen atomlarının gerekli oranının sağlanması dışında kullanılan karbon kaynağının çeşidine bağımlı değildir. Hemen hemen her hidrokarbon/su karışımı uygun bir şekilde formüle edilebilir. Her ne kadar Ni katalizörü işlem için zorunlu gözükse de, grafitin büyümesinin Ni ile ilişkili olmadığı görülmüştür. Ortamdaki suyun büyük iç kanalların ve yüksek grafitik yapının oluşumundan sorumlu olduğu gözükmektedir. Su olmadan yapılan uygulamalarda daha az grafitik yapı, çok sayıda kapalı iç yapıların oluşumuyla karşılaşılmıştır.
Üçüncü yöntem ise yarı kararlı faz yöntemidir. Bu teknik büyütülecek faz ile başlangıç malzemesi görevi yapan fazın arasındaki çözünebilirlik farkından yararlanılarak uygulanılır. Besleyici madde içerisinde büyütme koşullarında termodinamik olarak kararsız davranan bileşenler konulur. Yarı kararlı fazın çözünebilirliği kararlı fazınkini geçer. Kararlı faz yarı kararlı fazın çözünmesine bağlı olarak kristalleşir. Bu teknik genel olarak diğer iki teknikle beraber birlikte kullanılırlar.
Şekil 21. Hidrotermal sentezlemeyle PE, su, Ni karışımından üretilen karbon nanotüplerin TEM görüntüleri. Hidrotermal yöntemle üretilen nanotüpler geniş kanallı ve ince duvarlı olarak karakterize edilirler. a) Kafes kenarı görüntüsü. b) Oldukça düzgün sıralanmış grafitik duvar yapıları.
Şekil 20. Hidrotermal sentezleme cihazı kurlumu
Hidrotermal sentezleme karbon malzemelerin üretiminde de önemli bir yöntem olmuştur. Polivinil klor bazlı kokun 100 MPa ve 600oC gibi düşük basınç ve sıcaklık değerlerinde su ve kalsiyum karbonat ile tepkimeye girerek grafitize olduğu görülmüştür, aynı araştırma dahilinde 1 GPa ve 1400oC değerlerinde su kullanılmadığı durumda grafitizasyon görülmemiştir. Karbon kaplamalar yüksek basınç ve yüksek sıcaklıkta suyla oluşturulabilmektedir. Daha sonra yapılan hidrotermal deneylerde içi boş bazı karbon yapılarına rastlanmıştır. Bambu benzeri karbon filamanların, bir substrat üzerinde dizilmiş halde de üretimi dahil olmak üzere, hidrotermal sentezlenmesi, bu yöntemin karbon nanotüplerin üretimi için belli bir potansiyel taşıdığını göstermiştir. Bu yöntemin uygulandığı deneylerde yüksek yoğunluklu polietilen levha ya da etilen glikol, su ve Ni tozu kullanılmış, bunlar altın kapsüller içinde yüksek basınç ve sıcaklık altında tepkimeye uğratılmıştır. Sonuç olarak çapları 10 nm ila 1,3 μm arasında değişen çok duvarlı tüpler elde edilmiştir. Oluşan tüpler oldukça düzgün sıralanmış grafitik duvar yapılarına ve geniş kanallara sahiptirler. Bu grafitik çökeltilerin şekilleri karbon filamanlarına oldukça benzemektedir. Yüksek derecedeki grafitizasyonları ve geniş iç kanalları sayesindeyse farklılık göstermektedirler. Buna ek olarak tüp içinde sıvı tutabilmeleri grafit tabakası sürekliliklerinin yüksek derecede olduğunu ve yüksek dayanıma sahip olduklarını ispatlamaktadır.
Şekil 22. a) Dar iç kanallara sahip çok duvarlı karbon nanotüpler, tek duvarlı nanotüplerin hidrotermal işlenmesiyle elde edilebilir. b) Açık tüplerin yanında kapalı tüpler de üretilebilmektedir. Oklar iç kanalların ne kadar dar olduklarını göstermektedir.
Elektroliz Bu yöntemde ergiyik lityum klorürün, grafit bir hücre kullanılarak elektrolize edilmesiyle çok duvarlı nanotüplerin üretimi yapılır. Grafit hücrenin içindeki anot grafit bir potadır. Grafit potanın atmosferdeki sıcaklığı yaklaşık 600oC’dir. 3–20 A ve 20 V’tan az DC güç kullanıldığında 2–10 nm çaplı 47
yayılımında oldukça verimli araçlar oldukları ortaya çıkmıştır. Bu özellikleri ile televizyon veya bilgisayar ekranlarında veya elektron üretmesi gereken bir katoda ihtiyaç duyulan her türlü uygulamalarda kullanılabilmektedirler.
ve 0,5 μm ya da daha fazla uzunlukta çok duvarlı nanotüpler bu yöntemle üretilebilmektedir. Amorf karbonlar karbon nanotüplerin içinde yan ürün olarak oluşmaktadır.
3.
NANOTÜPLERIN UYGULAMA ALANLARI VE YAPILAN ÇALIŞMALAR
Nanotüplerin taşıdıkları önem uygulamalarda sağladıkları farklarla rahatça anlaşılabilmektedir. Dünyada ve ülkemizde nanotüpler üzerinde yapılan kimi çalışmalarda ticari uygulamalara dahi geçilmiştir, kimi çalışmalar ise şu an teoride beklemektedir. Özellikle mühendislik açısından günümüzde uygulamaların ve geleceğe dair öngörülerin anlaşılması, bu teknolojiye dair açık bir vizyonun oluşumunu sağlayacaktır. Konunun dünya üzerindeki öneminin anlaşılması adına bir bilimsel makale arama sitesinden bakıldığında sadece bir yıllık süre içinde bile 1000’den fazla karbon nanotüpler ile ilgili yayın olduğu görülmektedir.
Şekil 23. Atomik kuvvet mikroskobunda kullanılan standart seramik uç üzerine yerleştirilmiş olan nanotüp probun SEM görüntüsü.
Nanotüpler tüm dünyada birçok araştırma grubu tarafından üzerinde çalışma yapılan bir alandır. Yaklaşık 20 senedir yapılan çalışmaların sonuçları günümüzde alınmaya başlanmıştır. Hali hazırda sınırlı endüstriyel boyutta uygulamalarına dahi geçilmiş olsa da büyük çaplı endüstriyel uygulamalar için bir miktar zamana daha ihtiyaç bulunmaktadır. Özellikle geleceğe dair uygulama planları çok önemli kazanımlar vaadetmektedir.
Kimyasal Sensörler Yarı iletken tek duvarlı karbon nanotüplerin, oda sıcaklığında kendilerini çevreleyen atmosferdeki kimyasal değişimlere karşı oldukça hassas oldukları görülmüştür. Genel olarak bakıldığında yeni nesil nanotüp bazlı sensörler, standart sensörlerden üçüncü kuvvet derecesinde daha hassastır. Öte yandan nanotüp kullanılan bu cihazlar, halen kullanımda olanlardan çok daha küçük basit yapılar olup, oda sıcaklıklarında çalışabilmektedir ve de sahip oldukları seçicilik ile tek bir cihaz farklı birçok uygulama için kullanıma uygun olmaktadır.
Günümüzdeki Uygulamalar Günümüzdeki nanotüp uygulamaları kısıtlı oranlarda olup, geniş kitlelerce kullanılır bir halde bulunmamaktadır. Yine de özellikle nanotüplerin teorideki özelliklerinin kullanılabilir hale geçebildiğini ispatladıklarından ötürü büyük önem taşımaktadırlar. Ayrıca bu uygulamalardan yola çıkılarak yeni alanlara yönelme, iyileştirme çalışmalarının yapılabilmesi, uzun vadeli planlar üzerinde yeni ufukların açılabilmesi mümkün olmaktadır. Nanotüp teknolojisinin uygun fiyatla, seri imalatta kullanılabilir hale gelmesi endüstriyel uygulamalarda kullanılabilirliğinin artmasını sağlayacaktır.
Katalizör Desteği Karbon malzemeler, heterojen katalizörlü proseslerde kullanılan cezbedici destek malzemeleridir. Karbon nanotüpler diğer aktive edilmiş karbon yapılarına göre çok daha üstün özellikleri ile katalizör desteği malzemeler olarak kullanılmaktadır. Karbon nanotüplerin morfolojileri, boyutları, özellikle boy en oranlarının çok büyük olması katalitik olarak aktif olan metal parçacıklar üzerine yayılmalarını kolaylaştırmaktadır.
Mikroskop Probları Yüksek dayanımlarından ötürü karbon nanotüpler taramalı uç mikroskoplarında (SPM) kullanılmaktadır. Karbon nanotüplerin kullanımı ile daha yüksek dayanıma sahip uçlar elde edilmiş ve yüzeyler daha yüksek çözünürlükle incelenebilmiştir. Bu tip uygulamalarda konvansiyonel olarak kullanılan seramik uçlu kuvvet sensörleri yerine çok duvarlı nanotüpler tercih edilmektedir.
Üç Boyutlu Güneş Hücreleri Günümüzde kullanılan güneş hücreleri iki boyutludur ve üzerlerine gelen güneş ışığının bir kısmını geri yansıtırlar. Üç boyutlu güneş hücrelerinin ise üzerlerine gelen güneş ışığının neredeyse hepsinin yakalayabilmesi ve bu sayede verimin yüksek oranlarda artması, ağırlık ve mekanik karmaşıklığın düşebilmesi mümkündür.
Ayrıca karbon nanotüpler, kimyasal kuvvet mikroskoplarında (CFM) kimyasal seçiciliklerinden yaralanılarak seçilmiş görüntüler almak için kullanılmaktadırlar. Nanotüplerin kimyasal olarak en reaktif oldukları uç kısımları uygulama türüne göre fonksiyonelleştirilerek uzaysal çözünürlük arttırılmaktadır.
Elektron Yayılımı Temelli Cihazlar Yapılan
araştırmalarda
karbon
nanotüplerin
Şekil 24. Elektron Yayılımı Temelli Cihazlar a) Elektron yayıcı temelli ekranın çalışma prensibi. b) Nanotüp bazlı yayım sisteminin taramalı electron mikroskobu (SEM) görüntüsü. Beyaz daireler çok duvarlı nanotüpler, çevresindeki siyah kısımlar ise çıkış ızgarasını göstermektedir.
elektron 48
Şekil 25. 3B güneş hücresi.
atılımla yetkin araştırmacılar yetiştirmek daha sonra da sanayi ölçeğinde uygulamalar geliştirmek, dolayısıyla ülkeye katma değer kazandırmak amaçlanmaktadır. Bu bakımdan yapılan çalışmalar oldukça ümit verici olup, devlet stratejisi olarak devamlı bir şekilde uygulanması halinde ülkemize kazançları oldukça yüksek olacaktır. Yapılan çalışmalar günümüzde daha çok nanotüp üretimi ve araştırmaları üzerine odaklanmış olmakla beraber, kısa vadede sanayi tipi uygulamalara geçiş planlanmaktadır.
Şekil 26. Tour De France 2006’yı kazanan Floyd Landis ve nanotüp takviyeli bisikleti.
Vizyon 2023 Projesi Ağustos 2004’te Ankara’da Nanoteknoloji Strateji Grubu tarafından nanoteknolojinin önemini belirten ve ülkemizde yapılması planlanan çalışmaları ortaya koyan “Nanobilim ve Nanoteknoloji Stratejileri” raporu yayınlanmıştır. Raporun içeriğinde bulunan “Yakıt Hücresi ve Enerji”, “Nanofabrikasyon” gibi başlıklar özellikle ülkemizdeki nanotüp uygulamalarını ilgilendiren bir konumdadır. Bu proje dahilinde nanotüp uygulamalarıyla beraber diğer nanoteknoloji çalışmalarına da destek verilmektedir.
Nanotüple Alaşımlandırılmış Karbon Fiberler Karbon nanotüplerle alaşımlandırılmış karbon fiberlerin geliştirilmiş reçine sistemiyle üretildiği malzemeden üretilen bir bisiklet gövdesi BMC bisiklet firması tarafından üretildi. Bisiklet gövdesi sadece bir kilogramın altında bir ağırlığa sahip olmasıyla beraber, yüksek rijitliğe ve dayanıma sahiptir. ABD’li bisikletçi Floyd Landis bu bisikletle, dünyanın en prestijli bisiklet yarışı sayılan Tour de France’ı 2006 yılında kazanmıştır.
Diğer çalışmalar Nanoteknolojiyle ilgili düşük boyutlu kuantum yapılarında elektron taşınımı, tarayıcı tünelleme mikroskopu (STM) ve atomik kuvvet mikroskopu (AFM) uç-yüzey arası etkileşmeler ve nanotriboloji, nanotüp ve atom zincirleri konularında yoğun kuramsal araştırmalar yapılmaktaydı. Nanoteknoloji konusunu geniş bir kapsamda ele almak, bazı kritik konularda gerekli teknolojiyi geliştirmek, uzman yetiştirmek üzere hazırlanan Ulusal Nanoteknoloji Araştırma Projesi, T.C. Devlet Planlama Teşkilatı tarafından 11 milyon YTL kaynakla desteklenmeye karar verilmiştir. Projede, prototipler geliştirmeye yönelik araştırma konuları belirlenmiştir. Kuramsal çalışmalar nanobilimin temel problemlerinin çözümleriyle uğraşarak uygulamalı çalışmalara destek verecek, çok parçacık sistemlerinin kuantum mekaniğine dayalı hesaplama yöntemleriyle yeni nanoyapılar (tüpler, teller, kuantum noktaları, manyetik moleküller, sürtünmesiz yüzeyler vb) geliştirilecek, spin ve enerjinin denge dışı kuantum istatistik fizik kuramıyla taşınması ve tutarlılığı incelenecektir.
Geleceğe Yönelik Uygulama Planları Nanotüp uygulamalarında özellikle heyecan uyandıran kısım bu gruba dahil olmaktadır. Nanotüp teknolojisinde teoriyle pratiğin buluştuğu noktada bu uygulamaların hayata geçirilebileceği umulmaktadır. Günümüzde bu tip uygulamalar deneysel anlamda yürütülmekte olup, ayrıca farklı alanlarda planlamalar ve tasarımlar sürdürülmektedir. Nanotüplerin yapısal, kimyasal, elektriksel v.d. özelliklerinden en fazla bu tür uygulamalarda yararlanılmaya çalışılmaktadır. Bunların başlıcaları aşağıdaki gibi başlıklarda incelenebilir: •
Kapasitörler
•
Yakıt Hücreleri
•
Gaz Depolama
•
Abzorbantlar
•
Bio-Sensörler
•
Kompozit Malzemeler o
Metal Matrisli Kompozitler
o
Seramik Matrisli Kompozitler
o
Plastik Matrisli Kompozitler
•
Çok Fonksiyonlu Malzemeler
•
Nano Araçlar, Nano Cihazlar, Nano Sistemler
Türkiye’de Yapılan Çalışmalar Ülkemizde nanoteknoloji üzerine yapılan çalışmalarla birlikte nanotüpler üzerine de yoğunlaşan enstitüler ve kurumlar bulunmaktadır. Özellikle eğitim alanında yapılan
Şekil 27. Bir ark reaktörü. 49
yüksek sıcaklıklara çıkan ve daha kaliteli, yüksek saflıkta nanotüp üretmeye yarayan yöntemlerin yanı sıra, daha fazla fakat daha düşük kalitede nanotüp üretmeye yarayan KBÇ gibi yöntemler de mevcuttur. Bu yöntemlerin seçimi tamamen istenen nanotüp miktarına ve kalitesine bağlı olarak gerçekleştirilecektir.
Bazı üniversitelerde yapılan çalışmalarda tek ve çok duvarlı nanotüpler üretilmektedir. Desteklenen bir proje ile yüksek sıcaklık ortamında gerçekleşen tepkimeler, tepkime hızları, kritik basamaklar ve tetikleyici bileşenlerin tespiti ile nanotüp oluşum mekanizmasının aydınlatılmasına çalışmaktadır.
Ayrıca deneysel olarak devam ettirilen ve gelecekte hidrojen depolamadan birçok alana kadar ufkumuzu genişletecek olan özel yöntemler üzerinde çalışılmaya da devam edilmektedir. Sadece özel yöntemlerin geliştirilmesine değil, tüm yöntemlerin geliştirilmesi ve yeni yöntemlerin bulunması konusundaki çalışmalar da devam etmektedir ve ettirilmelidir. Nanotüpler her ne kadar kullanım alanları açısından cevabı verilmemiş birçok soruyu, aydınlanmamış birçok sırrı barındırsa da, bu küçük yapıların günlük hayatımızda önemli bir yere varacağını şimdiden söyleyebilmek mümkündür. Nanotüplerin kısa tarihinden günümüze olan gelişimini bilmek, mühendislik açısından önümüzdeki yıllarda yapılacak çalışmalara ortak olabilmek ve de bu çalışmaları takip edebilmek, bu sayede kullanım alanları açısından uygulamaya koyabilmek dünyadaki gelişime katılabilmek açısından oldukça önemli arzetmektedir.
5.
Şekil 28. Bir ark reaktörü ve KBÇ sistemi
KAYNAKÇA
1. Akdoğan A, Küçükyıldırım B, “Nanomalzemeler ve uygulamaları”, MakinaTek, Sayı 99, İstanbul, 2006 2. http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_nanotube 3. Bhushan B, “Springer Handbook Of Nanaotechnology”, Heidelberg, 2004 Ajayan P M, Schadler L S, Braun P V, “Nanocomposite Science and Technology”, Weinheim, 2003 4. http://www.iljinnanotech.co.kr/en/material/
Şekil 29. Üniversitelerde sentezlenmiş nanotüp örnekleri
5. http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrothermal_synthesis 6 . h t t p : / / w w w. r o d i t i . c o m / S i n g l e C r y s t a l / Q u a r t z / Hydrothermal_Growth.html
Ayrıca gene bazı kuruluşlar tarafından desteklemekte olduğu bilinen “Karbon nanotüp takviyeli plastik matrisli kompozitler” ve “Karbon nanotüp takviyeli metal matrisli kompozit malzemeler” üzerine çalışmalar yürütülmektedir. Araştırmanın amaçları arasında nanotüplerin metal matrisi içinde düzgün bir şekilde disperse edilip kompozit malzeme üretilmesi, mekanik, ısıl ve elektriksel özelliklerin geliştirilmesi ve şekillendirme çalışmalarının yapılması bulunmaktadır. Bahsi geçen projeler, nanoteknolojinin sanayi boyutunda uygulanabilirliğine örnek oluşturacaktır.
7. Gogotsi Y, Libera J A, van Groos A F K, Yoshimura M, “Hydrothermal Synthesis of Carbon Nanotubes”, International Symposium on Hydrothermal Reactions, Kochi 2000 8 . h t t p : / / w w w. s c i e n c e d i r e c t . c o m / s c i e n c e ? _ ob=ArticleListURL&_method=list&_ ArticleListID=1791350770&_sort=r&_st=4&_ acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10 &md5=9dab469161f8b455dc00661e14d296b5&searchtype=a
Ayrıca, altın nanotüpler, Sıkı-Bağ Moleküler Dinamik Yöntemi ile Karbon Nanotüp Simülasyonu gibi teorik ve bilgisayar ortamı çalışmaları da yapılmaktadır.
4.
9. http://www.ccnmag.com/news.php?id=5027 10. Vizyon 2023 Projesi Nanoteknoloji Strateji Grubu, “Nanobilim ve Nanoteknoloji Stratejileri”, Ankara, 2004
SONUÇLAR
11. Çıracı B, “Bilkent Ulusal Nanoteknoloji Araştırma Merkezi”, Bilim ve Teknik, Yeni Ufuklara eki, Sayı 453, Sayfa 4-5, İstanbul 2005
İleri teknoloji ürünü malzemeler üretiminin bir parçası olan karbon nanotüpler, birçok yöntem ile sentezlenebilmekte ve birçok kullanım alanına hazır hale getirilebilmektedir. Sentezleme yöntemleri içerisinde elektrik ark yöntemi gibi
12. Altan M, Güneş A, “Ankara Üniversitesi Kimya Mühendisliği Bölümü Öğretim Elemanları Nanotüp Oluşum 50
Mekanizmasını Aydınlatmaya Çalışıyorlar”, Üni Haber, Ankara Üniversitesi Haber Bülteni, Sayı 82, Sayfa 6-7, Ankara 2007
Makine Malzemesi ve İmalat Teknolojisi Anabilim Dalı Öğretim üyesi olarak çalışmakta ve 2010 yılından beri Makine Mühendisliği Bölüm Başkanlığı görevini sürdirmektedir. Akdoğan Eker’in Malzeme Bilimi, Malzeme Mühendisliği, Korozyon ve Korozyondan Koruma, Döküm Metalurjisi, Akıllı Malzemeler, Polimerler ve Polimer Teknolojisi ve Nanoteknoloji üzerine çok sayıda makaleleri ve araştırmaları bulunmaktadır.
13. http://me.iyte.edu.tr/projects.php 14. http://www.apk.yildiz.edu.tr/devamliste2.php 15. Senger R.T., Dag S., Ciraci S., “Chiral Single-Wall Gold Nanotubes”, PhysRevLett., vol. 93, 196707, 2004 16.http://www.yildiz.edu.tr/~gdereli/lab_homepage/index. htm
Yük. Müh. Bedri Onur Küçükyıldırım – Lisans: Yıldız Teknik Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü, İstanbul, Türkiye, Ağustos 2005; Yüksek Lisans: Yıldız Teknik Üniversitesi Makine Mühendisliği, İmal Usulleri Programı, İstanbul, Türkiye, Ocak 2007 mezunu. Doktora çalışması aynı programda karbon nanotüp takviyeli alüminyum matrisli kompozit malzemeler üzerine devam etmektedir. Küçükyıldırım’ın kompozit malzemeler, diş hekimliği malzemeleri, korozyon konuları ile ilgili de yayınları ve araştırmaları bulunmaktadır.
ÖZGEÇMİŞ Prof. Dr. Ayşegül Akdoğan Eker – Lisans: İ.D.M.M.Akademisi,1978; Yüksek Lisans: İstanbul Teknik Üniversitesi, 1981; Doktora:Yıldız Üniversitesi, 1987 mezunu olan Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER, halen Yıldız Teknik Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü
51
TEKSTİL SEKTÖRÜNDE NANOTEKNOLOJİ Nilgün BECENEN1, Bülent EKER2 1
Edirne Teknik Bilimler Meslek Yüksekokulu, Trakya Üniversitesi, Edirne Tel: 284 224 02 83 E-posta:
[email protected] 2 Biyosistem Mühendisliği, Namık Kemal Üniversitesi, Tekirdağ Tel: 282 293 14 42 E-posta:
[email protected]
Özet
Tablo 1: 2015’te Dünyada nanoteknoloji icin ayrılan paradan pay alacak sektörler [1]
Malzeme alanındaki gelişmeler ve ileri teknoloji uygulamaları tekstil sektörünün kendi içerisinde gelişmesine yol açmıştır. Temel amacı giydirme ve koruma olan tekstil sektörü mikro boyutlarda üretim ve nanoteknoloji ile birleşerek yüksek performanslı fonksiyonel ürünlere de yönelmiştir.
SEKTÖR
Bilgisayar destekli ekipmanların, mikrociplerin ve nanotüplerin giysiye enteğre edilmesi ile belirli işlevleri anında ve sürekli olarak yerine getirebilen ürünler geliştirilmiştir. Nanoteknoloji sayesinde liflerin moleküler yapısı değiştirilerek permormans ve rahatlıkta üstünlük sağlayan kumaşlar üretilmiştir. Bu çalışmada güncel kaynaklardan faydalanılarak, geleceğin teknolojisi olarak görülen, son yıllarda milyarlarca dolarlık araştırma fonları ayrılan nanoteknolojinin tekstil sektöründeki uygulama alanları örneklerle tanıtılmıştır. Bu kapsamda, biçimsel hafızalı materyallerden elde edilen akıllı tekstillerden, kromik metaryellerden elde edilen akıllı tekstillere, faz değiştiren materyellerden elde edilen tekstillerden elektronik/iletken tekstillere kadar değişik alanlarda ayrıntılı bilgiler verilmiştir. Bu alanda dünya ve Türkiye’deki gelişmeler, üretim teknikleri araştırılmıştır.
PAY ($)
Malzeme Bilimi
340 Milyar
Elektronik
300 Milyar
Eczacılık
180 Milyar
Kimya&Petrol
100 Milyar
Uçak Sanayi
70 Milyar
Sağlık-Bakım-Kozmetik
30 Milyar
Cihaz-Aletler
20 Milyar
Üretim Teknikleri
45 Milyar
TOPLAM
~1 Trilyon Dolar
Yeni yüzyılda bir teknoloji devrimi olarak görülen nanoteknoloji hala gelişimini sürdürmektedir. 2025 yılına kadar gelişmesini tamamlaması ve hayatın her alanına girmesi beklenmektedir. [2].
Anahtar sözcükler: Nanoteknoloji, mikroçip, nanolif.
1.
GIRIŞ
Nanoteknoloji malzemelerin ve yapıların moleküler düzeyde işlenmesi olarak tanımlanmaktadır. Nano ölçek seviyesinde malzemelerin özellikleri makroskobik ölçekten farklı olup, birçok yeni özellikler ortaya çıkmaktadır. Nanoteknoloji mevcut mühendisliklerin makro anlamda yaptığı çalışmaları nano seviyeye indirmenin adıdır. Nanoteknoloji nin sağlamış olduğu üstün özellikler sayesinde tıp, elektronik, otomotiv, savunma, tekstil gibi birçok alanda üstün nitelikli, fonksiyonel yeni ürünler elde edilecektir. Hızlı bir şekilde gelişen nanoteknoloji pazarının 2015 yılında 1 trilyon dolarlık bir ciroya ulaşacağı tahmin edilmektedir. Nanoteknoloji malzemelerinin Pazar büyüklüğünün 340 milyar doları aşacağı, elektronikteki nanoteknoloji ürünlerin ise 300 milyar doları bulacağı belirtilmektedir. (Tablo 1)
Şekil 1: Yıllara göre nanoteknoloji gelişimi
Birçok ülke nanoteknolojiye yatırım yapmış bulunmaktadır. Bu ülkelerin 2003 yılında nanoteknolojiye yapmış oldukları yatırım miktarı tablo da gösterilmiştir.
53
Tablo 2: Dünyada Nanoteknoloji Yatırımları[3]. Ülkeler
Yatırımlar $
Japonya
1,610
ABD
1,524
Çin
480
G.Kore
280
Almanya
218
Avustralya
193
İngiltere
160
Tayvan
115
Fransa
90
İsrail
50
Hindistan
45
Finlandiya
33
Kanada
31
Singapur
30
Diğerleri
685
biyolojik maddelere karşı koruma sağlayabilecek ve tabii tüm bu özelliklerinin yanı sıra, askerin manevra kabiliyetini kısıtlamayacak tarzda hafif olan giysiler geliştirilmiştir. Günümüzde telsiz taşıyan askerlerin en önemli sorunu, telsizin üzerlerinde yarattığı ağırlıktır. Askeri tekstil malzemelerine bilgisayar mikroçiplerinin entegrasyonu ve bunların bir ağa bağlanması sonucu askerler ile birebir bağlantı kurulması sağlanmıştır. Bunun yanında da, GPS (Küresel Konumlama Sistemi-Global Positioning System) adı verilen bir sistemle de, her bir askerin nerede olduğu uydu yardımı ile anlaşılabilmektedir. Aynı zamanda bazı tekstil malzemeleri de, vücut ısısı düştüğü zaman, vücuda ısı takviyesi yaparak vücut ısısının belli bir sınırın altına düşmesini ve donmayı engellemektedir. Askerleri yararlandıklarında tedavi edecek, kimyasal ve biyolojik silahlara karşı koruyacak giysiler geliştirmek için çalışılmaktadır. Farklı iplik kesitleri (oval, kare veya üçgen) kullanılarak, giysiyi giyeni dış ortam sıcaklığındaki değişimlere karşı, genişleyip daralarak, ısıtan veya soğutan kıyafetler üzerinde araştırmalar yapılmaktadır. Özel boyanmış iletken lifler kullanılarak, elektrik sinyaliyle renk yansıma kalitesinde değişim elde edilmekte ve giysi rengi değiştirilebilmektedir. Bu tip bir özellik değişken bitki örtüsünde savaşan askerlerin arazide kamuflajlarına çok uygundur. Askerler için düşünülen bu tip koruyucu akıllı giysiler, aynı zamanda polis ve itfaiyeciler için de kıyafetlerin kullanım alanlarına göre uyarlanabilmektedir. Son altı yıl içinde elektriği iletebilen polimerlerin giysilerin birleştirilmesine yönelik çalışmalar sonucu sporculara yaptıkları hareketlerin yanlış olduğunu bildiren, zamanla doğru refleksleri kazanmalarına yardımcı olan akıllı bir dizlik geliştirilmiştir. Dizliğin amacı sıçrama, ani durma ve yön değiştirme gibi hareketlerin sıkça yapıldığı kayak, basketbol, tenis, futbol gibi sporlarda, tedavisi oldukça uzun ve masraflı olan ön çapraz bağ yaralanmalarını önlemektir. Dizliği giyen kişi bu bağları tehlikeye sokacak bir hareket yaptığında, kumaşın esnemesiyle birlikte, dizliğin içinde bulunan polimerlerde değişen elektrik yükü, bir uyarıcıyı harekete geçirerek giyen kişinin yanlış hareket yapmasını önlemektedir.
2. TEKSTİLDE NANOTEKNOLOJİ Tekstil sanayinde; düşük maliyetli ülkeler daha çok giysi ve kumaş üretimi üzerine yoğunlaşırken, üretim maliyetlerinin yüksek olduğu ülkeler sektörde tutunmak için kullanıcılara exstra yararlar sağlayan ileri teknoloji ürünleri üretmek zorundadırlar. Tekstil, Türkiye’nin ihracatta en fazla kazanç sağlamakta olduğu sektörler arasında yer almaktadır. Fakat son yıllarda yaşanan ekonomik kriz, Uzakdoğu ülkelerinin pazara hâkim olması gibi problemler yüzünden tekstil sektörü kan kaybetmiştir. Nanoteknoloji, Türk Tekstil sektörünü canlanabilir.
0,01 dtex inceliğinde naylon-polyester mikroliflerden nonwoven kumaş üretimine başlamıştır. Bu kumaşın doğa sporlarında kullanılan giysilerde kullanımı amaçlanmaktadır. Hafif havlı ve şeftali yüzeyine benzer bir yüzeyi vardır. Yumuşak, buruşmaz ve terlemeyi kontrol etme özelliği bulunmaktadır. Teri bedenden uzaklaştırabilmekte ve ultra viyole (UV) koruma özelliği yıkamadan etkilenmemektedir. Hafif ve nefes alabilir yapıdaki kumaş rüzgârı kesme özelliğine de sahiptir. Bu kumaşın ağırlığı 120 g/m² olup, gramajı 200 g/m² olan bir kumaşla aynı ısı faktörüne sahiptir. % 40 daha hafif olan bu kumaş, % 30 oranında daha çok ısıtmaktadır.
Tekstil tarihi, binlerce yıl öncesine uzamasına rağmen, devrim niteliğindeki gelişmeler son elli yıl içerisinde gerçekleşmiştir. Mikroteknoloji ve nanoteknoloji kullanılarak tekstil ve elektronik daha fazla birleştirilmektedir. Çok küçük elektronik parçalar ve duyargalar (sensörler) görünmeyecek bir şekilde tekstil ürünlerine entegre edilmektedirler. Bu ürünler otomatik izleme, düzenleme ve kontrol yapabilmektedirler. Nanoteknoloji ile üretilen bu ürünler nanotekstiller olarak adlandırılır. Nanotekstiller, askeri alanlarda yapılan araştırmaların sonucunda ortaya çıkmıştır [4]. Savaşlardaki en önemli unsur insanlardır. Savaş alanında çarpışan insanların silah güçlerinin yanında, onları tüm dış etkenlerden koruyacak ve onlar hakkında sürekli bilgi akışı sağlayacak akıllı giysiler üzerinde çalışmalara başlanmıştır. Bu alandaki Ar-Ge çalışmaları neticesinde, askerilerin giysilerinde istenen en önemli özellikler, giysinin içinde iletişim donanımının olması, giyenin fiziksel durumunun takip edilmesi, askerin sürekli yerini bildirmesi, çevreden gelen ışığı algılayabilecek ve buna göre kamuflaj düzenini algılayabilecek, ateşli silahlara, radyasyona, kimyasal ve
TEKSTİLDE NANOTEKNOLOJİ UYGULAMA ALANLARI Tekstil de nanoteknoloji 12 alanda uygulanmakta ve bu alanlar[5] aşağıdaki şekilde adlandırılmaktadır. Agrotech: tarım, su ürünleri, bahçecilik ve orman
54
Buildtech: bina ve konstrüksiyon
• Elektro üretim (electrospinning) yöntemiyle nanolif üretimi
Clothtech: giysi ve ayak giyecekleri Geotech:jeotekstiller ve inşaat mühendisliği Hometech: mobilya teknik komponentler,ev tekstilleri ve yer döşemelikleri Protech: personel ve eşya koruma Sporttech: spor ve serbest zaman Medtech: hijyenve tıbbi Mobiltech: otomobiller, deniz taşımacılığı demiryolları ve uzay
Şekil 2: Polivinilalkol-400’ün SEM görüntüsü [7].
Oekotech: çevre koruma Packtech: paketleme Indutech:filtrasyon,taşıma,temizleme ve diğer endüstriyel kullanımlar Tekstil malzemelerinde nano-teknoloji uygulamaları temelde iki başlıkta incelenebilir [12] - Farklı fonksiyonlara sahip nano boyutlarda yeni tekstil malzemeleri üretmek: Bu ürünler; nanolifler, nanotüpler ve nanokompozitlerdir. -Tekstil materyallerinin var olan fonksiyonları ile performanslarını nanoteknoloji yardımı ile geliştirmek. Şekil 3: Kitin-165’in SEM görüntüsü
Nanolifler
[7].
Genel anlamda lifler söz konusu olduğunda ‘nano’ terimi, lif çapının büyüklüğü hakkında bilgi verir. Bazı araştırmacılar çapı bir mikronun altındaki liflere nanolif derken, diğerleri ise nanolif için çapı 0,3 mikron veya daha az olan lifler tanımını uygun görmüşlerdir. Nanolifler görsel büyütme olmadan görülemezler. Büyük yüzey alanları ve küçük gözenek boyutları, nanoliflerin önemini arttırmaktadır. Nanolifler genellikle lif çekimi sonrasında bir yüzey üzerinde toplanarak dokusuz yüzey haline getirilmektedir. Sayısız nanoliflerden elde edilen ipliklerin çapları mikron seviyesindedir. Bu ipliklerin dokuma ve örme yüzeylerde kullanılmasına olanak sağlamaktadır. Nanolifler oldukça uzundurlar.3nm çapındaki bir nanolifte yaktaşık 40 molekül bulunmaktadır. Lif çapı küçüldükçe birim kütledeki yüzey alanı artmaktadır. nanoliflerin geniş yüzey alanına sahip yüzey yapıları oluşturmaları, fonksiyonel grupları, iyonları ve çok çeşitli nano seviyedeki partükülleri tutma ve yayma kapasitelerinin yüksek olmasını sağlamaktadır [6].
Şekil 4: Polipropilen’in SEM görüntüsü[7].
Nanolifler aşağıdaki yöntemler ile üretilmektedir. • Fibrilasyon ile nanolif üretimi, • Meltblown tekniği ile nanolif üretimi,
Şekil 5: Nanolif ile saç telinin SEM görüntüsü[8].
• Bikomponent nanolif üretimi, 55
NANOTÜPLER
Örneğin nanoboyuttaki kristalin piezoseramik partiküller ile işleme tabi tutulan kumaşlar bir materyal sensör haline dönüştürülebilmektedirler. Piezoseramik partiküller mekanik kuvvetleri elektriksel sinyallere dönüştürmektedirler. Eğer bu tür kumaşlar cilde yakın giysi yapımında kullanılırlarsa kullanıcının kalp ritmi ve atışları gibi vücut fonksiyonları rahatlıkla gözlemlenebilecektir. Tekstil yüzeylerinin nanoseramik partiküllerle kaplanması yanma eğilimini azaltır. Seramik indium-kalay oksit kaplanmış yüzeylerin kaplama kalınlığına bağlı olarak spektral özellikleri değiştirilebilir, etkili kamuflaj sağlanabilir. [11].
Tekstil endüstrisinde nanotüp uygulamalarında karbon nanotüpler yaygın olarak kullanılır. Karbon nanotüpler, nanometre boyutlarında oluşturulmuş oldukça küçük karbon lifleridir ve birkaç mikron veya milimetre uzunluğunda ,çapları nanometre boyutunda olan içi boş yapılardır. karbon nanotüpler doğal ve sentetik liflere göre daha sert yapıdadır.Çok katmanlı karbon nanotüpler kullanılarak,iplik prosesinde büküm esnasında belirgin mukavemete sahip çok katlı iplikler oluşturulabilir.Karbon nanotüp içeren kumaşlar,sensörler,elektronik iç bağlantılar,elektromanyetik dalgaları engelleyiciler,antenler ve elektrik depolayan bakterileri içeren elektronik tekstil uygulamalarında kullanılırlar. Karbon nanotüpler; elektrospinning yöntemi, kaplama veya nano-gözenekli membranlar kullanılarak tekstil materyalleri ile birleştirilirler [9].
NANOKOMPOZİTLER Nanokompozitler, bir matris içerisinde nanometre büyüklüğünde parçacıkların dağılması ile oluşan malzemelerdir [10]. Nanokompozit lif yapıları ile lifler modifiye edilebilirler. Polimer matris veya kaplamaya katılan nanopartiküller, yüksek sürtünme dayanımı, kolay temizlenebilme, farklı optik performans kazandırabilirler, boya alma kapasitelerini arttırabilirler. Nanokompozit teknolojisi, yapılarına katılan çevreci nanoparçacıklarla polimerik malzemelerin yanma/ tutuşma davranışını zorlaştırıcı yönde kullanılabilir.
Şekil 6: Mikrokapsüllü liflerin SEM görüntüsü [12]
Faz Değiştiren Materyaller (PCM’ler) Bu tarz bir kumaşta mikrokapsüller içindeki faz değistiren maddeler, çevredeki sıcaklık farklılığına göre sıvıdan katıya/ katıdan sıvıya geçerek, bu sıcaklık (enerji) değişimlerinin kumaşın altında vücuda etki etmesini önlemektedir.[10]
Mikrokapsüllü Tekstil Malzemeler Mikrofiberlerin*, kapsüllerin içine daha sonra serbest kalacak şekilde hapsedilen maddelerle işlenmesi sonucunda oluşan bu lif mühendisliği ürünleri mikrokapsüllü malzemeler olarak adlandırılmaktadır. Mikrokapsüllerin içine yerleştirilen ürünler geniş bir yelpazedir. Bu ürünler, ilaçlar da dâhil olmak üzere, doğal bakım ürünleri, vitaminler, UV-önleyiciler, anti-bakteriyel/anti-mikrobiyal maddeler, sivrisinek ve böcek kovucular, nemlendiriciler, yağ özleri ve parfümler. Bu şekilde üretilen kumaşlar gözle görünmeyen, dokunulduğu zaman hissedilmeyen nanopartiküller içermektedir. Mikrokapsüllü giysiler, bu belli baslı bakım ve koku maddelerini içeren kapsüllerin sürtünme, basınç ya da sıcaklığa bağlı olarak kırılıp açılması ve içeriğini dışarı vermesiyle etkinleşmektedir. Mikrokapsüllerden açığa çıkan bu maddeler de yavaşça deri tarafından emilmektedir.
Tekstilde en çok kullanılan faz değiştiren materyaller polietilen glikol ve parafinlerdir. [12]. Faz değiştiren materyalleri içeren tekstil üretimi iki şekilde yapılır. 1-Bu materyaller lif içerisine hapsedilir. 2-faz değiştiren materyalin mikrokapsüllenerek, tekstil yüzeyine kaplanmasıdır. [12]
Biçimsel Hafızalı Materyaller (SMM’ler) SMM’ler, o an bulundukları şekilden, daha önce belirlenmiş bir şekle, (genellikle ısı sebebiyle) form değiştirerek geçerler. Bu tür malzemeler, aşırı sıcak veya soğuk ortam şartları karşısında yalıtım ve koruma özelliğinin arttırılması amacıyla kullanılmaktadırlar. Konfeksiyon ürünlerindeki SMM’lerin aktive olabilecekleri sıcaklık, insan vücudunun sıcaklığına yakındır. SMM’ler aktive edildiklerinde giysi katmanları içerisinde birbirine yakın olan tabakaların aralarındaki boşluklar artarlar. Böylece dış ortam ile vücut arasında sıcaklık kaybını önleme amacıyla bir bariyer tabaka oluşturulması amaçlanır. Hem PCM’ler, hem de SMM’ler kişinin fiziksel aktivitesi ve içinde bulunduğu ortam şartlarına (sıcaklık, nem vb) bağlı olarak tepki vermektedirler [10].
Mikrokapsüller, tekstiller üzerindeki koku, antifungal ve biyosidlerin kontrollü salınımı amacıyla da kullanılmaktadırlar. antimikrobiyal nanokapsülleri ile lifleri modifiye ederek bakteri gelişimini önlediği görülmüştür. Benzer teknoloji, kokuları absorplamada da kullanılmaktadır. Antimikrobiyal kaplamalı kıyafetler vücudun dermatolojik konforunun teminini mümkün kılar. dispers formda yerleşmiş nanopartiküller, tekstil yüzeyinin çeşitli mekanik, elektrik ve optik özelliğini geliştirirler. 56
Kromik Materyaller
kullanılmak üzere geliştirilmiştir. Şimdilerde ise iç giyimde, çoraplarda, ayakkabılarda, yorganlarda, uyku tulumlarında, yatak örtülerinde bile kullanılmaktadır.
Kromik malzemeler, aynı zamanda bukalemunsu liflerdir; yani çeşitli çevresel şartlar doğrultusunda renk değiştirebilme yeteneğine sahiplerdir [10]. “Kromik materyaller” rengi yayan, rengi silen veya sadece değiştiren materyalleri ima eden genel terimdir. Çünkü neden olması dış uyarıcıdan kaynaklanır, “kromik (chromic)” de renk anlamına gelen son ektir. Bu yüzden kromik materyalleri, uyarıcının onları etkilemesine bağlı olarak aşağıdaki şekilde sınıflandırmak mümkündür. Gelen ışığın şiddetine bağlı olarak rengini değiştiren fantezi tasarımlar yaratmak için, kromik materyaller için en önemli uygulama alanı modadır. [13]
Tekstil malzemelerine faz değiştiren malzeme içeren mikrokapsüller enteğre edilir. Faz değiştiren mikrokapsüller (PMC)ısı düzenleme amaçlı olarak, yani ısının absorblanmasında ve gerektiğinde absorblanan ısının açığa çıkarılmasında kullanılırlar. Öncelikle giysi içerisine yerleştirilen PCM’ler vücuttan yayılan veya emilen ısı enerjisini aktif bir şekilde dengeleyerek dış ortam ile insan vücudu arasında yalıtkan bir tabaka oluştururlar [10].
Elektriksel Uygulamalar
PCM’lerle, sınırlı süre de olsa kendi kendini ısıtan ve soğutan tekstil ürünleri yapılmaktadır [14].
Son yıllarda özellikle elektronik fonksiyonlara sahip akıllı giysiler, giyilebilir bilgisayarlar, giyilebilen elektronikler gibi ürünler giderek daha da popüler hale gelmişlerdir. Tekstil kumaşlarının iletkenliğini geliştirme konusunda yapılmış ilk yaklaşım metalik tellerin ve ince metalik bantların kullanılmalarıdır. Metalik teller kumaş yapısı içerisine bir ağ gibi örülürler ve kumaşa gerekli elektiksel iletim özelliğini kazandırırlar.
Faz değiştiren materyal olarak birçok maddeden faydalanılabilir. Fakat tekstil uygulamalarında faz değişim sıcaklığı vücut sıcaklığı civarında olan maddeler tercih edilirler. Tekstilde en çok kullanılan faz değiştiren materyaller polietilen glikol ve parafinlerdir. Literatürde inorganik tuzlar kullanılarak yapılan çalışmalar da mevcuttur. Polietilen glikol ün moleküler ağırlığı ve parafinin karbon sayısı faz değiştirme sıcaklığını etkilemektedir [12].
Nano Boyuttaki Terbiye İşlemleri İplik ve dokuma/örme kumaş gibi temel tekstil ürünlerinin; görünümünü (boyama, baskı, parlaklaştırma v.s.) tutumunu (yumuşatma, sertleştirme, ağırlaştırma v.s.) ve kullanım özelliklerini (kolay ütülenir, güç tutuşur, su itici, buruşmazlık gibi) iyileştirmek ve geliştirmek amacıyla yapılan işlemler, terbiye işlemleri olarak tanımlanmaktadır. Nanoteknoloji uygulamaları ile daha az enerji kullanarak daha az atık veren sistemlerin geliştirilmesi, leke tutmaz kumaşlar, yıkama ihtiyacı gerektirmeyen kumaşlar için terbiye işlemleri geliştirilmesi bu alanda araştırma yapılacak konular arasındadır. Çevreye hiç zarar vermeyen ya da en az zarar veren boyama ve terbiye teknolojilerinin geliştirilmesi de hedeflerden biri olmak durumundadır.
Şekil 7: Faz değiştiren mikrokapsül içeren liflerin SEM görüntüleri [11].
İnceltici Korse
Terbiye maddeleri nano boyutlarda emülsifiye edilerek (nano-misellerle, nano-sollarla veya nano-kapsüllerle) böylece daha düzgün aplikasyon gerçekleştirilir. Bu işlem sonucunda kumaşa kalıcı buruşma dayanımı, su-kir-yağ itici, yüksek boyutsal stabilite, hidrofilik, hidrofobik, güç tutuşur, UV dayanımı, koku giderici, yüksek iletkenlik, bioparçalanma vb özellikleri kumaşlara kazandırılabilir. Nano ince kaplamalar, yüzeylerin optik özelliklerini değiştirerek kamuflaj yeteneğini arttırırlar.
İçinde, inceltici özellikleri bilinen natürel soya fasulyesi yağı, atkestanesi özü, gibi bir solüsyon bulunan mikrokapsüllü korseler üretilmiştir. Bu solüsyonun içeriğindeki karışım cilde daha çok nem ve esneklik vermek için yağları harekete geçirerek, vücudu inceltmektedir. dikişsiz korse 70 gr. ağırlığında olup, oldukça hafiftir. 10 yıkamaya kadar da etkilidir.
Şekil Hafızalı Gömlek
Nanoteknoloji Tabanlı Tekstil Örnekleri
Şekil Hafızalı malzemelerin temeli, manyetik akımdaki (“magnetorheological” manyeto-akımsal) sıvıları, kumaş yapılarına eklemek esasına dayanmaktadır. Şekil Hafızalı Alaşımlar olarak adlandırılan bu sıra dışı malzemeler, elastik bir bant gibi çekilip uzatılabilmekte ya da deforme edilebilmektedirler. En önemli özellikleri bunlara hapsedilen şekli hatırlayabiliyor olmaları ve başka bir şekle girmişken dahi ısınınca eski formlarına geri dönmeleridir.
Vücut Sıcaklığını Düzenleyen Giysiler İnsanoğlu vücut ısısının korunmasını ve kuru olmasını ister. Nanoteknoloji uygulamaları ile bu konfor giysilerde sağlanmakta. Bu giysiler vücudu ikinci bir deri gibi sarar. Nefes alır, çok hafif ve elastiktir. Ten ile uyumludur. Bu teknoloji, ilk olarak NASA için, astronotları uzayda meydana gelen ani sıcaklık değişimlerinin oluşturduğu çevresel etkilerden korunmak amacıyla geliştirilen giysilerde
Oda sıcaklığı birkaç derece yükseldiğinde, gömleğin kolları 57
kısalması için programlanabilmektedir. Kısa sürede uzun kollu bir gömlek, kısa kollu hâle gelmektedir.(Şekil 8.) Kumaş aynı zamanda sıkı bir top gibi buruşturulduğunda ya da kırıştırılıp, büküldüğünde saç kurutma makinesiyle sıcak hava üflenerek, otomatik olarak orijinal sekline geri döndürülmektedir. Üzerinizde olduğu halde gömleğinizi sadece bir saç kurutma makinesiyle ütüleyebileceğinizi düşünürseniz; bu metal alaşımlı gömlek, sıkça seyahat edenlerin hâyâlini gerçekleştirecektir.
Şekil 10: Fiber optik elbise
Fiber-optikler, bugüne kadar gökyüzünde, suda ve buz üstünde dekoratif aydınlatmalar oluşturmak için, lazer gösterileri ve şovlarda, ışıldayan giysilerde, aksesuarlarda ve iç mekânlarda; görünen/görünmeyen(ültraviyole, x-ray) ısınları çerçevelemede kullanılmaktadır. Fakat aynı zamanda acil durum ışıklandırmaları, fiber-optik sensörler, tıbbi fototerapi gibi güvenlik gözetimi konularında da uygulama alanlarına sahip olabileceklerdir.
Kendinden renkli kumaşlar Güney Amerika’da yasayan “Morpho-alae” kelebeginin kanatlarındaki renk değişiminden esinlenilerek “Morphotex” adıyla bir lif geliştirmiştir. Morphotex, her biri farklı kırılma indislerine sahip, nanometre temelinde üst üste 61 katmandan oluşan naylon ve polyester tabakalarından meydana getirilmiştir. Bu lifle dokunmuş kumaslar, ışık ısınlarının yoğunluğuna bağlı olarak, kırmızı, yeşil, mavi ve sarının varyasyonlarını yansıtmaktadır. (Resim Malzemenin kendisi renksiz olmasına rağmen çok parlak renkler yansıtan ve yumusak olan bu kumaş, elbise ve giysilerde kullanılmaktadır. Morphotex, üretiminde herhangi bir boyama işlemi söz konusu olmadığı için çevre dostudur, aynı zamanda su ve enerji tasarrufu sağlamaktadır.
Şekil 8: Şekil hafızalı gömlek [15].
Fiber optik ürünler Fiber-optikler yaygın olarak iletişim endüstrisinde kullanılmasına karşın, birçok uygulama alanı elverişli olduklarından, birçok tekstil firması bu teknolojiye yatırım yapmaktadır. Lifin içinden geçen ışık sinyalleri, çok uzak mesafelere ve geniş alanlara dijital görüntü ve yazılı bilgileri gönderebilmektedir. Işık, genellikle lifin ucundan yayılmaktadır; fakat optik lifin dış yüzeyi de işlemden geçirilirse, ışık lifin uzunluğu boyunca aktarılabilmektedir. Dokunmuş fiber-optikler, renkli ışıklar saçmakta; etkili şekilde görüntü ve yazıyı iletebilmektedirler.
Şekil 11: Morphotex kumaş[16].
. Şekil 9: Fiber optik ev tekstilleri
Nanolifler ile elde edilen kumaş yapısı 100 nm’den daha küçük parçacıkları veya damlacıkları sıvıdan veya 58
gazlardan uzaklaştırabilir. Bu da nanoliflerin filtrasyon amaçlı kullanımını sağlar [12]. lif çapı küçüldükçe filtrenin verimliliği artmaktadır.
kokuya yol açan bakterilerin üremesini de baskılıyor [16]. Ürün ortamdaki su buharı ve oksijeni kullanarak gün ışığı veya floresan ışığın etkisiyle yüzeydeki organik kirleri karbon dioksit ve suya dönüştürerek kumaş yüzeyinden uzaklaştırmaktadır.
Nanoteknolojili pantolon
Kokmayan çorap Nano-gümüş parçacıkları oldukça geniş yüzey alanına sahiptir, bu yüzden bakteriyle ya da fungiyle daha fazla temas halindedir. Nano-gümüş proteinlerle çok etkindir. Bakterilerle ya da mantarla temasa geçtiğinde hücresel metabolizmayı etkileyek, hücre gelişimini engelleyecektir. Nano-gümüş parçacıkları bakteri ve koku önlemesi bakımından çorap ve iç çamaşırlarında geniş olarak kullanılır [18].
Bitki koruma tülbenti Nanoliflerden oluşmus tülbent ile kaplanmış bitkiler zararlı kimyasallara ve böceklere karşı korunmuş olur. Aynı zamanda bu nanoliften oluşmuş tabaka sayesinde bitkiye, daha önceden nanoliften oluşmuş tülbente enjekte edilmiş gübrenin zamanla gönderilmesi de sağlanabilir.
Şekil 12: Motorsikletçi pantolono
Nano ölçekte çok ince film tabakalarının oluşturulmasıyla, nefes alabilen, fakat su ve rüzgâr geçirmeyen, buruşmayan, antistatik ozelliğe sahip tekstil ürünleri yapılabilir. Daha büyük ölçekli partiküller ile yapılan bitim işlemlerinde tekstil materyalinin görünüşü, tutumu ve rengi değişirken, nanoteknoloji ile kumaş özellikleri korunabilmekte ve daha fazla kaplama alanı sayesinde daha etkin kullanılabilmektedir.
Kendi Kendini Temizleyen Kumaş Kumaşlara kendi kendilerini temizleme becerisi, dokundukları iplikleri titanyum dioksit nano kristalleriyle kaplayarak kazandırılıyor.
Şekil 12: bitki koruma tülbenti
3. SONUÇ Tekstil arenasında nanoteknolojinin ilk ticari adımları atıldı. Tekstilde gelişme kaydetmek, yenilikler sunmak, dayanım ve performans özelliklerini arttırmak artık moleküler seviyede mümkündür. Türkiye nin Çin, Pakistan, Hindistan gibi ülkelerle rekabet edebilmesi için Avrupa’ya konforlu, işlevsel tekstil ürünleri ihraç etmesi gerekir. Buda nanoteknoloji ile mümkün olacaktır.
Şekil 13: Kendini temizleyen kumaş[17].
Bu molekül, ışığa tutulduğunda kir ve lekeleri bozunduran bir fotokatalist özelliği taşıyor. En iyi sonuçları güneş enerjisinin vermesine karşılık, kendi kendini temizleme yetisi, her türlü ışık kaynağında, hatta giysiler sahiplerinin üzerindeyken bile kendini gösteriyor. Kumaşın ipliklerine yapışan titanyum dioksit nanokristalleri ayrıca,
4. KAYNAKLAR [1] CELEP S., Nanoteknoloji Ve Tekstilde Uygulama Alanları, Cukurova Universitesi Tezi, Adana, 2007 59
ÖZGEÇMİŞ
[2] Bayındır, 2007 2007c. Türkiye’de Nanoteknoloji, Bilim ve Ütopya, 19-20, http://www.fen.bilkent.edu.tr/~mb/ GuncelYazilar/Turkiyede_Nanoteknoloji.pdf [3] ww.nano.bilkent.edu.tr/Basin/NanoTekstil.pdf, 2009 [4] coşkun E.,Akıllı Tekstiller ve Genel Özellikleri, Çukurova Üniversitesi Yüksek Lisans Tezi,ADANA,2007 [5]Adanur,S,Welling Sears Handbook of Industrial Textiles,Technomic,Lancaster PA,1995 [6] www.turkseramik.com [7] KOZANOGLU G. S.,, Elektrospinning Yöntemiyle Nanolif Uretim Teknolojisi, İstanbul Teknik Üniversitesi Yüksek Lisans Tezi, İstanbul, 2006 [8] http://www.epa.gov/ncer/events/news/2002 [9] Erkan, G., Erdogan, H. ve Kayacan, O., 2005. Tekstil Sektöründe Nanoteknoloji Uygulamaları, Tekstil Teknolojileri ve Tekstil Makineleri Kongresi Gaziantep, TÜRK_YE, ay ve gün 1926 [10] ERKAN, G., ERDOĞAN, Ü.H., KAYACAN, O.,. ‘Tekstil Sektöründe Nano-Teknoloji Uygulamaları ‘Tekstil Teknolojileri ve Tekstil Makineler Kongresi, Gaziantep, 1927,2005 [11] KUT, D., Tekstil Yüksek Müh. Cem Güneşoğlu, “Nanoteknoloji ve Tekstil Sektöründeki Uygulamalar”, Tekstil Teknik Dergisi, syf 34-36 şubat 2005. [11] www.outlast.com.2007 [12] CİRELİ, A., KUTLU, B., ONAR, N., ERKAN, G., 2006. Tekstilde İleri Teknolojiler. Tekstil ve Mühendis, 13(61):7-20. [13] www.tut.fi, 2007 [14] İKİZ, Y., 2006. Tekstilde Nanoteknoloji. Bilim ve Teknik, Aralık, 1, [15] www.esa.int/Specials/Technology_Transfer [16] “Morphotex” Fabric Mimics Butterfly Wing Shimmer Without Dyes by Diane Pham, 07/18/10( http//inhabitat. com) [17] www.teknoportal.gen.tr [18] www.autexrj.org/No1-2006/0191.pdf [19] http://schwarts.eng.auburn.edu/research
Y r d . D o ç . D r. N i l g ü n B E C E N E N EĞİTİM DURUMU 2005- 2008: Namık Kemal Üniversitesi, Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü (Doktora) 1993-1996: T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Kimya Anabilim Dalı (Yüksek Lisans) 1985-1989: Yıldız Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Kimya Bölümü (Lisans) AKADEMİK ÜNVAN/GÖREVLER 2009: (Yardımcı Doçent) T.Ü Edirne Teknik Bilimler Meslek Yüksekokulu 2009: T.Ü Edirne Teknik Bilimler Meslek Yüksekokulu Farabi Koordinatörü 1994-2008 : T.Ü. Edirne Teknik Bilimler Meslek Yüksekokulu Öğretim Görevlisi Prof. Dr. Bülent EKER Haziran 1979’da Ziraat Makineleri Bölümünden “Ziraat Yüksek Mühendisi” olarak birincilikle mezun oldu.30.06.1983 tarihinde “DOKTOR” 05.10.1989 tarihinde “ÜNİVERSİTE DOÇENTİ” unvan ve yetkisini aldı.Eylül 1992 tarihinde Trakya Üniversitesi Tekirdağ Ziraat Fakültesi Dekan Yardımcılığı görevine atandı. Bu görevi 6 sene boyunca yürüttü.14.12.1994 tarihinde Tarım Makineleri Anabilim Dalında “PROFESÖR” oldu..Yurt içinde ve yurt dışında SCI kapsamı ve dışında toplam 300 aşkın eser yayınladı.Bu eserlerden 55 tanesi rüzgar enerjisi ile ilgilidir. TÜBİTAK vb. birçok araştırması bulunmaktadır.Yurt içi ve yurt dışında konusuyla ilgili toplantılarda gerek konuşmacı gerekse katılımcı olarak bulundu ve bulunmaktadır.Namık Kemal Üniversitesi bünyesinde Uzaktan Eğitim Birimi ve ECTS ve Bologna Kurum Koordinatörlükleri yanı sıra Malzeme Bilgisi,İmal Usulleri,Makine Tasarımı başlıca vermiş olduğu dersler yanında MMO bünyesinde de uzun yıllardır Nanoteknoloji ve Akıllı Malzemeler,Bakım Yönetimi vb konusunda seminerler vermektedir.Halihazırda Namık Kemal Üniversitesi Biyosistem Mühendisliği Bölümünde görev yapmakta ayrıca Rektör Danışmanı olarak üniversitesinin gelişmesine yardımcı olmaktadır
60
AKILLI AMBALAJ UYGULAMALARI Bülent Eker 1
Namık Kemal Üniversitesi, Biyosistem Mühendisliği Bölümü,59100 Tekirdağ TÜRKİYE Tel: 282 2931442 GSM: 0 533 2473047 E-Posta :
[email protected]
1. GİRİŞ
Özet Teknolojik gelişmeler bağlı olarak insanoğlu birçok zihinsel denetim uygulamalarını akıllı sistemlere bırakma eğilimi giderek artmaktadır. Bu konu insanın diğer yaşamsal faaliyetlerine yer verebilme isteği yanında elde ettiği unsurları hatasız bir şekilde yaşantısına sokma eğiliminden kaynaklanmaktadır. Bu husus özellikle kullandığı başta ambalajlı ürünlerde ve yaşam alanlarında kendini daha çok kendini göstermektedir. Yaşam alanlarındaki kullanılan akıllı sistemler daha çok isteğe bağlı olmasına karşın ambalajlı ürünlerde kullanılan akıllı sistemler büyük bir kesimi ilgilendiren konuma gelmektedir. Özellikle gıda uygulamalarında bu husus giderek yaşantımızın bir parçası olma eğilimindedir.Ambalaj sektöründen hızla yükselen beklentiler gelişmiş bariyer özellikleri , ısıl kararlılık, dıs etkenlere karsı yüksek direnç, hafif, ucuz ama dayanıklı olması, daha iyi görünüme sahip olması, yangına karsı dirençli olması gibi özetlenebilir.Diğer yandan ürünün izlenebilirliği, gıda ürününün tüketilmeden önceki durumunun izlenmesi gıdanın emniyeti açısından önemlidir. Çevre kirliliğinin önlenmesi için ambalaj atıklarının minimuma indirilmesi gerekmektedir. Bilindiği gibi günümüz koşullarında her ürün kendi kendini satabilme özellikleriyle donatılmış olmalıdır. Ürünü koruyan ve tüketiciye sunan ambalaj bu nedenle günümüzde büyük önem kazanmıştır. Hatta ambalajlama, malların taşınmak ve satılmak üzere hazırlanması sanatı, bilimi ve teknolojisi haline dönüşmüştür ve bu konuda akıllı ambalaj uygulamaları adeta çığır açacak boyutlara doğru gitmektedir.Bu bildiride özellikle gıda ambalaj sanayinde uygulanan akıllı ambalaj uygulamaları konusunda bugüne kadar yapılanlar ve gelecekte varılabileceği tahmin edilen hususlar örnekler üzerinde açıklanmaya çalışılmıştır. Anahtar malzeme
Kelimeler:
Ambalaj,akıllı
sistem,akıllı
Günümüzde üretilen ürünlerin tüketiciye sunulabilmesi onun gerekli şartları sağlayacak yapılar içinde saklanarak iletilmesi önemli bir husustur.Bu yapılar sektör ne olursa olsun ambalaj olarak adlandırılmaktadır.Bir ürünün değer kazanması ambalajla birlikte olduğu zaman söz konusu olur.Onun üretmek kadar ambalajlamada çok önemlidir.Bu önem giderek artmakta buna bağlı olarak değişik ambalaj uygulamaları da devreye girmektedir.Bu uygulamalar daha çok kısıtlı doğal kaynakların uygun ve teknolojik kullanımına olanak sağlayacak yapıları ön planı çıkarırken tüketiciyi de bilgilendirecek öğelere sahip yapılarında oluşmasını sağlamaya yönelmiştir. Öte yandan Dünya’daki gelişmelere bakıldığında ambalajın gerçekten çok önemli bir payının yaşamımızda varlığı dikkati çekmektedir. Küresel piyasalardaki güçlü konumunu uzun süredir muhafaza eden AB, dünya ambalaj tüketiminde de %30’luk bir paya sahip bir yapıya ulaşması bunun güzel bir kanıtıdır. AB’yi, %28’lik bir oran ile Kuzey Amerika ülkeleri, %27’lik bir oran ile Asya ülkeleri, %7’lik bir oran ile Latin Amerika ülkeleri ve %8’lik bir oran ile diğer ülkeler izlemektedir. Özellikle son yıllarda hızla gelişen ve yılda ortalama %10 oranında büyüme kaydeden Türkiye ambalaj sanayiinde faaliyet gösteren firmaların büyük çoğunluğu KOBİ’lerden oluşmaktadır. Yılda 4,5-5 milyon ton düzeyinde üretim yapan sektörde, 1,7 milyon tonluk yıllık üretim ile en yüksek payı, kağıt, karton ve oluklu mukavva ürünleri oluşturuyor. Bu alt sektörü, yılda 1,5 milyon tonluk üretim ile plastik, 750 bin ton ile cam, 600 bin ton ile metal ve 500 bin ton ile ahşap ambalaj ürünleri izliyor. Türkiye’de yıllık ambalaj tüketimi ise yaklaşık 3,5 milyon ton düzeyinde seyrediyor. Tüketimin %37’sini plastik, kağıt, karton ve oluklu mukavva ambalajlar, %22’sini metal ambalajlar, %13’ünü ahşap ve %8’ini cam ambalajlar oluşturuyor. Bu yapı içinde son yıllarda yine bu sektörde ambalajın çok değişik boyutlara doğru kaydığı da bir gerçektir.Bu boyut aktif ve akıllı ambalajlama yönüne doğru hızla ilerlemektedir. Aktif ambalajlama; ürünü 61
dıs etkilerden koruyan bariyer olmanın yanı sıra ambalaj içindeki ortamı kontrol edebilen ve tepki veren ambalaj sistemidir. Akıllı ambalajlama tekniğinde ise, ambalaj içindeki ürünün kalitesi hakkında bilgi verme özelliğindedir. Akıllı ambalajlama sistemleri ürünün yasam döngüsü boyunca iç ve dış durumunu gösterebilen, diğer bir deyişle ürün kalitesi ile iletişim kurabilen ambalajlama sistemleridir. Aktif ambalajlama sistemlerinde ürün kalitesini düşürücü faktörleri azaltmak hedeflenirken akıllı ambalajlama sistemleri, ambalajlanmış gıda ürününün geçmişi ve kalitesi hakkında bilgi verir.
Şekil 1.Akıllı ambalaj uygulamalarında etiketlerde görsel sembol işaretler.
Hiç şüphe yoktur ki günümüzün bilinçli tüketicisi de tazeliği ve güvenliği kendisiyle açıkça paylaşan üreticilerin bu Akıllı Etiketlerle paketlenmiş ürünlerini satın almayı tercih edecektir. Akıllı Etiket uygulamaları tüketici odaklı üreticiler için rakiplerinden çok ötede bir hizmet sunmaktır. Gıda ürünlerini Akıllı Etiketler kullanarak ambalajlamak ,tüketiciye kaliteli ve güvenli gıda sunarak marka itibarını yükseltmek ve korumak, tüketicinin tercih ettiği marka olmak için en iyi ve en şeffaf yöntemdir. Akıllı Etiket Sistemleri, Tüketici veya Lojistik Odaklı olmaktadır .bunlardan biride bozulabilir ürünlerin sevkiyatı boyunca sıcaklık-zaman gelişimini izleyen (casus) etiketlerdir.(Şekil 2).
Uygulamada bu anlayış içinde geliştirilen bir takım yapılar söz konusudur. Bunların çoğu indikatör özelliğinde olup ya ambalaj malzemesinde yada ambalajın tasarımında uygun bir alana yerleştirilecek şekilde kullanılmaktadır.Bu amaçla;
Zaman-sıcaklık indikatörleri, Tazelik indikatörleri, Patojen indikatörler, Biyosensörler, Gaz konsantrasyon indikatörleri, Radyo frekanslı tanıma (RFID) sistemleri,
en çok tanınan akıllı ambalaj uygulama yapılarıdır. Bu yapıların belli bir kural içinde kullanılması gerekmektedir.Bu kural özellikle gıdalarda olduğu zaman ayrı bir önem taşımaktadır.Gıda ile temas eden maddelerin gıdanın yapısını değiştirecek şekilde bulaşmalarını yasaklayan AB mevzuatı, teknolojik gelişmeler sayesinde kullanımı giderek artan, ürünün raf ömrünü uzatan veya bozulduğu takdirde renk değiştiren aktif ve akıllı ambalajların kullanımına, gıda güvenliğine ilişkin belirli şartları karşıladıkları taktirde izin vermektedir.Ülkemizde her ne kadar bu konuda bir düzenleme olmamasına karşın AB mevzuatına uyum çerçevesinde aktif ve akıllı ambalajların değerlendirildiği bilinmektedir. Bu değerlendirilmede özellikle tüketiciye yönelik bilgilendirme etiket yapılarında sağlanmaktadır. Buna bağlı olarak gıda ile temas halindeki aktif ve akıllı maddelerin tüketim için uygun olmadığının “YEMEYİNİZ” ibaresi ve teknik açıdan mümkünse şekildeki sembol ile birlikte, etiketin görünür bir yerinde, en az 3mm büyüklüğündeki yazı karakteri ile belirtilmesi gerekmektedir (Şekil 1)
Şekil 2.Casus etiketler
Etiketler 5 x 5 cm ebatlarında ve yassı olup tüm dağıtım süreci boyunca sıcaklığı 8 haftaya kadar dijital olarak kaydedebilirler. Etiketler (casus) tarladan çatala, tüm dağıtım süreci boyunca bütün sıcaklık etkilerinin gözlemlenebilmesini sağlar. Birçok üretici, örneğin mantar ya da çilek tedarikçileri, ürünlerin tarladan toplanıp paketlenmesinden sonra bu etiketleri kullanmaktadır. Etiketler su geçirmez ve gıda ile temasa uygun malzemeden yapılmıştır. Su ürünleri üretenler etiketlerini doğrudan ürün üzerine yerleştirerek hassas sıcaklık ölçümleri yapabilmektedir.Et, tavuk ve hindi üreticileri, maddi değeri yüksek ürünlerinin sıcaklık kontrollerini hassas
62
ve ekonomik olarak yapmalarına bu etiketler olanak veriyor (Şekil 3)
Tablo 1 de görüldüğü gibi kullanılan indikatör ambalajın tipine bağlı olarak değiştiği gibi aynı zamanda istenen etkiye bağlı olarak yapısında değişmeler söz konusu olmaktadır.Gıda ürünlerinde bu amaçla kullanılan indikatörler içinde tazelik indikatörleri,sızıntı indikatörleri,zaman-sıcaklık indikatörleri,toksin indikatörleri ön plana çıkmaktadır. Tazelik indikatörleri: Bu indikatörler, mikroorganizmaların gelişimi sırasında meydana çıkan spesifik metabolitler ile reaksiyona girerek gıdanın mikrobiyal kalitesini doğrudan gösterebilmektedirler. Tazelik dedektörleri ambalaj içinde bulunan karbondioksit, diasetil, amin, amonyak, etanol ve hidrojen sülfürün belirlenmesinde kullanılmaktadırlar(1) Zaman-Sıcaklık indikatörleri: Tüm dağıtım zinciri boyunca ürünün zaman-sıcaklık geçmişini belirtmek üzere tasarlanarak ambalaj yüzeyine eklenmektedir. Zaman-Sıcaklık indikatörleri bireysel olarak tek bir ambalaj üzerine eklenebildiği gibi bir parti üzerine sadece bir tane olmak üzere de kullanılabilir. Böylece ürünün geçmişi üzerine kaydedilen bilgiye dayanılarak ürün kalitesi hakkında dolaylı bilgi verilebilmektedir. Zaman-sıcaklık değişimi, renk değişimi veya renk hareketi ile gösterilmektedir. Ticari Zaman-Sıcaklık indikatörleri çeşitli reaksiyon mekanizmaları (polimerizasyon, difüzyon, enzim reaksiyonları v.b.) üzerine kuruludur (1).
Şekil 3 Bazı et ürünlerinde kullanılan akıllı etiketler
Öte yandan gıda maddesinin kalitesini artırmak amacıyla açığa çıkan aktif maddeler, aktif madde olarak değil, gıda maddesinin bir bileşeni olarak kabul ediliyor ve söz konusu yükümlülükten muaf tutulmaktadır. Yani, bu maddeler gıda kalitesini artıracak şekilde kullanılıyorsa, ambalajlarda bulundurulabiliyor. Ancak bu maddelerin, aktif yada akıllı oldukları ve ürünün tüketilmeyecek kısımları oldukları anlaşılacak şekilde etiketlenmeleri ve tüketicinin hiçbir koşulda ürün hakkında yanlış yönlendirilmemesi gerekiyor.Gıda dışındaki ambalaj uygulamalarında ürünün özelliği dikkate alınarak bu tip uygulamalar ya uygulanmakta yada uygulanmasından vazgeçilmemektedir.
Tablo 1.Akılı ambalaj uygulamalarında kullanılan indikatörler ve etki şekli
2. AKILLI AMBALAJ UYGULAMALARINDA KULLANILAN İNDİKATÖRLER İndikatörler etki şekline bağlı olarak ambalaj malzemesinde yada ambalaj kabına özel tasarımla yerleştirilen adeta yuva içinde fiziksel,kimyasal vb değişimlere uğrayarak kullanıcıya bilgi vermeyi amaçlar.Hatta uygulamada bu amaçla kullanılan indikatör özelliği gösteren mikroorganizmalarında varlığından söz edilebilir.İster cansız ister canlı karakter göstersin amaç ambalaj içindeki ürün hakkında bize doğru ve açıklayıcı bilgi vermesidir.Uygulamada kullanılan bazı akıllı malzeme indikatörleri Tablo 1 de verilmiştir.
Uygulamada TTI (Time Temperature Indicator /Zaman Sıcaklık Göstergeleri) diye adlandırılan ve ürünün, üretildikten sonra tüketiciye ulaşana kadar uygun sıcaklıkta saklanıp saklanmadığını gösteren bu indikatörler ambalaj aksesuarı olarak adlandırılmaktadır(Şekil 2)
63
3.
Sektörde akıllı ambalaj uygulamalarından genel anlamda ana beklentiler ambalaj malzemesi maliyetinin düşmesi, dağıtım ve sevkiyat sırasında ambalajlardaki hasarları yok etmek, ambalajdaki ürünün ömrünü uzatmak, ambalajdaki ürünün durumu ile ilgili bilgilere on-line ulaşabilmektir.Bu yönde değişik uygulamalar günümüzde giderek çoğalmaktadır.
Şekil 2.TTI indikatörlerinin uygulamalarından
Bu tip indikatörler ambalaj üzerine yerleştirilmiş bir çip aracılığıyla gıdanın maruz kaldığı sıcaklık takip edildikten sonra, çipin içine yerleştirilmiş bir program sayesinde bu sıcaklık senaryosunun raf ömrü üzerindeki etkisi hesaplanır. Hesaplanan yeni raf ömrü ise anında market rafında bulunan bir göstergeye yansır ve böylelikle ürünün gerçek raf ömrü tüketiciye bildirilir. O ürünü alan tüketici ürünü buzdolabına koyduğu anda, bu defa marketten eve kadar ürünün maruz kaldığı sıcaklık değişikliği ve buzdolabındaki koşullar göz önüne alınarak raf ömrü gerçek değerine çekilmiş olacak ve buzdolabı üzerinde yer alacak bir elektronik gösterge sayesinde tüketici tekrar bilgilendirilecektir. Fakat bu tür çiplerin kullanılabilir olması, maliyet dışında büyüklüğe de bağlıdır.
4.
KAYNAKLAR
1)Bente,F.,Hellstorm,T.,Henrysdotter,G.,HjulmandLassen,M., Rüdinger,J., Sipilainen-Malm,T., Solli,E.,Svensson,K.,Tharkelsson,E.A.,Tuomaala,V.,2 000. Active and Intelligent Food Packaging, a nordic report on legislative aspects. Nordic Concil of Ministers, Copenhagen, pp.13-21 2) De Jong,A.R. Boumans,H., Slaghek,T., Van Veen,J., Rijk,R., Van Zanvoort,M.,2005. Active and intelligent packaging for food: Is it the future?, Food Additives and Contaminants, pp.975-979. 3) TNO Nutrition and Food research et al.,2002. European Project FAIR R&D Program (CT98-4170). ACTIPAK, Evaluating sfaty, effectiveness, economicenvironmental impact and consumer acceptance of active and intelligent packaging. 4) De Jong,A.R. Van Zanvoort,MMJ.,2004. From the best before dat e to freshness indicator, Food and Beverage International, pp.28-33. 5)Butler,P. Et al.,2001. Smart Packaging-Intelligent Packaging for Food, Beverages, Pharmaceuticals and Household Products, Materials World, 4 pp.11-13 6)Purma,Ç ve M.Serdaroğlu,2006.,Akıllı anbalaj sistemlerinin gıda sanayinde kullanımı, Türkiye 9. Gıda Kongresi; 24-26 Mayıs 2006, Bolu
Sızıntı indikatörleri:Ambalaja eklenmiş durumda bulunan sızıntı indikatörleri tüm dağıtım zinciri boyunca ambalaj içeriği hakkında bilgi vermektedir. Kullanılan sızıntı indikatörleri iki çeşittir. Bunlar; oksijen ve karbondioksit indikatörleridir ve kimyasal yada enzimatik reaksiyon sonucu geri dönüşümsüz renk değişimi prensibine dayanmaktadır (4). Tipik oksijen indikatörleri; redoks boyası(metilen mavisi), indirgen maddeler (indirgen seker), alkali bileşikler (sodyum hidroksit) dir. Bu ana bileşenlere ek olarak solventler (su ve/veya alkol) ve kıvam arttırıcıların (zeolit, silika jel, selülozlu maddeler ve polimerler) da kullanımına rastlanmaktadır. İndikatörler; tablet, etiket, baskı veya polimer film kaplanarak formüle edilebilmektedir .
Prof. Dr. Bülent EKER Haziran 1979’da Ziraat Makineleri Bölümünden “Ziraat Yüksek Mühendisi” olarak birincilikle mezun oldu.30.06.1983 tarihinde “DOKTOR” 05.10.1989 tarihinde “ÜNİVERSİTE DOÇENTİ” unvan ve yetkisini aldı.Eylül 1992 tarihinde Trakya Üniversitesi Tekirdağ Ziraat Fakültesi Dekan Yardımcılığı görevine atandı. Bu görevi 6 sene boyunca yürüttü.14.12.1994 tarihinde Tarım Makineleri Anabilim Dalında “PROFESÖR” oldu..Yurt içinde ve yurt dışında SCI kapsamı ve dışında toplam 300 aşkın eser yayınladı.Bu eserlerden 55 tanesi rüzgar enerjisi ile ilgilidir.TÜBİTAK vb. birçok araştırması bulunmaktadır.Yurt içi ve yurt dışında konusuyla ilgili toplantılarda gerek konuşmacı gerekse katılımcı olarak bulundu ve bulunmaktadır.Namık Kemal Üniversitesi bünyesinde Uzaktan Eğitim Birimi ve ECTS ve Bologna Kurum Koordinatörlükleri yanı sıra
Toksin İndikatörleri: Toksin indikatörleri tek bir mikroorganizmaya ait toksine spesifik olarak çalışmaktadır.Bu indikatörlerin kullanılmasındaki önemli problem, patojen mikroorganizmaların genellikle gıdaların içinde veya yüzeyinde çok düşük konsantrasyonlarda bulunması, düşük konsantrasyona rağmen tehlikeli olması ve gıda içerisinde homojen olarak dağılmamış olmasıdır .
SONUÇ
64
Malzeme Bilgisi,İmal Usulleri,Makine Tasarımı başlıca vermiş olduğu dersler yanında MMO bünyesinde de uzun yıllardır Nanoteknoloji ve Akıllı Malzemeler,Bakım Yönetimi vb konusunda
seminerler vermektedir.Halihazırda Namık Kemal Üniversitesi Biyosistem Mühendisliği Bölümünde görev yapmakta ayrıca Rektör Danışmanı olarak üniversitesinin gelişmesine yardımcı olmaktadır
65
GETEK giris:AYDIN_ACEMI.qxp 14.10.2011 14:25 Page 12
IV. OTURUM OTURUM BAŞKANI: Cumhur PEKDEMİR > MMO Edirne Şube Yönetim Kurulu Başkanı BÖLGESEL İKLİM MODELLERİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69 Bahadır ALTÜRK (Namık Kemal Üniversitesi) SİVİL TOPLUM KURULUŞLARINDA EŞ ZAMANLI E-ÖĞRENME (SENKRON E-LEARNİNG) OLANAKLARININ KULLANIMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77 Suat KOYUNCU (Ece Bilişim) Ufuk ÜNAL (Biyogazder) SANAL ORTAMDA SANAL DAVRANIŞ GELİŞTİRME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89 Cahit KARAKUŞ (İstanbul Kültür Üniversitesi)
12
BÖLGESEL İKLİM MODELLERİ Bahadır Altürk Namık Kemal Üniversitesi Teknik Bilimler MYO Değirmenaltı Mevkii Merkez/Tekirdağ TÜRKİYE GSM: 542 225 32 00 Tel: 282 293 14 38 E-Posta:
[email protected] Özet
vereceği zararı en aza indirebilmek için hükümetlerin geleceğe yönelik iklim değişikliği uyum politikaları geliştirmeleri gerekmektedir. Bu politikalara yön veren iklim değişikliğini anlamanın en uygun yöntemlerinden bir tanesi iklim modelleri ile geçmişe ve geleceğe dair projeksiyonlar üretmektir. Bu modellerden birleştirilmiş okyanus-atmosferdeniz buzulları sirkülasyon modelleri küresel anlamda iklim değişikliği hakkında belirgin ve anlamlı sonuçlar vermektedir, ancak çözünürlükleri 200-300 km arasında olduğundan lokal ve bölgesel alanlarda detaylı bilgi sağlamamaktadırlar.
Ulusal Uzay ve Havacılık Dairesi (NASA – Amerika Birleşik Devletleri), 2008 Ekim ayı itibariyle, küresel sıcaklığın geride bıraktığımız yüzyılda 0.74 derece arttığını, deniz seviyesinin 1895 yılından itibaren 17 santimetre civarında yükseldiğini ve Kuzey Kutbu deniz buzullarının 1979 yılından bu yana alansal olarak yüzde 38 kadar küçüldüğünü ortaya koymaktadır. Diğer taraftan, model çalışmaları ile geleceğe yönelik yapılan simülasyonlarda, 21. yüzyılda küresel ortalama yüzey ısınmasının en iyi tahminlere göre 1.8 - 4.0 oC arasında olacağına işaret ediliyor.
Bölgesel iklim modellerinin başlıca çıkış noktası küresel iklim modellerinin bölgesel ve yerel çalışmalarda ihtiyaçlara cevap verememesidir. Bölgesel iklim modelleri başlangıç ve sınır koşullarını küresel model çıktılarından almaktadırlar ve topografya özelliklerinin de yansıtıldığı daha yüksek çözünürlüklerde (20-30 km) çalıştırılabilmektedirler (Demir ve diğ. 2007).
İklim modelleri yağış, sıcaklık ve buna benzer meteorolojik parametrelerdeki değişimlerin hangi şekilde gerçekleşebileceğine dair bizlere fikir sunmaktadır. Genel sirkülasyon modelleri ile iklim değişikliği konusunda yapılan çalışmalar küresel anlamda yeterli bilgi sağlamaktadırlar ancak çözünürlükleri, bütün küre için çalıştırıldıklarından dolayı düşüktür, bölgesel alanlar için detaylı bilgi vermezler. Bu nedenle küresel iklim modellerinin ürettikleri veriler daha sınırlı alanlarda çalıştırılan bölgesel iklim modelleri ile detaylandırılır.
Bu çalışma iklim modelleri, genel sirkülasyon modelleri, bölgesel iklim modellerindeki başlıca gelişmeler, gelişen teknoloji ile birlikte gelecekte bölgesel modellerin perspektifi, bölgesel iklim modellerinin küresel iklim modellerinden farkı gibi konularda bilgiler içermektedir.
Bugün dünyada birçok grup tarafından farklı bölgelerde bölgesel iklim modelleri ile çalışmalar yapılmaktadır. Son 20 yıl içerisinde araştırma yapılan bölgelerin ve araştırmacı sayısının artması ile modellerin gelişiminde önemli yol katedildi. Bu gelişmelerde daha kaliteli veri elde etmek için çözünürlüklerin ve simülasyon zamanlarının arttırılması başrolü oynadı. En son teknoloji ile sürekli geliştirilen bölgesel iklim modelleri ile geçmişe ve geleceğe dair yapılan ve yapılacak olan uygulamalar Türkiye’nin de içinde bulunduğu birçok ülkede iklim değişikliğinin gelecekte yaratacağı etkileri daha detaylı analiz etme açısından, karar verme ve adaptasyon sürecinde hükümetlere yol gösterici olacaktır.
1.1 İklim Sistemi ve Bileşenleri İklim “Yeryüzünün herhangi bir yerinde uzun yıllar boyunca yaşanan ya da gözlenen tüm hava koşullarının ortalama durumu” olarak tanımlanmaktadır. Dünya Meteoroloji Örgütü ise, bir bölgenin iklimini belirlemek için en az 30 yıllık bir periyodun istatistiksel olarak ele alınmasını öngörmektedir. Diğer taraftan, bir bölge için iki farklı iklim tipini görebilmek ancak son derece uzun bir periyoda bakmakla mümkün olabilmektedir. İklimin belirlenmesinde atmosfer koşullarının değerlendirilmesiyle birlikte okyanuslar, buzullar, bitki örtüsü gibi unsurların da hesaba katılması gerekmektedir. Bu nedenle, iklim ile ilgili çalışmalarda tüm elemanların içinde olduğu bir sistem yaklaşımı içerisinde konuyu ele almak gerekmektedir. İklim sistemi beş ana bileşenden oluşmaktadır: atmosfer (yeri saran gazlar), hidrosfer (okyanuslar, göller, yeraltı suları vb), biyosfer (tüm yaşayan canlılar), buzküre (deniz buzları, buzullar), litosfer (yerkabuğu katmanı) ve tüm bunlar arasındaki interaktif ilişki.
Anahtar sözcükler: İklim değişikliği, İklim modelleri, yağış, sıcaklık
1.
GİRİŞ
Son yıllarda dünya gündeminde en çok konuşulan, tartışılan konulardan bir tanesi iklim değişikliğidir. Bu değişikliğin doğal kaynaklı mı olduğu yoksa insan kaynaklı mı olduğu hala birçok bilim adamı tarafından tartışma konusu olmaktadır, ancak şu var ki insan etkisinden kaynaklanan karbon salınımlarındaki artışa bağlı olarak küresel yüzey sıcaklıklarındaki artış birçok bilimsel çevre tarafından kabul edilen bir gerçektir. İklim değişikliğinin ülkelere ve topluma
1.2 İklim Değişikliği İklim ile ilgili en uzun ölçümler Dünya’nın çeşitli bölgelerinde sıcaklık ölçümleri olarak karşımıza çıkmakta ve bu ölçümlerden hareketle sıcaklık değerleri ancak 150 69
Şekil.1.1 1960-2010 yılları arasındaki atmosferdeki karbon dioksit konsantrasyonu değişimi (http://en.wikipedia.org/wiki/File:Mauna_ Loa_Carbon_Dioxide-en.svg)
3.
yıl öncesine kadar belirlenebilmektedir. Geçmiş kayıtlara ait bilgilere ise ağaç halkalarından, buzullardan, göl ve deniz diplerinden alınan örneklere çeşitli yöntemlerin uygulanması ile ulaşılmaktadır. Bu yöntemlerle jeolojik devirlerin iklimsel değişim periyotları hakkında bilgi edinmek mümkün olmaktadır. Doğal kaynaklı faktörlerin iklim üzerine etkisi çok uzun zaman diliminde ortaya çıkmaktadır. Elde edilen sonuçlar ile Dünya’nın pek çok kez buzul çağından ve ılıman iklim çağından geçtiği anlaşılmaktadır. Genele bakıldığında iklim değişiminin temelinde doğal kaynaklı ve insan kaynaklı bir değişim söz konusudur.
2.
GENEL SİRKÜLASYON MODELLERİ
Küresel iklim modelleri karışık matematiksel denklemleri kullanarak atmosfer, okyanus, kara yüzeyleri, buzullar ve güneşten gelen enerjinin dünya iklimini nasıl ve hangi şekilde etkilediğini simule eden bilgisayar programlarıdır. Çözünürlükleri genellikle 150-300 km arasında olan küresel iklim modellerinde dinamik ve termodinamik denklemler parametrize edilmektedir. Bu modeller hava durumunu belirleme, iklimi anlama ve iklim değişikliğini tahmin etmek için kullanılmaktadırlar. Genel sirkülasyon modelleri iki temel bileşenden oluşmaktadır. İlki adyabatik koşullar altında korunum denklemlerini içeren dinamik çekirdek, diğeri ise fiziksel yöntemler ve parametrelendirmedir.
İKLİM MODELLERİ
İklim değişikliğini anlamanın en uygun yöntemlerinden bir tanesi iklim modelleri ile geçmişe ve geleceğe dair projeksiyonlar üretmektir. İklim modelleri atmosfer, okyanuslar, kara yüzeyleri ve buzullar arasındaki etkileşimi gösteren yapısı matematiksel denklemlere dayanan bilgisayar programlarıdır. İklim modellerinde Dünya’ya gelen kısa dalgalı ışınlar ile Dünya’dan çıkan uzun dalga ışınlar dengede gösterilmektedir. Bu dalgalarda meydana gelebilecek dengesizlik ortalama sıcaklığın belirlenmesinde farklılıklar ortaya çıkarmaktadır. Modellerin yapısı nispeten basitten karmaşığa doğrudur. Basit bir modeli ele aldığımızda yerküreyi tek bir nokta olarak algılayan ve verdiği enerjiyi ortalayan ışınımsal ısı transfer modeli bulunmaktadır. Daha kapsamlı okyanus-atmosfer-deniz buzulları iklim modelleri ise kütle, enerji ve ışınımsal değişim denklemlerini rahatlıkla çözebilmektedir. Son yıllarda modellere ısınma eğilimini daha iyi anlamak için sera gazı yaratan etmenleri (daha fazla su buharı, bulutlar, karbondioksit ve metan gazı..) içine alan denklemler eklenmiştir.
3.1 Dinamik Çekirdek Genel sirkülasyon modelleri genellikle Navier-Stokes denklemlerinden yararlanmaktadır. Bu modeller iklim parametrelerini (rüzgar, sıcaklık, nem..) hesaplamak için hayali (spectral) yarı Langrangiyan, sonlu elemanlar kullanmaktadır.
3.1.1 Yatay Çözünürlük Yatay çözünürlük için dünya yüzeyini birçok kutucuğa bölen tel ızgara şeklindeki grid noktaları kullanılmaktadır. Yatay çözünürlükte hataları azaltmak için farklı grid yapıları ve sınırları farklı şemalar dizayn edilmiştir (Messinger, Arakawa, 1976). Bu kutucukların ölçeği küçüldükçe çözünürlük artmaktadır. Model ölçeği küçülen bölgede daha detaylı bilgi vermektedir, ancak kutucuk sayısı ne kadar artarsa yani sıklaşırsa hesaplanan denklem sayısı o kadar artmaktadır ve daha güçlü bilgisayarlara ihtiyaç duyulmaktadır. 70
Şekil.3.1 HadCM3 küresel iklim modeli ile elde edilen (2071-2100)-(1961-1990) yıllarına ait sıcaklıktaki değişimler (http://www.whychaos.com).
Şekil.3.2 Arakawa B yatay çözünürlük gridleri (http://www.ictp. trieste.it/~pubregcm/RegCM3/workshop.htm).
Şekil.3.3 Sigma seviyeleri (http://climateprediction.net/content/ modelling-climate)
3.1.2 Düşey Çözünürlük türbülans akısı ile gezegensel sınır katmanındaki dikey taşınım, bulutluluk oranı ve bitki örtüsüdür. Modelin ızgaraları üzerindeki denklemlerde dinamik yada termodinamik değişken olarak açıkça gösterilmeyen işlemler parametrize edilerek modele katılmaktadır.
Yatayda olduğu gibi atmosferdeki dikey profil de farklı seviyelere bölünmüştür. Modeller düşeyde genelde 19 seviye kullanmaktadır. Yataydakinden farklı olarak düşeydeki seviyeler eşit olarak dağılmamıştır. Belli bir seviyeden sonra basınç farkları daha aza inmektedir. Örneğin 10000 kilometre ve 9000 kilometre arasındaki fark, deniz seviyesi ile 1000 metre arasındaki basınç farkından çok daha azdır.
4.
BÖLGESEL İKLİM MODELLERİ
Geniş perspektiften incelendiğinde küresel iklim modelleri ile yapılan iklim değişikliği senaryoları topluma yeterli bilgi sağlamaktadır ve çözünürlüğü 200-300 km civarında olan küresel iklim modelleri ile geleceğe yönelik 80-100 yıllık projeksiyonlar yapılabilmektedir ancak çözünürlükleri düşük olduğundan bölgesel anlamda detaylı bilgi sağlayamamaktadırlar. Bölgesel iklim modelleri özellikle
3.1.3 Fiziksel Parametreleştirme Parametreleştirme çeşitli süreçlerin model içindeki etkilerini belirlemek için kullanılmaktadır. Birçok parametre şeması bulunmaktadır. Bunlardan en önemlileri kümülüs konveksiyonları, büyük ölçek yoğuşma, bulut tipleri, 71
yüksek çözünürlük ile çalıştırılabildiklerinden (10-50 km) geçmişe ve geleceğe yönelik yapılan simülasyonlarda yerel anlamda daha detaylı bilgi sağlayarak bölgesel ihtiyaçlara cevap verebilmektedir. Çözünürlüğü sayısal hava tahminlerine yakın bu modeller bugün artık dünyanın değişik iklimsel özelliklerine sahip bölgelerinde yaygın olarak kullanılmaktadır (Önol B, 2001).
RCM’in (Bölgesel İklim Modeli) çalıştırılabilmesi için gerekli başlangıç koşulları, meteorolojik sınır şartları (sıcaklık, rüzgar, su buharı, yüzey basıncı) ve yüzey sınır şartları ( deniz yüzeyi sıcaklığı, deniz buzu ) GCM’lerden elde edilmektedir. Bu teknik daha çok tek yönlüdür ve RCM’den GCM’e geri besleme yoktur. Model alanı önemli problem yaratacak bütün zorlama alanlarını içine alacak şekilde ve RCM’e kendi iç dinamiklerini oluşturmaya izin verecek büyüklükte seçilmelidir. Alan sınırları topografyanın karmaşık ve yüksek olduğu büyük dağ sistemleri ile kesişmemelidir. Kesiştiği takdirde sınır koşullarının konumundan dolayı iç parametrelerdeki model hassaslığı etkilenebilir (Seth ve Giorgi 1998).
GCM ile RCM’de aynı fiziksel şemaların kullanılması tutarlılık açısından iki modelin uyumlu Şekil.4.1 Bölgesel iklim modelleme yaklaşımı ( http://www.wmo.int/wcc3/bulletin/57_2_en/giorgi_ olmasını sağlamaktadır. en.html) Diğer bir yaklaşım ise her iki modelin kendi fiziksel şemalarını kullanmasıdır. Bazen aynı 4.1 Bölgesel İklim Modellemede Temel Kavramlar şemaların kullanılması farklı çözünürlüklerde farklı sonuçlar vermektedir (Giorgi ve Marinucci 1996) Atmosferin genel sirkülasyonu, Dünya’ya gelen solar radyasyon, sera gazlarının konsantrasyonu, uzun ömürlü Kaliteli RCM simülasyonları için kesinlikle kaliteli verilere stratosferik aerosol, okyanuslar ve karaların dağılımı, ve sınır şartlarına ihtiyaç vardır. Bölgesel iklim modellerinin büyük ölçekli topoğrafik bölgeler (örneğin Himalayar) gibi performans değerlendirmesi sınır şartlarının kusursuz iklim kuvvetlerinin etkisinde şekillenmektedir. Kompleks olmasına ve uyumuna bağlıdır. Bu değerlendirmelerde sınır topoğrafya, kıyı şekilleri, yüzey bitki örtüsü, iç denizler ve şartları küresel meteorolojik analizlerden elde edilmektedir. göller, kısa ömürlü troposferik aerosoller ise bölgesel iklimi Özellikle gözlem verileri modelin değerlendirilmesini etkileyen faktörlerdendir (Giorgi ve Mearns 1991). Bölgesel kısıtlayabilir. Bu veriler meteoroloji gözlem istasyonlarından, iklim modelleri küresel iklim modellerinin tamamlayıcısıdır. okyanuslardaki belirli bölgelerden ve buna benzer yerlerden Bölgesel iklim modellemede genel amaç küresel sirkülasyon elde edilmektedir. Ancak meteorolojik gözlemlerin modellerinden elde edilen verileri kullanarak istatiksel geçmişinin çok eskiye dayanmaması, okyanusların dünya ve dinamik ölçek küçültme yöntemleriyle daha yüksek yüzeyinde çok büyük alana yayılmış olmasının sonucu çözünürlüklü projeksiyonlar elde etmektir. olarak çok az bir bölgeden veri alınması, meteoroloji gözlem istasyonlarının her bölgeye eşit dağılmamış olması bölgesel Bölgesel iklim modellerinin esası ölçek küçültme kavramına model sonuçlarını kısıtlayan en büyük sebeplerdendir. dayanmaktadır. Ölçek küçültmenin amacı düşük çözünürlüklü Ayrıca çok yüksek performanslı bilgisayar olanaklarının sayısal simülasyonlardan ve dağınık gözlemlerden bölgesel yetersiz olması bölgesel iklim modellerinin çözünürlüğünü detaylar elde etmektir. Ölçek küçültmede prensip, kullanılan ve simülasyonların uzunluğunu etkilemektedir. verinin çözünürlüğü ne olursa olsun veriyi inceltmektir yani daha ayrıntılı hale getirmektir. İstatiksel ve dinamiksel olmak BÖLGESEL İKLİM MODELLERİ İLE üzere 2 adet ölçek küçültme yöntemi bulunmaktadır. İstatiksel 5. İKLİM DEĞİŞİKLİĞİ UYGULAMALARI ölçek küçültme büyük ölçekli atmosfer parametreleri ile (örneğin deniz seviyesi basıncı) istasyon verileri (sıcaklık, yağış..) arasındaki ilişkiyi açıklamaktadır. Dinamiksel ölçek Son 15 yıl içerisinde bölgesel iklim modelleri birçok küçültmede ise bölgesel iklim modelleri vasıtasıyla genel çalışmada kullanıldı ve zaman içerisinde teknolojinin de iklim modellerinden elde edilen düşük çözünürlüklü iklim gelişmesiyle RCM performansları artan bir ivme kazandı. Bölgesel modellemenin ilk yıllarında özellikle sıcaklık ve parametreleri daha detaylı hale getirilmektedir. yağışta klimatolojik sapmalar neredeyse %50 civarında idi. Genel sirkülasyon modellerinin çözünürlüğü bölgesel ve lokal Bugün ise son teknoloji RCM’lerde bu sapmalar sıcaklıkta iklim parametrelerini incelemek için yeterli değildir. GCM’e 1-2 oC, yağışta ise %25’i geçmemektedir (Giorgi ve Mearns (Genel Sirkülasyon Modeli) adapte edilmiş bölgesel iklim 1999). modelleri yerel olarak model çözünürlüğünü arttırmaktadır. 72
Şekil.4.2 Gözlem verilerinden ve bölgesel iklim modelinden elde edilen farklı çözünürlüklerdeki projeksiyonlar (Dequeve diğ. 2005)
Modeller ile alakalı birçok çalışmada karşılaştırmalı projeler ile RCM’lerin performansları test edilmektedir. Bu çalışmalarda model alanı ve büyüklüğü, farklı fiziksel şema kullanımları, sınır koşulları, verilerin çözünürlüğü gibi modelin performansını etkileyen durumlar hakkında karşılaştırmalar yapılmıştır (Giorgi 2006).
Daha sonraki aşamada ise modellerden elde edilen iki ayrı dönem verilerinin farkları bulunarak araştırma yapılan bölgede gelecekte iklim değişikliği sinyalinin ne derece olacağı hakkında öngörü sağlanmış olunuyor. Son zamanlarda ise gelecekteki yüzyıllık veya daha fazla zaman dilimi sürekli periyotlar halinde analiz edilmektedir (Hewitt ve diğ.2004).
Geleceğe dair yapılan iklim değişikliği çalışmalarında dört farklı senaryodan yararlanılmaktadır. Bu senaryolar, Dünya Meteoroloji Teşkilatı ile Birleşmiş Milletler Çevre Programının ortaklaşa kurdukları Hükümetlerarası İklim Değişimi Paneli (IPCC 2000) tarafından hazırlanmıştır. Bu senaryolarda sera gazı emisyonları hesaplanıyor ve A1, A2, B1, B2 olarak adlandırılıyor. Özellikle en çok kullanılan A2 senaryosuna göre bugünkü Dünya şartlarına yakın nüfus artışı, ekonomik gelişmeler, bölgelerdeki gelir farklılıkları ve çoğu ülkenin sera gazı artışlarına önlem almadığı varsayımı yapılarak emisyonlar hesaplanmakta ve modelin içine adapte edilmektedir. A1 ve B1’de ise A2 ve B2’de vurgulanan bölgeselliğin aksine küreselleşme ön plana çıkarılmıştır.
Tek bir zaman dilimine ait periyodun aksine sürekli periyotlarla yapılan iklim değişikliği analizleri modelin sistem üzerindeki etkilerini aşama aşama anlamak açısından daha faydalı olmaktadır. Bu uygulamalarda modelin grid aralığı 20-125 kilometre arasında değişmektedir. Özellikle GCM ile karşılaştırıldığında RCM’de daha iyi temsil edilen topografya sayesinde özellikle yağıştaki değişimler daha net incelenebilmekte ve iklim değişikliği sinyali açısından bizlere daha ayrıntılı bilgiler ve öngörüler sunmaktadır (Giorgi ve diğ.1994). Eskiiklim (paleoclimate) ile ilgili çalışmalara baktığımızda ise bunların sınırlı sayıda olduğunu görmekteyiz. Bu alanda ilk çalışma Hostetler ve diğ. (1991,1994) tarafından kaleme alınmış ve günümüze kadar ise özellikle 2000’li yıllarda bazı çalışmalar yapılmıştır. Eskiiklim ile yapılan en güzel çalışmalardan bir tanesi Sloan (2006) tarafından gerçekleştirilmiştir.
İklim değişikliğini anlamada bölgesel iklim modelleri ile yapılan çalışmalarda şimdiye kadar üzerinde en çok odaklanılan konulardan bir tanesi belirli iki zaman diliminin analizlerini ele almaktı. Bu analizlerde modeller ilk olarak genellikle geçmiş dönem yani referans dönemi (1961-1990) ve gelecek dönem (2071-2100) yılları için çalıştırılmaktadır.
73
Şekil.5.1 (RCM-SEEVCCC) bölgesel iklim modeli A2 senaryosu ile (2071-2100)-(1961-1990) yıllarına ait sıcaklık ve yağıştaki değişim simülasyonları (http://www.seevccc.rs).
Şekil.5.2 Yaz, kış, senelik 30 yıllık sürekli periyotlar halinde ortalama sıcaklıklardaki değişikliğin bölgesel bazda incelenmesi (Markku 2010)
74
5.1 Türkiye’de Bölgesel İklim Modeli Çalışmaları
iklim değişikliğine bağlı konularda dünya genelinde fikir birliği sağlanmış olunacaktır.
Türkiye, Hükümetlerarası İklim Değişimi Paneli Dördüncü Değerlendirme Raporuna göre, küresel ısınmadan en çok etkilenecek bölgelerden biri olan Akdeniz Havzası’nda yer alması nedeniyle, iklim değişikliğinin etkilerinin önlenmesi ya da en aza indirilmesi bakımından Türkiye’nin gelecekteki ikliminin tahmin edilmesi büyük önem taşımaktadır ( Demir ve diğ. 2008 ). Dünya’da gelişmiş ülkeler için bölgesel iklim modelleri ile iklim değişikliği konusunda yapılan birçok çalışma olmasına karşın Türkiye’de bu durumun sınırlı olduğu görülmektedir.
Türkiye’yi alansal olarak bir veya birkaç kutucukta (grid) ele alan küresel iklim modelleri düşük çözünürlükten dolayı özellikle topografyanın, yağışta ve sıcaklıkta neden olacağı değişimleri detaylı olarak yansıtmakta yetersiz kalmaktadır. Dinamik ölçek küçültme teknikleri bölgesel iklim modelleri ve küresel iklim modelleri arasında köprü vazifesi görerek hangi bölgede hangi meteorolojik sürecin rol alacağını kişilere ve kurumlara daha net bir şekilde açıklamaya yardımcı olmaktadır. Türkiye için Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü ile İstanbul Teknik Üniversitesi Avrasya Yer Bilimleri Enstitüsü’nün ortaklaşa yürüttüğü, “Türkiye için İklim Değişikliği Senaryoları” Tübitak projesinde öncelikle bölgesel iklim modelinin araştırma birimlerinden elde edilen 1961-1990 gözlem verileri ile karşılaştırılması yapılarak performansı test edilmiştir. Daha sonra 21. yüzyıldaki değişiklikleri belirlemek amacıyla A2 senaryosu esas alınarak 2011-2100 aralığı 30 yıllık periyotlar halinde incelenmiştir. Bu sonuçlara göre sıcaklık artışı 2040’lı yıllara kadar sınırlı kalacak ancak bu tarihten sonra hızlı bir artışla bölgeden bölgeye fark göstermekle birlikte, bazı bölgelerde 6 oC’ye kadar ulaşacağı tahmin edilmektedir. Yağışa baktığımızda ise özellikle kış ve ilkbahar yağışlarında ülkenin güneyinde azalışlar, kuzeyinde ise artışlar öngörülmektedir (Dalfes ve Karaca 2008).
Bu projelerden en önemlisi Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü ile İstanbul Teknik Üniversitesi Avrasya Yer Bilimleri Enstitüsü’nün ortaklaşa yürüttüğü, “Türkiye için İklim Değişikliği Senaryoları” başlıklı TÜBİTAK projesidir. Bu proje kapsamında küresel iklim modelinden elde edilen A2 sera gazı emisyonlarına ait senaryo çıktıları 2 farklı bölgesel iklim modeli ile ölçek küçültme metodu kullanılarak 19612000 ve 2000-2099 zaman aralıkları için detaylandırılmıştır. Projenin ilk sonuçları Türkiye’nin İklim Değişikliği Birinci Ulusal Bildiriminde (First National Communication, 2007) yayınlanmıştır. Ayrıca Önol ve Semazzi (2007), Önol ve ark. (2007), Demir ve diğ. (2007), Demir ve diğ. (2008) bölgesel iklim modeli çalışmaları ile Türkiye’de iklim değişikliği konusuna katkı sağlamışlardır.
6.
SONUÇLAR
Tek bir model ve senaryodan elde edilen sonuçlara göre Türkiye’de gelecekte iklim değişikliği konusunda kesin yargıya varmak hatalı olur. Birçok kurumun ve araştırmacın farklı sera gazı salınımı senaryoları kullanarak birçok bölgesel iklim modellerinden elde edeceği verilere göre daha kapsamlı öngörüler elde etmek karar alıcılara Türkiye’deki insan sağlığı, ekonomik faaliyetler, çevre, tarım, su, enerji politikaları, hava kirliliği, bölgesel kalkınma gibi başlıca konularda yararlı olacaktır.
Bölgesel iklim modellerinin ürettiği çıktıların çözünürlükleri küresel iklim modellerine kıyasla daha yüksek olduğu için bölgesel bazda çok daha detaylı bilgi vermektedirler. RCM’lerin performansı GCM’lerden elde edilen veri kalitesine ve yüksek hesaplama gücüne sahip bilgisayar teknolojisine bağlıdır. İklim simülasyonları için iklim sistemindeki süreçleri ve sınır koşullarını yani Dünya’yı etkileyen güneş enerjisi, sera gazlarının atmosferdeki oranı, atmosfer-karaokyanusların etkileşimlerini çok iyi bilmek gerekmektedir. Özellikle gelecek yıllar için insanların yapabileceği, sera gazı salınımları üzerine senaryolar kurarak çalışmaktır. En büyük belirsizlik de buradan kaynaklanmaktadır, çünkü iklimin nasıl değişeceği bizim atmosfere ne kadar sera gazı salacağımıza bağlıdır.
7.
KAYNAKLAR
[1] Dalfes, N ve Karaca, M.,. “Türkiye İçin İklim Değişikliği Senaryoları” TÜBİTAK KAMAG Projesi, 2008 105G015 [2] Demir İ., Kılıç G., Coşkun M., Türkiye ve Bölgesi için PRECIS Bölgesel İklim Modeli Çalışmaları, I. Türkiye İklim Değişikliği Kongresi Bildiri Kitabı, İstanbul, 2007, s252261. [3] Demir, İ., Kılıç, G., Coşkun, M. PRECIS Bölgesel İklim Modeli ile Türkiye İçin İklim Öngörüleri: HadAMP3 SRES A2 Senaryosu, IV. Atmosfer Bilimleri Sempozyumu, Bildiriler Kitabı, 365-373. İTÜ Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesi Meteoroloji Mühendisliği Bölümü, 25-28 Mart 2008, İstanbul. [4] Deque, M., R.G. Jones, M. Wild, F. Giorgi, J.H. Christensen, D.C. Hassell, P.L. Vidale, B. Rockel, D. Jacob, E. Kjellstrom, M. de Castro, F. Kucharski and B. van den Hurk: Global high resolution versus limited area model climate change scenarios over Europe: quantifying confidence level from PRUDENCE results. Climate Dyn., 2005, 25, 653-670.
Son yıllarda birçok araştırmacı küresel iklim modellerinin çıktılarına dayanan, Dünya’nın bütününü ele alan iklim değişikliği çalışmalarından ziyade bölgesel alanlarda meydana gelecek değişiklikleri anlamak açısından daha yararlı olan bölgesel iklim modeli ile yapılan çalışmalara yönelmektedir. Ancak bireysel yapılan çalışmalar dünya genelindeki bölgesel iklim değişikliklerini bir bütün halinde ortaya koyma açısından yetersiz kalmaktadır. RCM ile yapılan çalışmalar tarım, su kaynakları, enerji, buzullar, ekosistemler, hava kirliliği, insan sağlığı, bölgesel ekonomiler gibi konularda karar alıcılara ve topluma fayda sağlamaktadır. Paydaş diyaloglarla koordineli şekilde yürütülecek projeler ile RCM’in araştırmalardaki faydası arttırılacak ve aynı zamanda toplumları etkileyen bölgesel 75
[5] First National Communication of Turkey on Climate Change, 2007. [6] Giorgi F., Mearns LO., Approaches to the simulation of regional climate change: A review, Rev Geophys., 1991, 29:191–216. [7] Giorgi F., C. Shields Brodeur, and G.T. Bates, 1994: Regional climate change scenarios over the United States produced with a nested regional climate model, Journal of Climate, 1994, 7, 375-399. [8] Giorgi F. and M.R. Marinucci, Improvements in the simulation of the surface climatology of the European region with a nested modeling system, Geophysical Research Letters, 1996, 23, 273-276. [9] Giorgi F. and L. O. Mearns, Introduction to special section: Regional climate modeling revisited, J. Geophys. Res., 1999, 104, 6335-6352. [10] Giorgi, F., Regional climate modeling: Status and Perspectives. Journal de Physique IV, 2006, 139, 101-118. [11] Hewitt CD., Griggs D., Ensembles-based predictions of climate changes and their impacts, Eos Trans., 2004, 85:566. [12] Hostetler, S.W., and F. Giorgi, Use of a regional atmospheric model to simulate lake-atmosphere feedbacks associated with Pleistocene Lakes Lahontan and Bonneville, Climate Dynamics, 1991 7, 39-44. [13] Hostetler, S.W., F. Giorgi, G.T. Bates and P.J. Bartlein, The role of lake-atmosphere feedbacks in sustaining paleolakes Bonneville and Lahontan 18,000 years ago. Science, 1994, 263, 665-668. [14] Markku Rummukainen, State-of-the-art with regional climate models, Wiley Interdisciplinary Reviews: Climate Change 1:1, 2010, 82-96 [15] Messenger and Arakawa, F. Messenger and A. Arakawa, Numerical methods used in atmospheric models, In: GARP Publication series, No. 17, World Meteorological Organisation, Geneva 1976, p. 64. [16] Nakicenovic, N. and R. Swart, Eds. IPCC. 1.5. Why New IPCC Emissions Scenarios? In: Chapter 1: Background and Overview. In: IPCC Special Report on Emissions Scenarios 2000. [17] NASA, Global Climate Change 2008 http://climate.jpl. nasa.gov/index.cfm [18] Önol B, Türkiye ve Civarı İkliminin Bölgesel Bir İklim Modeliyle Simülasyonu: Yüzey Koşullarına Duyarlılık Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2001. [19] Önol B., Semazzi, F., Unal, Y. S., Dalfes H. N., 2007. “Regional Climatic Impacts of Global Warming over the Eastern Mediterranean”, Proceedings of the International Conference on Climate Change and Middle East; Past, Present and Future, 20-23 November 2006, İstanbul. [20] Önol, B. and Semazzi, F., H., Regionalization of Climate Change Simulations over Eastern Mediterranean, Journal of Climate, 2007. [21] Seth A. and F. Giorgi, The effect of domain choice on summer precipitation simulation and sensitivity in a regional climate model. Journal of Climate, 11, 1998, 2698-2712.
[22] Sloan L. and Thrasher B., “The Effects of Paleoelevation on the Early Eocene Climate of Western North America,” Eos Trans. AGU, 87(52), Fall Meet. Suppl, 2006 [23] http://climateprediction.net/content/modelling-climate [24] http://en.wikipedia.org/wiki/File:Mauna_Loa_Carbon_ Dioxide-en.svg [25] http://www.ictp.trieste.it/~pubregcm/RegCM3/ workshop.htm [26] http://www.seevccc.rs [27] http://www.whychaos.com. [28] http://www.wmo.int/wcc3/bulletin/57_2_en/giorgi_ en.html
ÖZGEÇMİŞ Bahadır ALTÜRK 1982 yılı Tekirdağ doğumluyum. İlk ve orta öğrenimimi aynı ilde tamamladım. 2004 yılında Hacettepe Üniversitesi Ağaç İşleri Endüstri Mühendisliğinden mezun olduktan sonra 2005-2010 yılları arasında özel sektörde çalıştım. Bu zaman zarfında 2007-2009 yılları arasında İstanbul Teknik Üniversitesi Avrasya Yer Bilimleri Enstitüsü İklim ve Deniz Bilimleri Anabilim Dalında yüksek lisansımı tamamladım. 2011 Şubat ayından beri Namık Kemal Üniversitesi Teknik Bilimler MYO’ da öğretim görevlisiyim ve doktora programına Namık Kemal Üniversitesi Ziraat Fakültesi Arazi ve Su kaynakları Anabilim Dalında devam etmekteyim
76
SİVİL TOPLUM KURULUŞLARINDA EŞZAMANLI E-ÖĞRENME (SENKRON E-LEARNING) OLANAKLARININ KULLANIMI Suat KOYUNCU 1, Ufuk ÜNAL 2 ECE BİLİŞİM San. ve Tic. Ltd. Şti. Fahrettin Kerim Gökay Cad. Ortaklar İş Merkezi No: 71 Da: 37 Kadıköy – İstanbul Tel: 216 449 30 40 GSM: 533 955 18 37 E-Posta:
[email protected] 2 Biyogazder Yönetim Kurulu Başkanı ve TÜGİAD Enerji Komisyonu Başkanı E-Posta:
[email protected] 1
Özet
öğrenme sürecini daha geniş kitlelere sunabilmesi açısından da eğitimin faydasını artırmaktadır.
Bu bildiri, özellikle üniversitelerimizde ve diğer akademik birimlerde yaygın bir şekilde kullanılmaya başlayan ve senkron e-learning olarak adlandırılan bir teknolojinin –daha doğru bir tanımlamayla teknolojik ortamın– başta meslek odaları olmak üzere öncelikli olarak STK’lerde (ve sonrasında da bu STK’lerin öncülüğünde ilgili sektör ve toplum birimlerinde) eğitim amaçlı olarak kullanılmasının STK’lere, üyelerine, hitap ettiği kurumlara/firmalara/ kuruluşlara ve en nihayetinde de toplumun geneline eğitim konusunda sunacağı olanakları ve faydaları anlatarak, bu yeni teknolojileri kullanan yapılanmaların topluma yapacağı katkıları, sağlayacağı kolaylıkları anlatmayı hedeflemektedir.
Klasik ve geleneksel öğrenme yöntemlerini kullanan eğitim sistemlerinin mekân ve zaman bağımlı olması ve öğrenim görecek ya da eğitilecek kitlenin eğitim materyallerine ulaşabilmesi açısından çeşitli kısıtlamalar getirmesi nedeniyle internet olanaklarını da kullanarak eşzamanlı bir öğrenim sürecinin daha kullanışlı ve yararlı olacağı ortadadır.
2. BAZI TEMEL KAVRAMLAR VE TANIMLAR Konu ile ilgili bazı temel kavramlar aşağıda incelenmiştir. 2.1 Eğitim (Education) a. Yeni kuşakların, toplum yaşayışında yerlerini almak için hazırlanırken, gerekli bilgi, beceri ve anlayışlar elde etmelerine ve kişiliklerini geliştirmelerine yardım etme etkinliği.
Anahtar sözcükler: eğitim, öğrenim, uzaktan eğitim, e-öğrenme, senkron e-learning, eşzamanlı e-öğrenme, STK
1. GİRİŞ
b. Önceden saptanmış amaçlara göre insanların davranımlarında belli gelişmeler sağlamaya yarayan planlı etkiler dizgesi.
Bilgi, günümüzde toplumların rekabet güçlerini ve gelişmişlik düzeylerini belirleyen en önemli öğe haline gelmiştir. Bilgi toplumuna geçiş sürecinde eğitimden sağlığa, enerjiden medyaya kadar her alanda bilişim teknolojilerinin kullanılmasıyla insan kaynaklarının geliştirilmesi, sürekli ve yaşam boyu eğitim öncelikli önem taşımaktadır.[1]
c. Belli bir konuda, bir bilgi ya da bilim dalında yetiştirme ve geliştirme. d. Her kuşağa, geçmişin bilgi ve deneylerini düzenli bir biçimde aktarma ya da kazandırma işi.
Gelişen ve değişen teknoloji, küresel bazda eğitimde yaygın ve ortak çözümlerin geliştirilmesine olanak verirken, aynı zamanda bireylerden beklentilerin hızla artmasına, eğitim kalitesinin uluslararası standartlar içinde değerlendirilmesine yol açmaktadır.[2]
e. Eğitim ruhbilimi, eğitim felsefesi, eğitim tarihi, öğretim programları, özel ve genel öğretim yöntemleri, öğretim teknikleri, yönetim, denetim vb. eğitim ve öğretim alanlarını kapsamak üzere öğretmen, yönetici ve eğitim uzmanı yetiştirmek amacıyla ilgililer için düzenlenen bütün kurslara ve bu kurslarla ilgili bilimsel çalışmalara verilen genel ad.[3]
İnternet’e geniş bantlı erişimin son günlerde ülkemizde de yaygınlaşmasıyla sivil toplum kuruluşlarında (STK’lerde), kuruluş ile çalışanların, üyelerin ve sonrasında da hitap ettiği toplum birimlerinin eğitiminde yurt dışında son on yıldır –özellikle akademik kurumlarda– yaygın bir şekilde kullanılan ve senkron e-learning diye tanımlanan (Türkçede eşzamanlı e-öğrenme olarak tanımlayabileceğimiz) bir teknolojinin kullanım olanağı da ortaya çıkmıştır.
2.2. Öğrenim (Learning) Herhangi bir meslek, sanat veya iş için gerekli bilgi, beceri ve alışkanlıkların elde edilmesi amacıyla yapılan çalışma, tahsil. [3]
Bu teknolojinin internet üzerinden kullanılabilmesi toplumun hemen hemen her kesimine ulaşılabilmesini sağlamaktadır. Senkron yani eşzamanlı olması da eğitim ve öğrenme sürecinde eğitilenin de katılabileceği etkileşimli bir öğrenme ortamı sunabilmesi sayesinde ve diğer mevcut öğrenme/eğitim ortamlarına nazaran eğitimin kalitesini,
2.3. Beş Gerekli Anda Öğrenim Öğrenim genel ve süreğen bir süreçtir. Ancak öğrenme durumunun yaşanabilmesi için bazı anlar vardır. Bu anlar aşağıda listelenmiştir: 77
• İlk kez bir şeyler öğrenme, • Daha önceki öğrenme deneyimlerine dayanarak öğrenme, • Önceki öğrenmelerden bağımsız ya da unutulmuş olan durumlarda uygulama anında öğrenme, • Bir şeyleri yapmanın yeni yollarına uyum sağlamak için bir şeyleri değiştirdiğinizde öğrenme, • Bir şeyler yanlış gittiğinde sorunu çözmek için öğrenme.
açık öğretim, bağımsız öğrenme, programlı öğrenme, ortamlara dayalı öğrenme, bireysel öğretim, kitlesel öğretim, sürekli öğretim, dönüşümlü eğitim, yaşam boyu eğitim, açık üniversite ve benzeri kavram ve uygulamaların gelişmesini teşvik etmektedir. Bilimsel ve teknolojik gelişmeler, eğitim isteğindeki artış, maliyet, etkililik ve verimlilik, uzaktan eğitimin gelişmesini sağlayan nedenlerdir.[5]
Bu beş gerekli an, örgün (yüz yüze) eğitim ile maalesef gerçeklenememektedir. Bunun için teknolojinin de yardımıyla yüz yüze eğitimin yanı sıra farklı öğrenme ortamları da oluşturmak gerekmektedir.
Uzaktan eğitim, uzaktan öğrenme ve uzaktan öğretim terimleri sık sık birbirleri yerine kullanılmaktadır. Bu terimlerin açıklamaları birbirine benzer yapılmaktadır. Uzaktan eğitim; kişilere çalışmak için az rastlanır fırsatlar verir fakat uzaktan eğitim kişilerin koşulları ya da mesleki zorunluluklar ile ilgilenmez. Bu yüzden uzaktan eğitim önceleri ‘mektupla öğretim’ kelimesi ile eş anlamlı olarak kullanılırken daha sonraları eğitim televizyon ile birlikte kullanılmıştır. Ama esas büyümesi videoyu, telekonferans sistemini, e-posta ve interneti de içeren iletişim teknolojileri aracılığı ile olmuştur.[8]
2.4. Uzaktan Eğitim (Distance Education) Uzaktan eğitim; öğretici ve öğrenenin fiziksel olarak farklı mekânlarda olduğu, öğrenimlerini kendi hız ve kapasitelerine göre ayarlayarak, eğitim teknolojilerinden yararlanarak, verimli ve kaliteli bir şekilde öğrenme/öğretme etkinliklerini sürdürebilecekleri bir eğitim sistemi olarak tanımlanmaktadır. [4] Bu eğitim eşzamanlı (senkron) ve eşzamansız (asenkron/ farklı zamanlı) ya da bu ikisinin harmanlanması şeklinde gerçekleşebilir.
Başlıca uzaktan eğitim teknolojileri olarak mektup yoluyla öğretimden, basılı materyal, radyo, televizyon, sesli ve videokasetler, çokluortam, bilgisayar destekli eğitim, elektronik posta, internet, veritabanları, uydu teknolojileri ve videokonferans, sanal gerçeklik olarak geniş bir yelpazede karşımıza çıkmaktadır.[9]
Uzaktan eğitim, geleneksel öğrenme-öğretme yöntemlerindeki sınırlılıklar nedeniyle sınıf içi etkinliklerin yürütülme olanağı bulunmadığı durumlarda eğitim çalışmalarını planlayanlar ve uygulayanlar ile öğrenenler arasında iletişim ve etkileşimin özel olarak hazırlanmış öğretim üniteleri ve çeşitli ortamlar yoluyla belli bir merkezden sağlandığı bir öğretim yöntemidir.[5]
İnternet ve iletişim teknolojilerindeki gelişmeler uzaktan eğitimde maliyetin düşürülmesinin yanı sıra, etkileşim, zengin görsel materyal kullanımı ve eşzamanlı-farklı zamanlı uygulama olanakları da sağlamıştır. Eğitimde etkileşim ve iletişim çok önemlidir. Uzaktan eğitim teknolojileri ilk kullanılmaya başlandığında genellikle etkileşimli değilken gelişen teknoloji ile öğrenen-öğretici, öğrenen-öğrenen ve öğrenen-öğretici materyal etkileşimini artırmıştır. Etkileşimli uzaktan öğrenme sistemleri etkileşimin eşzamanlı ve eşzamansız biçimde olmasına göre iki kategoride ele alınabilir. Uzaktan eğitimde canlı yayın (multicast/unicastbroadcasting) ve talep üzerine yayın (ondemand) türlerine göre etkileşim birebir-çift yönlü, birden-çoğa tek yönlü olabildiği gibi günümüz teknolojileri ile birden-çoğa çift yönlü etkileşim ve iletişim mümkün olmaktadır. Her çıkan yeni teknoloji ile yeni bir uzaktan eğitim modeli ortaya çıkmıştır Kullanılacak teknolojiler metin, ses, görüntü ve elektronik ortam gibi değişik ortamlarda farklı uzaktan eğitim amaçlı kullanım potansiyeline sahiptir.[9]
Yüz yüze eğitimin (örgün eğitim) temel öğesi olan öğrencieğitimci iletişiminin, uzaktan eğitimde kısmen yerini alabilmesi için, yeni yaklaşımlardan yararlanılmaktadır. Uzaktan eğitim teknolojisi, uzaktan eğitimi, yüz yüze eğitime bir alternatif olarak sunmak için, büyük bir hızla gelişmektedir. Eğitim programı sayesinde öğrenciler eğitim programının tamamını veya bir kısmını eğitim veren kurum merkezinden uzaktaki bir coğrafi konumda tamamlayabilmektedirler.[6] Uzaktan eğitim, gerek geleneksel yöntemlerle çözülemeyen eğitim sorunlarının çözüm arayışlarından biri olarak kabul edilmesi, gerekse sağladığı olanak ve esneklikler nedeniyle yaygınlaşmaya devam ederken ortaya çıkacak problemlerin çözümünü de beraberinde getirecek biçimde gelişmektedir.[7]
Tablo 1.’de teknolojik özelliklerin bulup bulunmadığına dair uzaktan eğitim modelleri dönemlere göre incelenmiştir: [10]
Uzaktan Eğitim uygulamalarını teşvik eden gereksinmeleri şöyle sıralayabiliriz: • Bireylerin farklı eğitim gereksinimi duymaları ve mevcut eğitim sisteminin bunu karşılayamadığı durumlarda yeni olanaklar geliştirerek bireysel, bağımsız öğrenme ile kitle eğitiminin sağlanması, • Geleneksel eğitim uygulamalarındaki aksaklıkları giderici yeni seçenekler yaratılması, • Mevcut eğitimin dışında kalan bireylere eğitim olanağı yaratan yeni modeller yaratılması, • Tüm bireylerin eğitimden eşit yararlanmasının sağlanması. Bu durum ve gereksinmeler eğitim alanında uzaktan öğretim, 78
TABLO 1. Uzaktan Eğitim Modelleri Teknoloji Özellikleri
Uzaktan Eğitim Modelleri ve İlişkilendirilmiş Teknolojiler
Esneklik Zaman
Yer
Erişim Hızı
Yüksek Kaliteli Materyal
İleri Düzeyde Etkileşimli Erişim
Azalan Kurumsal Harcama
Hayır
Hayır
BİRİNCİ KUŞAK: Mektupla Öğretim Basılı materyal
Evet
Evet
Evet
Evet
İKİNCİ KUŞAK: Çokluortam Modeli Basılı materyal
Evet
Evet
Evet
Evet
Hayır
Hayır
Ses kaseti
Evet
Evet
Evet
Evet
Hayır
Hayır
Görsel kaset
Evet
Evet
Evet
Evet
Hayır
Hayır
Bilgisayar Destekli Öğrenim
Evet
Evet
Evet
Evet
Evet
Hayır
Etkileşimli Görüntü
Evet
Evet
Evet
Evet
Evet
Hayır
ÜÇÜNCÜ KUŞAK: Tele Öğrenim Modeli Sesli konferans
Hayır
Hayır
Hayır
Hayır
Evet
Hayır
Video konferans
Hayır
Hayır
Hayır
Hayır
Evet
Hayır
Sesli grafik iletişimi
Hayır
Hayır
Hayır
Evet
Evet
Hayır
Eğitsel TV/radyo yayını ve sesli telekonferans
Hayır
Hayır
Hayır
Evet
Evet
Hayır
DÖRDÜNCÜ KUŞAK: Esnek Öğrenme Modeli Çevrimiçi etkileşimli çokluortam
Evet
Evet
Evet
Evet
Evet
Evet
İnternet tabanlı kaynaklar
Evet
Evet
Evet
Evet
Evet
Evet
Bilgisayar temelli iletişim
Evet
Evet
Evet
Evet
Evet
Evet
BEŞİNCİ KUŞAK: İleri Esnek Öğrenme Modeli Çevrimiçi etkileşimli çokluortam
Evet
Evet
Evet
Evet
Evet
Evet
İnternet tabanlı kaynaklar
Evet
Evet
Evet
Evet
Evet
Evet
Otomatik cevaplamalı bilgisayar temelli iletişim sistemlerinin kullanımı
Evet
Evet
Evet
Evet
Evet
Evet
Yerleşke portalından kurumsal süreç ve kaynaklara erişim
Evet
Evet
Evet
Evet
Evet
Evet
Kısaca uzaktan eğitimin temel özelliklerini sıralayacak olursak;[5]
özel olarak hazırlanmış eğitim medyası kullanılır. • Öğrenenle öğreten arasında iki yönlü iletişimi ve etkileşimi sağlamak için ayrıca bilişim ve etkileşim teknolojilerinden yararlanılır. • Öğrenci değerlendirmesinin sağlanması için etkili bir eğitim yönetimi oluşturulur.
• Öğretim sürecinin çoğunluğunda öğrenen ve öğreten ayrı yerlerde bulunur. • Öğrenen ve öğreteni birleştirecek ve ders içeriğini iletecek 79
Uzaktan eğitimdeki etkileşimlerden başlıcaları şunlardır: • • • • • • • •
sistemleri kullanılmakta iken, günümüzde bunlara ilave olarak taşınabilir bilgisayarlar ve cep telefonları önemli düzeyde kullanılmaya başlanmıştır. • Hızlı geri besleme: Günümüzde uzaktan eğitim sayesinde öğrenciler, e-posta yolu ile dünyanın herhangi bir yerinden günün herhangi bir saatinde ödevlerini gönderebilmekte ve bu çalışmalarının değerlendirme sonuçlarını hemen aynı şekilde internet üzerinden alabilmektedirler. • Diğer eğitim sistemlerine göre ucuz olması: Altyapıya yönelik yatırımın çok yüksek düzeyde olması ya da öğrenci başına düşen ücretlendirmenin geleneksel eğitime göre daha yüksek olması veya yapılan yatırım maliyetini karşılayacak sayıda öğrencinin bulunamaması durumları hariç, uzaktan eğitim, eğitim sistemleri arasında en ucuzudur. • Teknoloji ve Eğitim: Sanal sınıflar uydu veya sıkıştırılmış video kodlama ya da tam bant genişliği kullanılarak birbirlerine bağlanabilmekte ve bu sayede kişiler uzak yerlerde olsalar bile yüz yüze eğitim alabilmektedirler.
Öğrenmeyi artırmak Katılımı artırmak İletişimi geliştirmek Geri bildirim almak Motivasyon artırmak Anlayışın ve algılamanın artırılması Takım oluşturma Keşif ve arama
Uzaktan eğitim uygulamalarının başlıca kaynaklarını aşağıdakiler oluşturmaktadır:[5]
kavramsal
Yaşam boyu eğitim, Büyük kitlelere ulaşma, Teknoloji ile eğitimi birleştirme, Eğitim isteği Bireysel ve kitlesel öğretimde bütünleşme Demokratikleşme, Birey ve toplum gereksinimlerine yönelme, İş-eğitim bütünlüğü sağlama, Kurumlardan etkili yararlanma, Yeni olanaklar yaratma, Bireysel olgulara dönme, Üç boyutlu bütünleşmeyi esas alma (basın-yayın, mektup, yüz yüze eğitim), • Mali olanak dengesi.
• • • • • • • • • • • •
Uzaktan eğitimin gereksinimi başlıca iki kavramdan kaynaklanmaktadır. Bunlardan birincisi, fırsat eşitliği kavramı ya da toplumdaki tüm bireylerin, eğitim yaşantı ve olanaklarından yararlanmaya hakkı olduğu inancı; diğeri ise, eğitimin bir dizi bireysel ve toplumsal amaçların gerçekleşmesine katkıda bulunabilecek başlıca etmenlerden biri olduğu hakkında beslenen inançtır. Bugün bile eğitimde fırsat ve olanak eşitsizliklerinin giderilememiş olması nedeniyle kalite ve standart düşüklüğü sorunlarıyla karşılaşılmaktadır. Bu nedenle eğitimde verim ve etkinliliği arttırmak, bireylerin değişen eğitim ihtiyaçlarına cevap vermek, eğitim teknolojisinin kitle eğitim boyutunu oluşturan uzaktan eğitimin gelişmesine yol açmıştır. Uzaktan eğitim sayesinde herkese yaşam boyu eğitim imkânı sağlanmıştır.[12]
Tüm bunlarla beraber uzaktan eğitimin genel özelliklerini sayacak olursak; [11] • Küreselleşme: Uzaktan eğitim hizmeti veren kurumlar genel olarak küresel düzeyde eğitim verebilecek niteliğe sahip olmalıdır. • Kişiselleştirme: Doğu ve Batı’daki geleneksel eğitim sisteminin en belirgin özelliği, eğitmen ve öğrencinin yüz yüze iletişim kurması olup bu tip eğitim öğrencilerin değişik zekâ ve öğrenme yetenekleri yerine grubun genel seviyesine göre düzenlenmektedir. • Özelleştirme: Uzaktan eğitim sistemi, öğrenciyi sınıf ortamından alarak bireysel olarak eğitilebileceği bir konuma taşır. Bu sistemde, kurumsal öğrenmenin yerini bireylere göre özelleştirilmiş öğrenme alır. • Endüstrileşme: Büyük bir kitlenin bir ürüne olan artan ihtiyacını karşılayabilmek için ilgili endüstrilerin kurulmasına benzer bir şekilde, insanların artan eğitim taleplerine hızlı ve etkin bir şekilde cevap verebilmek için uzaktan eğitim kurumlarının açılması kaçınılmaz duruma gelmiştir. • Geleneksel eğitime uygun olmayan öğrencilere hizmet verme: Uzaktan eğitim, dünya çapında her yıl milyonlarca kişi tarafından tercih edilen bir eğitim sistemidir. Bununla beraber ilgili eğitim kurumundaki ders saatlerine mekân/ zaman açısından katılma imkânı olmayanlar (tam zamanlı olarak çalışanlar, memurlar, askerler, farklı şehir/ülkede yaşayanlar) için beklenilen bir seçimdir. • Hareket kabiliyeti: 1980’li yıllarda, uzak mesafeler arasında iletişim kurmak amacıyla sabit bilgisayar konferans sistemleri ve iki yönlü video konferans
2.5. E-Öğrenme (e-Learning) Çevrimiçi öğrenme ya da e-öğrenme; bilgisayar, internet teknolojileri, TV, mobil telefon vb. elektronik ortamlarda, eğitim materyalinin metin, ses, hareketli video, grafikler, şemalar ve animasyon gibi elektronik araçlarla dağıtılması ile gerçekleşen öğrenme ve öğretim faaliyetine verilen addır.[13] E-öğrenme; öğretmen ve öğrencinin aynı ortamda ve aynı anda bulunmalarına gerek kalmadan, internet teknolojileri aracılığı ile gerçekleştirilen eğitim ve öğrenim faaliyetleridir. Öğrenciler sunulan ders içeriklerine istedikleri zaman ulaşabildikleri gibi, e-mail veya tartışma odaları gibi etkileşim araçları ile kendi aralarında veya eğitmen ve konu uzmanları ile iletişim kurabilirler.[14] E-öğrenme, elektronik teknolojisi ile dağıtılan ya da sahip olunan öğrenme deneyimleri veya biçimlendirilmiş eğitim içeriği olarak da tanımlanmaktadır. E-öğrenme ortamlarında eğitim ortamının yürütülmesi, yönetilmesi, desteklenmesi internet teknolojileri kullanılarak gerçekleşmektedir. Kullanılan çokluortam teknolojisi ile veri değiş-tokuşu ve işbirliği kolay sağlanmaktadır. Öğrenciler konumlandırmadan uzaktırlar, kendi imkânları ile çevrimiçi derslere eşzamanlı (senkron) veya eşzamansız (asenkron) olarak –ya da bu iki yöntemin harmanlanmasıyla– erişirler.[15] 80
2.6. E-Öğrenmede Kullanılan Kavramlar ve Teknikler
materyalleri arasındaki aktiviteleri izleyen, yöneten ve raporlayan yazılımlardır. [16]
Araştırmacılar; eğitim teknolojilerinin gelişimine göre yeni kavramlar ortaya çıkarmıştır. Bu kavramlar ile sık karşılaşılmaktadır:
Aşağıda bir e-öğrenme sisteminde bulunması gereken modüller liste halinde verilmiştir:[17]
Web destekli öğretim (web based instruction), Eşzamanlı öğretim (syncronize instruction), Eşzamansız öğretim (asyncronize instruction), Sanal eğitim (virtual education), Bilgisayar destekli uzaktan eğitim (computer based distance education), • Bilgisayar ortamlı/destekli iletişim (computer-mediated communications), • İnternete dayalı/destekli eğitim (internet based/aided education), • Çevrimiçi eğitim (online education).
• Online Başvuru modülü: Kullanıcıların sorunsuz şekilde online başvuru işlemini gerçekleştirebilmesi ve takip edebilmesini sağlamaktadır. • Kullanıcılar ve Kullanıcı Grupları modülü: Eklenen kullanıcının sisteme erişebiliyor ve yetkisi olan alanları kullanabiliyor olmasını sağlamaktadır. Güncellenen kullanıcı grubu bilgilerinin ise tüm sistemde yeni halini almasını sağlamaktadır. • Roller ve Yetkiler modülü: Oluşturulan rolün sistemde tanımlı ve erişilebiliyor olması, kullanıcılara bu rolün atanabilmesini ve güncellenen rolün sistemde yeni halini almasını sağlamaktadır. • Unvan Tanımlama modülü: Eklenen unvanların sistemde tanımlı ve erişilebilir olmasını sağlamaktadır. • Okul Tanımlama modülü: Eklenen okulların sistemde tanımlı ve erişilebilir olmasını sağlamaktadır. • Bölüm Tanımlama modülü: Eklenen bölümlerin sistemde tanımlanması ve erişilebilir olmasını sağlamaktadır. • Eğitim Katalogu modülü: Yeni programların sisteme başarılı bir şekilde kaydedilmesini ve kullanıcıların sistemdeki tüm programları görebilmesini sağlamaktadır. • Dersler modülü: Ders içeriklerinin sisteme başarılı bir şekilde kaydedilmesini ve kullanıcıların sistemdeki derslerini görebilmesini sağlamaktadır. • Haftalık/Aylık Ders Programı modülü: Sisteme girilen saatlerin kullanıcılar tarafından erişilebiliyor olmasını ve sohbet saatinin haftalık/aylık ders programında görülebilir olmasını sağlamaktadır. • Şube İşlemleri modülü: Derslerin şube düzenlemesini, şubelere ders sorumlusu atama işlemlerini ve şubeye öğrenci ekleme ve şube bilgilerini düzenleme işlemlerinin yapılmasını sağlamaktadır. • Danışman/Denetmen Atama İşlemleri modülü: Danışmanların/denetleyicilerin bölümlere atanabiliyor olmasını, sistemde tanımlanmış ve erişilebilir olmasını, kendilerine atanan programları görebilmesini sağlamaktadır. • Ders Kayıt ve Ders Onay İşlemleri modülü: Dersleri seçen ve seçmeyen öğrencilerin takip edilmesini, ders seçimini yapan öğrencilerin, ders onaylama işlemini yapmasını ve dönemine ait dersleri seçmesini sağlamaktadır. • Soru Tanımlama modülü: Eklenen soruların sistemde tanımlı ve erişilebilir olmasını sağlamaktadır. • Sınav modülü: Ders sorumlusunun ilgili dersin sınavını hazırlayabilmesini, Sistemde tanımlı soruları kullanarak sınav hazırlayabilmesini ve öğrencinin ilgili dersine atanmış sınavları yanıtlayabilmesini sağlamaktadır. • Deneme Sınavı modülü: Öğrencinin deneme sınavını hazırlayıp kullanabilmesini sağlamaktadır. • Ödevler modülü: Yeni ödevin sisteme eklenmesi ve ilgili kullanıcılar tarafından görülüyor olmasını, kullanıcıların ise kendisine ait ödevleri görebiliyor olmasını, yapmış oldukları ödevleri gönderebilmesi ve ödev veren kişiye ulaşmasını sağlamaktadır.
• • • • •
Tablo 2.’de dönemlere göre kullanılan eğitim teknolojilerinden başlıcaları verilmiştir: TABLO 2. Dönemlere Göre Eğitim Teknolojileri 1957–1981
Klasik Sınıf - Eğitmenli Eğitim
1981–2004
• • • • • • • • • • • • •
Kendi kendine e-öğrenim Bloglar Uygulama toplulukları Uzman ağlar Resmi koçluk Podcasts Sanal topluluklar Sosyal ağ siteleri Eşzamanlı web tabanlı öğrenme Simülasyonlar Sanal sınıflar Web Seminerleri Wiki’ler
• •
Kişiselleştirilmiş e-öğrenme İş akışına destek sağlayan ve iş tanımlarına uygun özel öğrenme çözümleri Öğrenim İçerik Yönetimi Sistemleri (LCMS) Kişiselleştirilmiş Öğrenim Yönetim Sistemleri (LMS) Gömülü elektronik performans destek Mobil öğrenme sanal laboratuvarları
• 2004-Bugün • • •
Gelecekte ise aşağıdaki teknolojilerin yaygınlaşacağı öngörülmektedir:
kullanımın
• İşletmenin içerik yönetimini de sağlayan bir bilgi yönetimi sistemi • Sisteme gömülü ve anında destek sunan akıllı ajanlar • Çok dilli sesli yanıt sistemleri 2.7. LMS, SIS Sistemleri ile Bütünleşik Bir E-Öğrenme Sisteminin Temel Modülleri Sanal eğitim ortamlarının yönetimi için Öğrenim Yönetim Sistemleri (Learning Management System - LMS) kullanılmaktadır. Bu sistemler kullanıcı ile öğretim 81
• Öğretim Elemanı Performans Takip modülü: Öğretim elemanını, vermiş olduğu dersin bilgilerine göre değerlendirebilmesini sağlamaktadır. • Öğrenci Performans Takip modülü: Öğrencinin kendi notları ile birlikte performans notlarını listeleyebilmesini ve Öğrencinin ders sorumlusu hakkında değerlendirmelerini yapabilmesini sağlamaktadır. • Öğrenci Takip Raporu modülü: Öğretim üyesinin şubelerdeki öğrencilerini ilgili derslerinde, performans notu ile değerlendirmelerini yapabilmesini sağlamaktadır. • Sözlük modülü: Yeni oluşturulan sözlüğün ve kayıt yapılan sözcüğün sisteme eklenebilir ve kullanıcılar tarafından erişilebiliyor olmasını sağlamaktadır. • Anket modülü: Eklenen anketin sistemde tanımlı ve erişilebilir olmasını ve kullanıcı aktif olan anketleri görebilmesi ve anketi kullanabilmesini sağlamaktadır. • Kişisel Notlar modülü: Eklenen notun sistemde tanımlı ve ekleyen kullanıcı tarafından erişilebilir olmasını sağlamaktadır. • Mesajlaşma modülü: Gönderilen mesajları ilgili kişinin görebilmesini ve kullanıcının gelen mesajlarını görebilmesini sağlamaktadır. • Dosyalar modülü: Öğretim görevlilerinin vermiş olduğu derslerle ilgili dokümanları sisteme ekleyebilmesini sağlamaktadır. • Sohbet Saatleri modülü: Sisteme girilen saatlerin kullanıcılar tarafından erişilebiliyor olmasını ve sohbet saatinin haftalık ders programında görülebilir olmasını sağlamaktadır. • Toplantı modülü: Oluşturulan toplantıların davet edilen kullanıcılar tarafından görülebilir olmasını, silinen toplantıların davet edilen kullanıcılara iptalinin bildirilmesini ve davetli olduğu toplantıları görüp, katılabiliyor olmasını sağlamaktadır. • Sıkça Sorulan Sorular modülü: Kategori işleminde, kategorilerin sisteme eklenebilir ve erişilebilir olmasını, kategori silme işleminde ise sistemdeki o kategori ve altındaki soruların tümüyle silinebilmesini sağlamaktadır. • Görüş ve Öneriler modülü: Kullanıcılar tarafından gönderilen görüş ve önerileri onayladığında sistemde yayınlanmasını, kullanıcıların, görüş veya önerilerini gönderebilmesini ve onaylanan görüş ve önerileri görebilmesini sağlamaktadır. • Duyurular modülü: Yeni oluşturulan duyurunun ve duyuru tiplerinin sisteme eklenmesini ve kullanıcılar tarafından görülüyor olmasını sağlamaktadır. • Ajanda modülü: Eklenen hatırlatma notunun sistemde tanımlı ve erişilebilir olmasını sağlamaktadır. • Akademik Takvim modülü: Akademik takvimin sisteme başarılı bir şekilde kaydedilmesini ve kullanıcıların akademik takvimi görebilmesini sağlamaktadır. • Transkript Görüntüleme modülü: Sistemde kayıtlı öğrencilerin transkript bilgilerini görebilmesini ve Yetkisi dâhilinde sistemde mevcut transkriptleri görebilmesini sağlamaktadır. • Raporlama modülü: Kullanıcıların yetkileri kapsamında hazır raporları alabilmesi, öğrenci belgesi, öğrenci transkripti, öğrenci takip raporu, öğretim üyesi takip raporunu hazırlamayı sağlamaktadır.
• Mali İşlemler modülü: Kullanıcıların sorunsuz şekilde ödemelerini yapabilmesini sağlamaktadır. • Demo Kullanıcı modülü: Sisteme üye olmayan ama deneme amaçlı giriş yapan kullanıcıların sistemde yetkisi olan bölümlere erişebiliyor olmasını sağlamaktadır. • Workshop modülü: Workshopların sistem üzerinden sorunsuz gerçekleştirilebilmesini sağlamaktadır. • Sanal Sınıf modülü: Workshopların sistem üzerinden sorunsuz gerçekleştirilebilmesini sağlamaktadır. 2.8. E-Öğrenmenin Faydaları E-öğrenmenin başlıca faydaları aşağıda listelenmiştir:[15] • Öğrenme zamanına e-öğrencinin karar verebilmesi • İnternet erişiminin olduğu her yerden eğitimlere ulaşabilme • E-öğrencinin, kendi öğrenme hızında, istediği zaman, istediği kadar öğrenmesi • Eğitimlere ve bilgiye tekrar tekrar ulaşılması • Eğitmenlere ve konu uzmanlarına e-posta ve forum gibi ortamlarda sürekli olarak erişim • Eğitim masraflarından tasarruf.
3. EŞZAMANLI E-ÖĞRENME (SYNCRONIZE E-LEARNING) Bu teknolojinin sunduğu temel özellik, canlı ve sanal eğitim diye tanımlayabileceğimiz eşzamanlı e-öğrenme ortamı sağlamasıdır. Eğitimin ve öğrenme sürecinin tamamının internet üzerinden eşzamanlı olarak gerçekleştirildiği bir öğrenme ortamıdır. Tüm üyelerin bireysel ya da kurumsal eğitim ve bilgi ihtiyacını gerek dersler şeklinde gerek sempozyumlar, seminerler, konferanslar şeklinde canlı (senkron/eşzamanlı) olarak sunulan yayınların istenirse daha sonra banttan (asenkron/eşzamansız) olarak da izlenebileceği bir ortamdan bahsedilmektedir. Canlı/eşzamanlı/senkron yayının en önemli özelliği karşılıklı bir iletişim ortamının sunulmasıdır. Diğer benzeri tüm yayınlardan ya da ortamlardan üstünlüğü tek yönlü bir iletim ortamı değil de gerçek ve karşılıklı bir iletişim ortamı olmasıdır. Yani neredeyse gerçek bir sınıf/dershane/okul ya da konferans/toplantı salonu ortamı sağlayabilmesidir. Bu da tüm coğrafik ya zaman sorunlarının neden olduğu anında iletişememe durumlarının aşılmasını sağlayacaktır. Ayrıca diğer yöntem ve teknolojilerden ayıran en temel özelliğinin yüz yüze (örgün) eğitim ortamının sağladığı/sağlayacağı tüm olumlu durumları da içermesidir. Diğer teknolojiler ve yöntemlerin çoğunun öğreticiöğrenici ilişkisinde anındalık özelliği içermemesi nedeniyle verimliliği örgün eğitim kadar sağlayamamasına rağmen eşzamanlı öğrenimde bu verim neredeyse örgün eğitim düzeyinde sağlanabilmektedir. Diğer eşzamansız öğrenim yöntemlerinin –daha doğru bir deyimle teknolojilerinin– sağlayamadığı karşılıklı etkileşim özelliği eşzamanlı yani eşzamanlı öğrenimde neredeyse örgün eğitim ortamındaki kadar sağlanabilmektedir. Eşzamanlı (senkron) öğrenme; etkileşimli, canlı (gerçek 82
• DVD/CD-ROM • Kendi başına çalışma modülü • Elektronik eğitim materyalleri ve ortak yazma araçları
zamanlı ve genellikle ders saati planlanmış), kolaylaştırılmış öğretim ve öğrenim odaklıdır. Ürün tanıtımları ve diğer bilgi dağılımı faaliyetlerinden eşzamanlı öğrenmeyi ayırt etmek için ‘öğrenme odaklı etkileşim’ diye vurgulamak gerekiyor. Bu teknolojiyi diğerlerine göre üstün kılan en önemli özellik anındalık diyebileceğimiz eşzamanlı öğrenme ortamıdır.
Yukarıda sayılanlara ek olarak eşzamanlı e-öğrenme ortam ve modülleri de şunlardır: • Çevrimiçi Toplantılar (Online Meetings): Anlık Mesajlaşma (Instant Messaging) ve Çevrimiçi Sohbetler (Online Chat) • Web Konferansı (Web Conferencing): Sesli konferans (Audioconferencing) ve Video Konferans (Videoconferencing) • Web Seminerleri (Webinars): Canlı Web Üzerinden Yayın (Live Webcasting) ve Web Yayınları (Web Broadcasts) • Sanal Sınıflar (Virtual Classrooms) • Uygulama ve Ekran Paylaşımı (Application and Screen Sharing) • Gerçek Zamanlı İşbirliği ve Oturum Kaydetme
Her türlü eşzamansız (asenkron) uzaktan öğrenim yöntemi ya da teknolojisinin örgün eğitime göre bir sürü avantajları ve üstünlükleri vardır. Tek dezavantajı yukarıda bahsedilen anındalık yani öğrenici ile öğreticinin anında ve karşılıklı bir iletişime girememesidir. Bu da öğrenme sürecini yavaşlatmakta ve verimi azaltmaktadır. Bunun dışındaki tüm olumlu özellikler ve her türlü maddi avantaj uzaktan öğretim lehinedir. Bu tek dezavantaj da senkron yani eşzamanlı öğrenim teknolojileri ile aşılabilmektedir. Dolayısıyla eşzamansız öğrenimin tüm avantajları eşzamanlı öğretimde de bulunmaktadır. Bunun üzerine senkron yani eşzamanlı bir öğrenim ortamı ve süreci sayesinde tüm dezavantajlar da bertaraf edilmektedir.
3.2. Eşzamanlı E-Öğrenme Ortamının Özellikleri
Eşzamanlı e-öğrenme, elektronik ortamda gerçekleşen eşzamanlı bir öğrenme ortamı ve teknolojisidir. Eşzamanlı öğrenen öğrenciler isteğe bağlı olarak istedikleri zaman öğrenme ortamına bağlanarak kendi başlarına da asenkron öğrenme ortamından da yararlanabilirler. Yani senkron (eşzamanlı), asenkronu (eşzamansızı) dışlamamakta aksine bir katman daha üste çıkarmaktadır.
Yardım / Bilgi / Fikir Arayabilme Yardım ve Destek Sunma Sorunlar / Kavramlar Hakkında Bilgilendirme Moral Desteği (öğrenciler irtibatta olma, fikirler hakkında geri bildirim) • Fikirler, Haberler ve Teknikleri Paylaşım (örneğin, güncel gelişmeler, son tartışmalar) • Kaynakları Paylaşım • Öğretici / Yöneticilerle İrtibat Halinde Olabilme
• • • •
Bir eşzamanlı e-öğrenme oturumunu oluşturma ve katılma için bazı asenkron işlemler (ön kayıt ya da bağlantı için teknik kontrol) yapılmasını gerektirir ama öğrenme deneyimi canlı ve gerçek zamanlı olarak yapılır.
Bu özellikler sayesinde şunlar yapılabilir:
“Harmanlanmış öğrenme” ya da “karma öğrenme” terimi ile eşzamanlı (senkron) ve eşzamanlı olmayan (asenkron) öğrenme deneyimleri bir arada ifade edilebilir. Açıklamak gerekirse, karma öğrenmede çevrimiçi ve yüz yüze eğitim birlikte uygulanır ve daha genel olarak sınıf eğitimi ardından farklı yöntemleri (örneğin, kendi kendine Web tabanlı eğitim, birleştirilmiş ders tasarımı) sanal sınıf takip oturumları tarafından desteklenmiştir. Bu bir ders düzeyinde ya da bir toplantı oturumu seviyesinde yer alabilir: örneğin, asenkron e-öğrenme modülleri ve senkron oturumları birlikte, harmanlaştırarak verilebilir.
• Hızla geliştirilebilir ve güncellenebilir olması nedeniyle eğitim çekici kılınabilir. • Resmi değerlendirmeler ve anketler yönetilebilir, isteğe bağlı sunumlarla etkinlik ve verimlilik ölçülebilir. • Ders içeriğinin etkinliği ölçülebilir ve eğitim sonuçları sınavlarla analiz edilebilir. • Öğretim etkinliği artırılabilir ve kolayca sanal sınıflar oluşturulabilir. • Görünüm özelleştirebilir ve e-öğrenim deneyimleri yaşatılabilir. • Hemen hemen tüm çalışanların, partner ve müşterilerin eğitimi yönetilebilir. • Mevcut kurumsal kullanıcı ve Öğrenme Yönetim Sistemleri (LMS) geliştirilebilir.
3.1. Asenkron ve Senkron E-Öğrenme Modülleri Asenkron (eşzamansız) e-öğrenme ortamları ve modülleri aşağıda listelenmiştir: • • • • • • • • •
Belgeler, E-Posta ve Web Sayfaları Web/Bilgisayar Tabanlı Eğitim Modülleri Testler, Sınavlar ve Anketler Simülasyonlar İş Yardımcıları ve Elektronik Performans Destek Sistemleri (EPSS) Kaydedilmiş Canlı Etkinlikler (Arşivleme) Online Eğitim Toplulukları, Tartışma Forumları ve Panolar Dağıtık Eğitim ve Mobil Eğitim Podcasting
Tablo 3.’te eşzamanlı ve eşzamansız e-öğrenmenin ayırt edici özellikleri, faydaları ve zorlukları karşılaştırılmıştır:
83
TABLO 3. Eşzamanlı E-Öğrenme (Synchronous E-Learning) ve Eşzamansız E-Öğrenme (Asynchronous E-Learning) Ayırt Edici Özellikleri, Faydaları ve Zorlukları Eşzamanlı E-Öğrenme (Synchronous E-Learning)
Eşzamansız E-Öğrenme (Asynchronous E-Learning
Ayırt Edici Özellikleri
• • • • • •
Gerçek zamanlı erişim ve etkileşim Canlı (eğitmen, eğitilen ve diğer eğitilenler bir arada) Genellikle zamanlaması planlanmış ve özel zamanlı Müşterek ve sıkı işbirliği Eşzamanlı sanal ortam Başkalarıyla eşzamanlı öğrenme
• • • • • •
Aralıklı erişim veya etkileşim Kendi başına, kendi kendine Bireysel veya bazen başkalarıyla Bağımsız öğrenme Her zaman mevcut Önceden kaydedilmiş ya da üretilmiş
Yararları
• • • • •
Gerçek zamanlı gösteriler Anında geribildirim Görsel ipuçları (duyguları gösterebilme, karşılıklı anlayış) Zayıf okuma ve yazma becerileri için daha iyi Eğitici tarafından yönetimli eğitim
• • • • •
Elverişli İş veya evden erişim Görsel ipuçları eksikliği (kişisel gizlilik) Standart içerik Kendi kendine yönlendirme
Zorlukları
• Saat dilimi farklılığı nedeniyle elverişsiz • Olay odaklı • Eğitici denetimli
• Anındalık eksikliği • Anında yardım verememesi • Görsel ipuçları eksikliği (yanlış anlama potansiyeli)
mekân bağımsız bir yapının verimliliği hem maddi bakımdan hem de kalite ve yararlılık açısından dikkat çekicidir.
3.3. Sanal Sınıf (Virtual Classroom) Sanal sınıf, öğretmen ile öğrencinin zaman veya mekân bağlamında birbirinden bağımsız ortamlarda buluştukları bir öğrenme ortamında verilen sanal eğitim ve öğretim platformu anlamına gelir.
4. MESLEK ODALARINDA EŞZAMANLI E-ÖĞRENME ORTAMININ FAYDALARI Sivil toplum kuruluşları, resmi kurumlar dışında ve bunlardan bağımsız olarak çalışan, politik, sosyal, kültürel, hukuki ve çevresel amaçları doğrultusunda lobi çalışmaları, ikna ve eylemlerle çalışan, üyelerini ve çalışanlarını gönüllülük usulüyle alan, kâr amacı gütmeyen ve gelirlerini bağışlar ve/veya üyelik ödemeleri ile sağlayan kuruluşlardır. Sivil toplum kuruluşları; oda, sendika, vakıf ve dernek adı altında faaliyet gösterir.[18]
Öğretmen ders yönetim uygulamaları, multimedya kaynakları, internet ve video konferans gibi yöntemlerin kullanılması yoluyla ders içeriğini öğrencilere sunabilmektedir. Öğrenciler de içeriği almak ve aynı teknolojileri kullanarak dersi takip edebilir ve öğretmen (ve diğer öğrenciler) ile iletişim kurabilirler. Sanal sınıfta kullanılan mevcut fonksiyonlar şunlardır:
STK bağlamında meslek odaları ise; meslek mensuplarının ihtiyaçlarını karşılamak, mesleki faaliyetlerini kolaylaştırmak, mesleğin gelişimini sağlamak ve meslek disiplini korumak amacıyla kurulan kamu kurumu niteliğindeki meslek kuruluşlarıdır.[19]
• Eğitmen ya da öğrencilerin PowerPoint slâytlarını (veya diğer dosyaları) gösterebilmelerine olanak sağlayan slâyt veya sunu dosyasını görüntüleme • Fikirlerin paylaşmak ya da bir beyin fırtınası gerçekleştirebilmek için beyaz tahta (whiteboard) kullanımı • Eğitmen ya da diğer her katılımcı tarafından görülebilir bir bilgisayardan bir yazılım gösterisi yapabilmesi için uygulama paylaşımı (application sharing) • Eğitmenin öğrenciler ve diğerleriyle çevrimiçi arabirimi fonksiyonları kullanma yeteneğini paylaşabileceği erişim araçları • Öğrencilerin diğer öğrencilerle bağlantı kurabileceği bire-bir veya toplu sohbet ortamı • Öğrencilerin ve eğitmen(ler)in karşılıklı (soru-cevap tarzında konuşup görüşebilecekleri) sohbet ortamı • İçeriğin ve iletişim hızının uygunluğu konusunda anında geribildirim • Hızlı öğrenme değerlendirmeleri yapmak veya birliktelik sağlama konusunda oylama yapabilme • Öğrencilerin bir konuya dikkatlerini çekmek için ekranın belirli bir alanında Notlar ya da Uyarılar gösterebilme vb.
Bu tanımlardan hareketle özellikle meslek odalarının gerek üyelerinin, gerek üye olmayan meslek mensuplarının, ilgili özel ya da kamu kurumlarında çalışanların ya da bunların yöneticilerinin ve en genelinde ilgili ya da ilgisiz tüm birey ve kurumlarının kendi meslek alanı itibarıyla bir şekilde irtibatı olan içinde bulunduğu toplumun genel kesimi ile bir şekilde iletişim halinde olması gerekmektedir. Bu iletişimin özellikle (üye olsun ya da olmasın) meslek mensuplarının eğitimi, yeni teknoloji ve gelişmelerden haberdar edilmesi, mesleki formasyon kazanımlarının ve edinimlerinin sağlanması bağlamında bir görev yüklenici tarafı da meslek odasına düşmektedir. Meslek odalarının her mekânda ve istenilen her zamanda söz konusu birey ya da kurumlara ulaşması şu ana kadar kullanılan yöntemler bazında zor ve masraflıdır. Dergiler ve kitaplar gibi yayınlar; mektup, e-posta gibi duyurular hep tek yönlü, tekil zamanlı ve en nihayetinde maddi açıdan külfetli iletişim biçimleridir ve tek yönlü bir iletimdir.
Sanal sınıfların sanal dershanelere, sanal okullara ve hatta sanal üniversitelere doğru açılımı düşünülürse zaman ve 84
Oysa eşzamanlı bir öğrenme platformu bütün bu zorlukların üstesinden gelebilecek bir ortam sağlamaktadır. Üstelik yukarıda sayılan iletişim daha doğrusu iletim yöntemlerini de reddetmeyen hatta bunları da kendi bünyesine alarak
daha verimli ve masraf azaltıcı bir şekilde kullanabilecek bir platformdur. Tablo 4.’te e-öğrenme stratejisinin maliyet, etkinlik, kaynaklar ve etki açısından kurumsal yararları verilmiştir:
TABLO 4. E-Öğrenme stratejisinin kurumsal yararları
Yarar Kategorisi Maliyet
Artıyor
Azalıyor
ROI (Yatırımın Geri Dönüşü)
Etkinlik
Gelişmiş ders sayısı
Dış kaynağa harcanan miktar Bir e-öğrenme projesini tamamlamak için harcanan zaman
Kaynaklar
Çeşitli düzeylerde e-öğrenme projelerinde yer alan kişi sayısı
Harici tedarikçilere bel bağlama
Etki
Kuruluşunuzdaki eğitimli kişi sayısı
Projelerin tesliminde tutarsızlık ya da verimsizlik hatalar
5. MAKİNA MÜHENDİSLERİ ODASI’NDA KULLANILABİLECEK BİR EŞZAMANLI E-ÖĞRENME PLATFORMU TASARISI
etkinlik gerçekleştirilir. Burada tüm katılımcıların (yani eğitmenlerin, seminer, sempozyum katılımcılarının yanı sıra eğitimi alacak bireylerin, kurumların, seminere/sempozyuma dinleyici/izleyici olarak katılanların) aynı zamanda, aynı mekânda bulunmaları gerekmektedir.
Makina Mühendisleri Odası’nda düzenlenen meslek içi (mühendis yetkilendirme kursları, teknik eleman kursları, bilgisayar kursları vb.) eğitimler, seminerler, sempozyumlar bir STK ve de özellikle bir meslek odası bağlamında hitap ettiği kitlelere ulaşması açısından çok gerekli ve faydalı etkinliklerdir. Bu etkinliklerin gerek üyelere, gerek üye olmayan meslek mensuplarına, diğer kurumlara ve en genelinde de toplumun geneline ulaştırılabilmesi büyük önem arz etmektedir.
Günümüzün yaşam meşgalesi içerisinde her ne kadar önceden duyurusu yapılmış olursa olsun bir etkinlikte katılımcı/ izleyici olarak bulunmak istenilse de coğrafik nedenlerden dolayı sadece o mekân yakınlarında (yani aynı ilde hatta büyük kentlerde aynı ilçede) bulunan ve yine aynı şekilde sadece o belirlenen zamanda, o mekânda bulunabilecek katılımcılara hitap edilebilecektir. Yine zaman bağlamı ele alınacak olursa; günümüzün iş yaşamı meşgalesindeki bireylerin mesleki eğitimlere yeterince zaman ayıramamasındaki en büyük neden zaman sorunudur. Ya düzenlenen tarih (hatta saat) katılımda bulunmak isteyen bir birey ya da kurumun iş sürecine uymamakta, bu nedenle iş zamanı iş yerinden ayrılamama, ya da tatilde olma, başka mekânda olma gibi nedenlerden dolayı katılım yapamamaktadır.
Özellikle zaman ve mekân bağımlılığı açısından hem katılımın istenilen düzeye ulaşamaması hem de verilen eğitimin, sunulan bilginin sadece o ana ve o mekâna bağlı olması nedeniyle veriminin amaçlanan düzeyde olamaması bilinen bir gerçektir. Oysa bu etkinliklerin –özellikle eğitimlerin– zaman ve mekân bağımsız bir şekilde hedeflenen kitlelere ulaştırılabilmesini sağlayan bir ortam olan bir e-öğrenme platformu üzerinden sunulması ulaşılamayan kitlelere de ulaşılabilmesini sağlayacaktır.
5.2. Eşzamanlı E-Öğrenme Platformunda Durum
5.1. Mevcut Durum
Oysa aynı etkinlik bir eşzamanlı e-öğrenme platformunda düzenlendiğinde her türlü zaman-mekân sorununun aşılması sağlanabilecektir.
Şu anda kullanılan klasik örgün yani yüz yüze eğitim yönteminin durumu incelenecek olursa sistem şu şekilde işlemektedir:
Öncelikle mekân bağlamında tüm coğrafik engeller aşılacaktır. Düzenlenen eğitim ya da etkinlik bir bilgisayarı ve internet erişimi olan her türlü mekândan izlenebilecek ve en önemlisi sanki yüz yüze eğitimde olduğu gibi izleyici de gerçek bir katılımcı gibi etkinliğe katılabilecektir. Sadece etkinliğin düzenlendiği mekâna gelmek gerekmeyecek başka bir ilden, ilçeden hatta başka bir ülkeden dahi katılım sağlanabilecektir. Bu da düzenlenen etkinliğin olabilecek en geniş kitleye seslenebilmesini dolayısıyla etkinliğin verimini ve faydalılığını artıracaktır.
Meslek odasının üyelerinin ihtiyaçlarına ya da taleplerine yönelik oda yönetimi tarafından bir eğitim (ya da seminer, sempozyum) düzenlenmesi kararlaştırılır. Bunun için gereken eğitmenlerin (ya da seminer, sempozyum katılımcılarının) seçimi yapılır. Bir mekân ve bir zaman belirlenir. Ardından gereken eğitim materyalleri (ya da bildiriler, sunumlar) hazırlanır. Eğiticiler (ya da seminer, sempozyum katılımcıları) belirlenen zamanda ve belirlenen mekânda bulunurlar. Eğitime (ya da seminere, sempozyuma) katılacak kişiler de söz konusu belirlenen zamanda ve mekânda bulunurlar ve amaçlanan
Yine zaman bağlamında ele alınacak olursa gerek eşzamanlı olarak istediği mekândan katılımda bulunulabilecek ve 85
buraya (eğer zamanları da uyuyorsa) kolayca gelebilecektir ama bu eğitim ulaşımı daha kısıtlı olan başka bir şube de ya da başka bir ilde olsaydı katılım talebi sayısı da, kabul edilip de katılımı sürekli ve tam olarak yapabilecek katılımcı sayısı da istenilen düzeyde olamayacaktır.
de en önemlisi söz konusu etkinliğin (isteğe bağlı olarak) kaydı da yapılabildiği için istendiği zaman asenkron yani eşzamansız olarak (bir nevi banttan yayın gibi) daha sonra izleyebilecektir. Burada belirtilmesi gereken husus mevcut durumun yani şu anda yapıldığı gibi yüz yüze (örgün eğitim gibi) yapılan bir etkinliğin reddedilmemesi aksine mevcut durumun bir başka –oldukça verimli ve faydalı bir– platforma taşınmasıdır. Bu taşınma için etkinlik tarafında bir yayın kaydetme ve aktarma ortamı (yani bir kamera, gereken sunucu yazılımı yüklü ve internet erişimi olan bir bilgisayar), izleyici tarafında da sadece internet erişimi olan bir bilgisayar yeterlidir.
İstanbul ili dışındaki illerden (mesela Ankara, İzmir, Hatay, Ordu, Denizli’den) bu eğitimi almak isteyenler de bu eğitimden faydalanamayacak, benzeri bir eğitimin kendi illerinde düzenlenmesini beklemek zorunda kalacaklar. Oysa bu eğitimin yapıldığı mekâna sadece bir kamera ve bir de eşzamanlı eğitim yayını ortamı kurularak, bu canlı yayın tüm ülke çapında istenilirse sadece odanın il ve ilçe temsilciliklerinde hazırlanmış olan ekranlarda izlenebilecek şekilde kurum (yani Oda) içi; istenilirse tüm ülke çapında (hatta yurt dışında) internet erişimi bulunan tüm bilgisayarlara, hatta cep telefonlarına yayınlanarak tüm kamuya sunulabilir.
6. BİR MESLEK İÇİ EĞİTİMİN EŞZAMANLI E-ÖĞRENME PLATFORMUNDA SUNULMASI ÖRNEĞİ
Bunun için gereken platform aşağıda verilmiştir:
19.09.2011–30.09.2011 tarihleri arasında MMO İstanbul Şube tarafından (yanı mekânda) düzenlenecek olan Bina Enerji Yöneticisi Eğitimi var. Eğitime katılacak kişi sayısının da 20 kişi ile sınırlı olduğu varsayılsın. 10 gün, 80 saat sürecek olan bu eğitimin duyurusu aylar öncesinden yapılmıştır. Bu eğitime katılmak isteyip de katılamayacak olanların olası gerekçeleri aşağıda sıralanmıştır:
• İstemci –yani eğitimi almak isteyen kişi(ler) ya da kurumlar– tarafında internet bağlantısı olan bir bilgisayar ya da cep telefonu. Başka bir şey gerekmemektedir. İsteğe bağlı olarak eğitimi veren kurum tarafından bir kullanıcı şifresi de gerekebilir. • Sunucu –yani eğitimi veren– tarafında ise tam bir eşzamanlı e-öğrenme platformu. Başka bir şeye gerekmemektedir.
• Söz konusu tarihlerde iş çok yoğun, katılamam. • Söz konusu tarihlerde tatilde olacağım, katılamam. • Eğitim İstanbul’da, başka şehirde olduğum için katılamam. • Eğitim Taksim’de, İstanbul’da olmama rağmen ulaşım koşulları nedeniyle katılamam. • Firmamızdan bir kişi zaten katılıyor, bu nedenle katılamam. • Katılmak için başvurduğumda katılımcı sayısı dolmuş, bu nedenle katılamayacağım. • 10 gün çok uzun bir süre, işyerinden izin alamam.
Bilgisayarı (ya da cep telefonu) ve internet bağlantısı olan her kişi/kurum bu eğitime katılabilecektir. Mekân kısıtlamaları (yani sınıf kapasitesi, eğitimin verildiği yere olan uzaklıktan) bir hamlede bertaraf edilebilecektir. İsteyen kişi kadar (yüzlerce hatta binlerce) katılımcı bu eğitimi alabilir. Bir yerlere gitme, işini bırakıp trafik-yol sorunları ile boğuşma dertleri giderilmiş olacaktır. Evden, iş yerinden, tatilde iken bu eğitime katılım yapılabilir. Yani tüm mekân kısıtlamaları giderilmiş olacaktır.
Oysa eşzamanlı e-öğrenme ortamı kullanarak yapılabilecek olan bu eğitime katılım sayısı, gerçek (yüz yüze, örgün) bir eğitime göre kat be kat fazla olacaktır. Bu eğitim için bir (ya da birden fazla) eğitmen zaten gerekiyor. Bu eğitmen(ler)in hazırlamış olduğu eğitim materyalleri de var. İstanbul Şube’deki bir eğitim salonunda 20 kişilik bir sınıf kapasitesinin olduğu varsayılsın. Bu eğitime başvuru sayısı onlarca hatta yüzlerce olabilir.
Üstelik sadece bir ilçe temsilciliğinde verilen eğitim tüm ülkeden hatta yurt dışından bile izlenebilir ve katılımcılar tek yönlü ve etkileşimsiz bir TV yayını izler gibi değil aksine sanki gerçek bir sınıfta gibi eğiticiye sorular sorabilir ve anında cevaplarını alabilir. İstenirse sadece temsilcilik binalarından ya da şubelerden katılım yapılabilir istenirse diğer mekânlara da bu eğitim yayını açılarak, evlerden işyerlerinden de katılım sağlanabilir.
Öncelikle sınıf kapasitesi nedeniyle fiziksel bir katılımcı sınırlaması var. Katılım başvurusu kabul edilen 20 katılımcıdan kaçının tüm eğitimleri takip edebileceği de bilinmemektedir. Oysa bu eğitimi almak isteyen daha fazla kişi olabilir. Onların talebi daha sonraki eğitimlere bırakılmak zorunda kalınacaktır.
Gerek eğitim anında, gerekse tek oturumdan uzun süren bir eğitimse eğitim süreci boyunca ve eğitim sonrasında sürekli olarak anketler yapılabilir, geribildirimler alınabilir. Bu sayede eğitimin kalitesi açısında ölçülebilir verilere sahip olunabilir. Eğitim sonrasında ise verilen eğitimin değerlendirilmesini sağlamak için gerekiyorsa bir online (çevrimiçi) sınav dahi yapılabilir. Bütün bu veriler bir Öğrenci Bilgi Sistemi (Student Information System – SIS) ve hatta bir Öğrenim Yönetim Sistemi (Learning Management System - LMS) yazılımları ile bütünleşik bir şekilde yönetilebilir ve değerlendirilebilir.
Ayrıca İstanbul içinde olup da hem zamanı hem de bulunduğu mekân nedeniyle istemesine rağmen bu eğitime katılamayanlar da olacaktır. Eğitimin mekânı (İstanbul Şubesi Taksim’de) merkezi bir yerde olduğu için katılımcılar 86
7. SONUÇ
toplumun ilgili diğer birimlerine başta eğitim, bilgilendirme ve hatta bilinçlendirme konusunda daha kolay ve diğer yöntemlere göre daha az maliyet içeren bir platform üzerinden erişebilecek bir yapıya sahip olunabilecektir.
Bilginin paylaştıkça büyüyen bir kavram olduğundan hareketle, bir meslek odası olması bağlamında ve görev tanımı gereği üyeleriyle, meslek sahipleriyle, meslek kurumlarıyla ve yine bir STK olması gereğiyle toplumun ilgili kişi ve kurumlarıyla hem iletişim içinde olması hem de mesleki sorumluluğun getirdiği eğitici ve yol gösterici niteliğiyle sahip olduğu bilgileri bu ilgili kurum ve kişilere aktarması MMO’nun görev ve sorumluluğu dâhilindedir.
8. KAYNAKÇA1
Hatta bu arşiv, altyazı kullanılarak ve/veya yeniden seslendirme ile başka dillere çevrilerek ülke dışında ya da ülke içinde dilimizi bilmeyenlere yönelik de bir artı değer oluşturulması sağlanabilir.
[1] 2. Bilişim Şurası, 2004 [2] Prof. Dr. Erkan Erbarut, “Web Temelli Eğitim ve Öğrenme-Bilişim Teknolojileri”, Elektrik Mühendisliği (EMO Dergi), Sayı: 419, sayfa 43, (http://www.emo. org.tr/ yayinlar/dergi_goster.php?kodu=327&dergi=1) [3] Ferhan Oğuzkan, Eğitim Terimleri Sözlüğü, Ankara, Türk Dil Kurumu Yayınları, 1974 [4] Desmond Keegan, Foundations Of Distance Education, (3. Basım), USA:Routledge Yayınevi, 1996, s.38 [5] http://egitek.meb.gov.tr/KapakLink/UzaktanEgitim/ UzaktanEgitim.html [6] Volery, T., Lord, D., “Critical Success Factors in Online Education”, The International Journal Education Management, 14(5), 2000, s23 [7] Result Report “Evaluating Digital Distance Learning Programs and Activities: Studies, Practices, and Recommendations”, World Bank Institute of the World Bank, October 2001. [8] Haythornthwaite, C., Kazmer, Michelle M., Learning, Culture and Community in Online Education, Peter Lang:USA, 2004 [9] Salih Gümüş, “Çevrimiçi İşbirliği Ekiplerinde Öğrenenlerin Sorun Çözerek Öğrenmeyle İlgili Tutum ve Görüşleri”, Anadolu Üniversitesi Sosyal Bilimler Enst., Uzaktan Eğitim A.B.D., 2007 (Yüksek Lisans Tezi) [10] James C. Taylor, “The Future of Learning-Learning for the Future: Shaping the Transition”, Openpraxis, Volume 2, 2001, Table 1, p.21. [11] L. Sherry, “Issues in distance learning”, International Journal of Educational Telecommunications, Vol. 1, No.4, pp.337-365, Virginia, 1996. [12] http://www.aol.meb.gov.tr/sayfa_goster.asp?ID=50 [13] Özkul, A. E., “E-Öğrenme ve Mühendislik Eğitimi”, Elektrik Mühendisliği (EMO Dergi), Sayı: 419, sayfa 19, (http://www.emo.org.tr/ekler/f8d8c66b1212720_ ek.pdf?dergi=327) [14] http://egitim.kosgeb.gov.tr/portal/default.asp [15] Morrison, D., e-Learning Strategies : How to Get Implementation and Delivery Right First time, England: John Wiley & Sons Inc., 2003, s.4. [16] Naidu, S., “Commonwealth of Learning”, 2006 [17] İbili, E. , Bayram, F., AKBAŞ, Ü., Orhan,Z., Kantar, M., Hakkari, F., Doğan, M., “Uzaktan Eğitim Sistemlerinde Yazılım Ve İçerik Oluşturma, 2. Uluslar arası Gelecek İçin Öğrenme Alanında Yenilikler Konferansı, İstanbul”, 2008. [18] http://tr.wikipedia.org/wiki/ [19] http://www.alomaliye.com/levent_gencyurek_meslek _odalari.htm
Böylelikle bir STK olarak hitap ettiği özel kitlesine ve
1 Kaynakça’da yer alan tüm internet sayfalarına 10.07.2011 tarihinde erişilmiştir.
Şu anda örgün eğitim yöntemi ile üzerine düşen bu sorumluluk ve görevi yerine getiren meslek odalarının; öncelikle oda çalışanları ve üyeleri için, ikincil derecede üye olmayan meslek sahipleri ve bu mesleği icra ettikleri kurum ve kuruluşlar için, üçüncül derecede de bu gruplar dışında kalan ve meslekler ilgili tüm kişi ve kuruluşlara yönelik, dördüncü derecede de toplumun tüm genel kesimine hitaben temelinde genel anlamda uzaktan eğitimi hedefleyen, sonrasında da eşzamanlı e-öğrenim yöntemi ile bir eğitim platformu kurulması gerekli, hatta zorunludur. Kurulacak bu platform sayesinde öncelik sırasına göre ulaşılacak kişiler/kurumlar: • Oda çalışanları ve yöneticileri (merkezde, şubelerde ve temsilciklerde) • Oda üyeleri (her ilde, ilçede, kasabada, köyde ve yurt dışında) • Oda üyelerinin çalıştıkları iş yerleri • Oda üyesi olmayan meslek sahipleri • Oda üyesi olmaya aday üniversite öğrencileri • Oda üyesi çalıştırmayan iş yerleri • Meslek sahibi olmayan ama meslek ile ilgili kişi ve kuruluşlar • En genelinde toplumun ilgili kesimi • Toplumun geneli Bu kişi ve kuruluşların tamamının internet bağlantısı olan bir bilgisayarı ya da cep telefonu olması onların bu platformdan yararlanabilmeleri için yeterli olacaktır. Platform yönetiminin belirleyeceği erişim olanaklarına, kısıtlamalarına ve kriterlerine göre söz konusu platform, bir kullanıcı adı ve parolası ile eşzamanlı ya da eşzamansız olarak bu kesimlere açılabilir. Eşzamanlı (senkron) eğitim istenirse anında kaydedilerek daha sonra eşzamansız (asenkron) olarak –yani bir nevi banttan yayın gibi– yayınlanabilir. Bu yayın, –yine istenirse kullanıcı adı ve parolası ile– belirli bir zamanda yapılabileceği gibi istenirse akışkan (streaming) video olarak ya da sadece normal bir video olarak internet üzerinden kullanıcının istediği an izleyebileceği bir şekilde depolanabilir. Böylece eşzamanlı yayını izleyemeyenler ya da tekrar izlemek isteyenler tarafından sürekli olarak kullanılabilecek bir eğitim arşivi haline getirilebilinir.
87
ÖZGEÇMİŞ
1988-1995 yılları arasında TUSAŞ-TAI’de F-16 ve CASA CN-235 projelerinde planlamacı olarak çalıştı. 1995 yılından itibaren enerji sektörüne geçerek taşıtlarda LPG/ CNG uygulamalarında öncülük yaptı. Bu konuda Makine Mühendisleri Odası, Şoförler Federasyonu, TSE gibi kurumların alternatif yakıt komisyonlarında çalışmalar gerçekleştirdi, birçok ilde usta ve mühendis sertifikasyon eğitim kursları düzenledi. Sektörün önde gelen yakıt firmalarına LPG depolama, nakil, servis istasyon kurulumu ve danışmanlık hizmetleri veren bir firmanın kurucu ortağı oldu. Türkiye Genç İşadamları Derneği (TÜGİAD) Enerji Komisyonu Başkanı, Biyogaz Yatırımları Geliştirme Derneği (BİYOGAZDER) Yönetim Kurulu Başkanı ve TÜGİAD-İTÜ Yeni Enerji Teknolojileri Platformu Yönetim Kurulu Üyesi olarak çeşitli sivil toplum kuruluşlarında ve derneklerde çalışmalarını sürdüren ve Makine Mühendisleri Odası üyesi olan Ufuk Ünal, evli ve üç çocuk babasıdır.
Suat Koyuncu, 1989 senesinde İTÜ Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesi, Uçak Mühendisliği bölümünden mezun oldu. 1990-1994 yılları arasında aynı fakültede araştırma görevlisi olarak çalıştı. 1994 senesinde İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Uçak Mühendisliği yüksek lisans programını bitirdi. 1995 senesinden bugüne bilişim yayıncılığı sektöründe çalıştı ve bilişim konulu yüzlerce kitabın editörlüğünü yaparak yayınladı. Halen kurucusu olduğu firmasında yayıncılık ve internet üzerinden eğitim konularında faaliyet göstermektedir. Suat Koyuncu, Haliç Üniversitesi, İşletme Fakültesi, İşletme Enformatiği bölümünde ve İstanbul Üniversitesi, Hukuk Fakültesi, Hukuk bölümünde öğrenimine devam etmektedir. Makine Mühendisleri Odası, Türkiye Bilişim Derneği, Bilişim Muhabirleri Derneği, Tüketiciler Derneği üyesi olan Koyuncu, evli ve üç çocuk babasıdır. Ufuk Ünal, 1987 senesinde İTÜ Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesi, Uçak Mühendisliği bölümünden mezun oldu.
88
SANAL ORTAMDA SANAL DAVRANIŞ GELİŞTİRME Dr. Cahit Karakuş İstanbul Kültür Üniversitesi, Öğretim Görevlisi E-Posta:
[email protected]
2.
Özet Bilgisayar ortamında metin, görüntü, video, ses gibi hizmetlerin birliktelikleri internet ortamında sanal medyayı meydana getiren unsurlardır. Internet erişim ortamında oyun, sohbet odaları ve sosyal paylaşım siteleri sanal yaşamın gerçekleridir. Sosyal paylaşım siteleri üzerinden insanların birbirleri ile ilgili haberleri, fikirleri ve kültürel değerleri paylaşması, geleneksel medyanın sanal medyaya dönüştüğünün en önemli kanıtıdır. İnternetin önemi ve insanların sanal medyayı artan bir hızla kullanmaya başlaması nedeniyle özellikle ürün satışlarında davranış değişikliği konularında araştırma yapanlar stratejilerini yeniden gözden geçirmek zorundadırlar. Sosyal ağların, marka bilinci oluşturmada, müşteri bulmada ve pazar araştırmalarında işletmelere sonsuz fırsatlar yaratarak yardımcı olacağı gözükmektedir. Bu yayında sosyal medyanın nasıl geliştiği anlatılmış, insanların yüz yüze görüşme yerine sanal ortamda daha fazla zaman harcamaya başlamalarının nedenleri üzerine bir araştırma yapılmıştır. Son olarak sosyal ağları kullananların; üretilen ürün, hizmet, kültür ve fikirleri satın almada birbirlerini nasıl etkileyip yönlendirdikleri üzerine detaylı bir çalışma yapılmıştır.
Bilgisayar ortamında metin, görüntü, video, ses gibi hizmetlerin birliktelikleri internet ortamında sanal medyayı meydana getiren unsurlardır. Medyanın yeni hizmetler sunmasında, elektronik, bilgisayar ve telekomünikasyon uygulamalarındaki gelişmelerin önemi vurgulanırken; bitlerin iletimi ile dünyamız hızlıca sayısallaşmıştır. Radyo linkler, uydu bağlantıları ve fiber kablo şebekelerinden oluşan iletişim atmosferi, bütüncül ve dünyayı saran bir doku gibi, bir yerden başka bir yere sürekli sesli, görüntülü ve yazılı bilgileri iletmektedir. Bilgisayar bellek ortamında güncellenen sıkıştırma yazılımları, iletişim ağlarından kaliteli ve yüksek hızlarda veri iletimine olan gereksinimi karşılamaya devam etmektedir. İnternet erişim ortamı, gerek hız gerekse erişim açısından iletişim gücünün artması ile kitle iletişim araçları arasında önemli bir yere sahip olmuştur. Tarihsel gelişim sürecinde iletişim hizmetleri, ses iletiminden, görüntü ve veri iletimine, şimdilerde ise mesaj ve gerçek zamanlı hareketli görüntü iletimine doğru çok hızlı değişimler ve dönüşümler yaşamaktadır. Mesaj iletimi dünyada çok büyük bir pazar oluşturmuştur. Özellikle hareket halindeyken kablosuz iletişim teknolojileri üzerinden mesaj iletimi yeni nesil gençlik arasında büyük rağbet görmektedir.
Anahtar sözcükler: Internet, Sanal medya, Sayısallaşan dünya, Sosyal paylaşım siteleri, Sanal ortamda yönlendirme, Oyun bağımlılığı.
1.
SANAL MEDYA
İnternet erişim ortamında oyun, sohbet odaları ve sosyal paylaşım siteleri sanal yaşamın gerçekleridir. Sosyal paylaşım siteleri üzerinden insanların birbirleri ile ilgili haberleri, fikirleri ve kültürel değerleri paylaşması, geleneksel medyanın sanal medyaya dönüştüğünün en önemli kanıtıdır. Sürekli güncellenen, çoklu kullanıma açık olan, paylaşıma olanak tanıyan sanal medya sürekli yaygınlaşmaktadır. İnsanlar sanal medyada günlük düşüncelerini yazmakta, tartışmakta ve yeni fikirler ortaya koymaktadırlar. Ayrıca kişisel bilgilerinin yanında fotoğraflarını ve videolarını da sanal ortamda paylaşan, iş arayan ve hatta eş arayan günümüz insanları çekinmeden gerçek dünyayı sanal ortamda yaşayabilmektedir. Sanal medya aracılığıyla çok sayıda kişiye ulaşan, eski arkadaşlarını bulup hasret gideren, örgütlenen insanların, sanal olarak birbirleri ile iletişim kurup, sanal olarak sosyalleştikleri de görülmektedir.
GİRİŞ
Bilgiyi saklayan, yönlendiren, sıkıştıran, işleyen ve ileten teknolojileri geliştiren insan; düşüncesini, kültürünü ve eserlerini paylaşacağı ve tartışacağı sanal ortamı oluşturmayı başardı. Sanal, gerçek olduğuna inanılan ya da inandırılandır. Sanal ortamlarda oyunlar oynanmakta, sohbet odalarında muhabbetler edilmekte ve sosyal erişim sitelerinde haberler, ürünler, hizmetler, fikirler ve kültürel değerler tartışılmakta, paylaşılmakta ve hatta satılmaktadır. Bilgisayar üzerinden erişilen sanal ortamlarda gün geçtikçe daha fazla vakit harcayan insanlar gerçek yaşam ihtiyaçlarını da buradan karşılamaya başlamışlardır. Kendilerine ait yeni sanal bir dünya kurarak yaşayan insanoğlunun davranışları da değişim göstermeye başlamıştır. Hatta sanal dünya ile gerçek dünya arasındaki sınırın yok olmaya başladığı da iddia edilmektedir. Öyle ki sanal dünyada arkadaş bularak sosyal ve siyasi düşünce alışverişinde bulunanlar; birbirleriyle tanışıp evlenme gibi ciddi kararlar da alabilmektedirler. Özellikle gençler arasında kullanım değeri bakımından hızlı bir yükseliş gösteren sanal ortam, geleneksel medyayı da potasında eritmeye başlamıştır.
3.
SANAL ORTAMDA SOSYALLEŞME
İnsan olmanın medeni, beşer olmanın temel kuramı yüz yüze sağlıklı iletişim kurmaktır. Peki insanlar neden etkileşimli iletişimden kaçıp sanal iletişimi tercih etmeye yönelmişlerdir? Duygular, jestler, mimiklerin ifade edilemediği sanal bir ortamda, iletişim kurabilmek için tanımadığı, yüzünü görmediği birisine güvenen insanlarda, bilinmezlere yelken açmayı tetikleyen olgular nelerdir? Yüz 89
yüze ya da birbirlerini tanıyan insanlar arasındaki iletişimin yerini birbirlerini tanımayan insanlar arasındaki iletişimin alması ve çok hızlı yaygınlaşmasının temelinde insanı insan yapan hangi yapısal ve ruhsal faktörler yatmaktadır? Neden birbirlerini tanımayan insanlar birbirleri ile internet olarak adlandırılan sanal ortamda muhabbet etmek istemektedirler? Gerçek yaşamlarında sağlıklı iletişimi koparan, birbirlerini dinlemeyen ve birbirlerini hoş görmeyen insanlar nasıl oluyor da sanal ortamda birbirleri ile sağlıklı iletişim kurabiliyorlar? Güney Amerika’nın batı sahillerine uzaklığı 3700 kilometre olan Büyük Okyanus’un güney batısındaki Paskalya adasını [Easter Island] Hollandalılar, 1722 yılında keşfettiklerinde adada, sazlardan yapılmış kulübelerde ve mağaralarda yaşayan 3000 kadar yerli ile karşılaştılar. Birbirleriyle sürekli savaşan yerlilerin yamyamlığı içeren bir kültürleri vardı. Adanın kaynakları son derece yetersizdi. Birkaç bitki türü dışında hiç ağaç yoktu. Ada tamamen çıplaktı. Hollandalılar, sömürgeleştirmeye değecek hiç bir şey bulamadılar. Onları şaşırtan, hatta şoke eden olay ise ada sakinlerinin ilkelliği ve barbarlığına karşın, bir dönemin gelişmiş toplumlarına ait kanıtların varlığı idi. Adanın pek çok yerinde, ortalama yüksekliği altı metreyi aşan, yüzlerce dev heykeller ve taştan anıtlar vardı. Anıtın en büyüğü ise 22 metreydi. Adadaki heykelleri inceleyen antropologlar, adada var olan ilkel toplulukların, volkanik taştan anıtlar oyup bunları bir yerden bir yere taşımak gibi teknolojik açıdan karmaşık bir işi gerçekleştirmelerinin olanaksız olduğu sonucuna vardılar. Hatta bu heykelleri başka dünyadan gelen uzaylıların yaptıklarına inananlar da oldu. Lakin son yıllarda ada yeniden gündeme geldi. Çünkü toprak bilimciler adanın toprağını inceleyip bitki fosillerin polenlerini analiz ettiklerinde, adanın tarihinde var olmuş tüm bitki türlerini belirlediler. Sosyologlar, ada yerlilerini ve inanışlarını incelediler. Genetik bilimciler yerlilerin genlerini artzamanlı incelediler, adada yaşayanların geldikleri köklerindeki benzerlikler ve farklılıklar araştırıldı. Tüm bu araştırmaların sonucunda Paskalya Adası, gizem olmaktan çıkıp, sağlıksız iletişim kurmaktan uzaklaşan insanların doğal çevreyi tahrip ettiklerinde nasıl yamyama dönüştüklerinin en acı örneği oldu. Sağlıklı iletişip kurmayıp çevreyi hızlıca tahrip edenlerin başına neler geleceğinin en acı örneğidir Paskalya Adası.
dünyalarını yaratma dürtüsüne ve olanağına sahiptirler. Bu yüzden önceki nesillerin sahip olamadıkları günlük deneyimlere sahip olmaya başlamışlardır. Sayısallaşan teknoloji yeni özgür iletişim araçları sunarken gençler de kendi deneyimlerini paylaşım şansı bularak, birbirlerini etkilemekte ve hatta birbirlerinin davranışlarını değiştirmektedirler. Ayrıca gençler yeni iletişim araçlarını hayatlarına sokma konusunda da aceleci ve esnektirler. Bu nedenle 1980 sonrası doğanlar, kullandıkları yeni teknoloji bakımından ön saflarda yer almakta ve bilgisayar kuşağı olarak adlandırılmaktadırlar.
4.
SANAL ORTAMDA YÖNLENDİRME
İnternetin önemi ve insanların sanal medyayı artan bir hızla kullanmaya başlaması nedeniyle özellikle ürün satışlarında davranış değişikliği konularında araştırma yapanlar stratejilerini yeniden gözden geçirmek zorundadırlar. Sosyal ağların, marka bilinci oluşturmada, müşteri bulmada ve pazar araştırmalarında işletmelere sonsuz fırsatlar yaratarak yardımcı olacağı gözükmektedir. Geleceğin reklamlarını tahmin etmek ancak ve ancak internet kullanan yeni nesil gençliğin davranışlarının nasıl değiştirileceğinin anlaşılması ile mümkün olacaktır. Yeni nesil gençlerin ürün, hizmet, fikir ve kültürel değerler ile ilgili tanıtımları beğenmesi, etkilenmesi, dikkatini çekmesi, onaylaması, içeriğine bakması, satın alması, başkalarına tavsiye etmesi, başkalarıyla paylaşması farklı bakış açısını gerekli kılmaktadır. Ürünlerin satın alınması ile başkalarına tavsiye edilmesi ve ürün tanıtımlarının başkalarıyla paylaşılması arasında da anlamlı bir ilişki bulunmaktadır. Sosyal paylaşım sitelerinde yayınlanan değerlere ilişkin tanıtımların; üyelerin dikkatini çekmesi, üye tarafından onaylanması ve içeriğine girilip bakılması sağlanmaktadır. Satılıp para kazanılacak ürün, hizmet, fikir ve kültürel değerlerin başkalarına tavsiye edilmesi ve başkalarıyla paylaşılması pazara yönelecek hedef kitle üzerinde etkililik açısından çok önemlidir. İnternette oluşturulan sanal ortamda oyunlar oynanmakta, sohbet odalarında muhabbetler edilmektedir. Sanal ortamda oynanan oyunlardan sanal sebzeler yetiştirilerek gerçek paranın nasıl kazanıldığına ilişkin oyun incelendiğinde kişilerde bağımlılık yapacak davranış değişikliğinin nasıl yapıldığı ilgi çekicidir. Kızımın ders çalışmayı bırakıp bilgisayarda çok fazla zaman harcamaya başladığını fark ettiğimde, onun sanal ortamda sebze yetiştirip satarak para kazanma oyunu oynadığını gördüm. Eve girer girmez koştu bilgisayarın başına geçti. Ne yapıyorsun diye sorduğumda “domatesleri sulamam lazım, yoksa bütün domateslerim kuruyacak, zarar edeceğim” dedi. Dayanamadım “bilgisayarda domates mi yetiştiriyorsunuz” diye sorduğumda bana bakarak gülümsedi. Anlattıklarını dinlemeye başladığımda şok oldum. Sebzeler bilgisayarda ekilmekte, büyütülüp satılmakta, para kazanılmakta ve kazanılan para ile araba, ev, uçak satın alınmaktadır. Birde daha çok para kazanırsan daha lüks bir yaşam da kuruyorsunuz. Nerede; internette. Nasıl; sanal. Oyuna başlarken sana para veriyorlar, sebze bahçesi satın alıyorsun, pazara bakıyorsun en iyi getiri domateste hemen fideleri satın alıyorsun ve ekiyorsun; sana ne yapacağını bilgisayar söylüyor; “8 saat sonra sulama yapacaksın, eğer 10 saat sonra sularsan domateslerin çürüyecek. Sakın ha
Sanal ortamda, kitlelerle paylaşılması için kişi kendi profilini tanımlar ve paylaşır. Birbirlerinin profillerini eklemesine olanak tanıyan ve sistemdeki her kişinin birbirini görmesini sağlayan web tabanlı hizmetler, sosyal paylaşım siteleri ya da ağları olarak adlandırılmaktadır. Sosyal paylaşım ağları, fotoğraf paylaşım sitelerini, video paylaşım sitelerini, iş sektörü için hazırlanmış profesyonel siteleri vb. içermektedir. Sosyal ağlar günlük hayatın niteliğini artırmakla beraber, kişilerin özel hayatlarını deşifre etmesi nedeniyle eleştiri konusu olmaktadır. Ancak bu durum sosyal ağlara olan ilgiyi azaltmamaktadır. Çünkü zamanlarının çoğunu sanal ortamlarda geçiren gençlerin kullandığı cep telefonu, müzik çalar ve bilgisayar gibi sayısal cihazların boyutları ve ağırlıkları küçülürken yetenekleri sürekli büyüdüğünden onların günlük hayatı da sayısal cihazların rutin parçaları haline gelmiştir. Öte yandan araştırmalar gençlerin gerçekte fazla seçeneklerinin olmadığı ve bir şekilde dijital ortama bağlandıklarını göstermektedir. Sayısal cihazları kullanarak sayısallaşan ve sanallaşan gençler benzersizdirler ve kendi 90
sulamayı geciktirme. Zamanında sularsan domates fidelerin ürün verecek ve sen bu ürünleri satacaksın, 500 altın kazanacaksın. Eğer sulamayı geç yaparsan ya da unutursan hem başlangıç sermayeni hem de üründen elde edeceğin geliri kaybetmiş olacaksın.” Oyunun başında seni oyundan koparmamak ve hırslandırmak için hızlı seviye atlattırma, en iyi çiftçi ödülünü kazandın gibi güdülemeler de yapılmaktadır. Ödül kazandığında bunu arkadaşların ile paylaş komutunu gönderiyor. Kim gönderiyor; sanal ortamdaki yazılım, tamam dediğinde paylaşım sitesinde sana ait haber duvarında, aldığın ödül yayınlanıyor ve bütün arkadaşların görüyor. Bu arada sanal ortamda olduğunuzu unutmayın. İlginç öneriler de gelmeye başlıyor; istersen kredi kartından 10TL çekeyim, senin adına domatesleri sulayalım, ya da 20TL çekelim traktör satın al, sebze bahçeni büyütürsün, daha çok ürün ekersin ve daha çok para kazanırsın gibi. Komutlar biter mi; eğer oyuna 5 arkadaşını katarsan senin bahçeni büyütüp, fide vereceğim ve üstüne 500 altın ödül kazanacaksın. Para kazandın ev, araba, uçak satın alsana diye öneriye dayalı komut ekranda. Kazandığın para ile neler satın alabileceğin, resimli özellikleri ile sana gösterilmektedir. Evi satın aldın, ekranda bir komut evinin etrafına 10 ağaç dikersen 600 altın kazanacaksın. Görev verildikten sonra yerine getirdiğinizde ekranda bravo kazandınız yazısı sürekli tekrarlanmaktadır. Sonra hadi bakayım yeni görevin. Bu görevi yaparsan binlerce altın kazanacaksın, evini değiştirip villa satın alacaksın, uçağını değiştirip jet satın alacaksın. Bakıyorsun bunları almak için aylarca çalışman gerekmektedir. Zahmetli iş sıkılıyorsun, birden ekranda bir yazı kredi kartından 10TL çekeyim sana 100.000 altın vereceğim, hemen villanı satın al. Sürekli tekrarlan mesajlar; aferin bravo kazandın, şimdi şu görevi yap bunu yaparsan yine kazanacaksın, istersen 10TL çekeyim, hemen ödülünü kazan, seni haber yapacağım, bütün arkadaşların neler kazandığını görecek… Tüm bu dönüşümde gerçek olan tek şey var; kredi kartından 10TL çekeyim, ödülünü hemen kazan komutu. Bu oyun dünyanın en büyük sosyal paylaşım sitesi Facebook üzerinden oynatılan sanal çiftlik FarmVille ve sanal şehir CityVille gibi oyunlardır. Oyunları oynatan Zynga şirket değerinin 20 milyar dolara çıktığı belirtiliyor. Dikkat edin firma 4 yıllık bir şirket. Mark Pincus tarafından 2007 yılında kurulmuş. Şirkette 1500 kişi çalışmaktadır. Zynga, günlük 62 milyon kullanıcıya ulaşıyor. Sadece sanal traktör satışından elde edilen karın 100 milyon doların üzerinde olduğu belirtiliyor. Üstelik şirket halka açılıp 1 milyar dolar toplamayı amaçlıyor. Şirketin ismini çok sevdiği köpeği Zynga’dan esinlenerek koyan ve logosunda da onun silüetini kullanan Mark Pincus, şimdi 20 milyar dolarlık bir şirketi yönetiyor.
hırslandırmaktır. Her yaptığınızı yazmak, resimlerinizi koymak ve buna birin yorum yazılmasını beklemek özgüven probleminden çok bir nevi kendinizi teşhir etmektir. İnsan tabi ki doğası gereği onay almak, beğenilmek isteyen bir varlıktır. Ancak burada yanlış olan eleştirilmekten, beğenilmemekten korkanların insanları görmeden konuşabileceği yolları tercih etmek istemeleridir. Konulan resme ve yazılan yazıya yorum yazılması için yalvaran insanlara rastlanmak güncel olgu haline gelmiştir. Aslında sanal medyanın ortaya çıkış amacı ötekileştirmek mi yoksa kendisine benzer olanları bulup, benzemeyenleri elemek mi?
5.
OYUN BAĞIMLILIĞI
İnternette oyun oynayanlar odadan çıkmaya, hatta su, tuvalet gibi ihtiyaçlarını bile karşılamaya gerek duymuyor. Tüm gün ve gece bilgisayar başından kalkmadan oyundaki karakterini yöneten, hayattan kopuk kişiler haline gelenler, çekingen ve sosyal ortamdan uzak durduklarından sosyal rahatsızlığa sahip olmakta, internet ve gerçek zamanlı oyunları bağımlılık halinde kullanmaktadırlar. Çok uzun süre hiç hareket etmeden aynı pozisyonda oturarak oyun oynamak, hareketi uzun süre kısıtladığından kan akışını engelleyen pıhtılaşmaların oluşmasına neden olduğu ve bunun da ölüme sebebiyet verdiği görülmektedir. Ebeveynler çocuklarının bilgisayar oyunu oynamalarının onlara zarar vereceklerini hiç mi hiç düşünmezler. Onlar için önemli olan çocuklarının gözlerinin önünde olmasıdır. Gençler ise oynadıkları oyunların kendilerini öldüreceğinin farkında bile değiller. Oyunların, oyun olarak kaldığı sürece zararı olmadığını, ancak hayatın kendisini de oyunlaştırıyorsa, oyunu davranış değişikliğine dönüştürebiliyorsa sonuçları çok daha tehlikeli olur. Öte yandan sürekli ekrana bakarak ışığa duyarlı epilepsiye neden olan insanlar, mide bulantısı, görme bozukluğu, baş ağrısı, nefes darlığından şikâyet ederler. Özellikle kırmızı ve beyaz ışığın seri ve güçlü bir şekilde yanıp sönmesi, beyinde kaosa yol açarak epilepsiye sebebiyet verebilmektedir. Suyun üzerinde kırılan güçlü güneş ışığı, diskolarda yanıp sönen ışıklar bile epilepsiyi uyandırabilir. Epilepsi hastası olduğunu bilmeyen kişilerde ise ani ışık değişimi, sara nöbetine yol açarak aşırı durumlarda ölümcül neticelere neden olur. Video ve bilgisayar oyunlarındaki ışık efektleri, ender durumlarda çocuk ve gençlerde baş dönmesine ve mide bulantısına yol açabilir. Oyun sırasında baş ağrısı, görme bozukluğu, baş dönmesi, mide bulantısı, bilinçte kayma, yön bulma bozukluğu, kramp gibi sağlık şikâyetleri çok sık görülmeye başlanılmıştır. Çocuklar ve gençler arasında hızla yayılan bilgisayar oyunları, adı yeni konulan bir hastalığa da yol açmaktadır. Doktorlar ilk örnekleriyle karşılaştıkları bilgisayar çağının bu yeni hastalığına ‘Nintendonitis’ adını verdiler. En çok el kaslarını etkiliyor. Konsol setinde oyun oynayarak saatler geçirenler ellerini kullanamaz duruma gelmektedirler. Anne ve babalar, çocuklarının bilgisayar ve konsol oyunları nedeniyle bozulan sağlıklarına dikkat etmelidirler. Çocuklara, evde ve okulda el bakım egzersizleri yaptırılmalıdır.
Yukarıda anlatılan çiftlik oyununda kişilerin temel ihtiyacı olan ödüllendirme, davranış değişikliğine dönüşerek bağımlılık oluşturulmakta ve kişilerin zihinsel yetileri yani beyinleri birilerinin yazdığı yazılım tarafından ele geçirilip yönlendirilmekte ve yönetilmektedir. Yüz yüze sağlıklı iletişimin yok edildiği günümüz dünyasında başarısızlık ve tatminsizliğe dayalı mutsuzluktan kurtulmak ve takdir edilmek sanal ortamda aranır hale gelmiştir. Oyunda temel kural, komutlar verilmekte, yerine getirilmesi istenmektedir. Yerine getirildiğinde takdir edilmekte ve ödül kazanılmaktadır. Başarmanın getirisi olan iki şey; takdir edilmek ve ödül kazanmaktır. Bağımlılık yapmak için gerekli olan ise
Bilgisayar oyunlarında görülen diğer bir davranış değişikliğine neden olan gerçek olgu ise yaşamak için yok et düşüncesinin oyunculara aşılanmasıdır. Hoşgörüden uzak, insan bedenini parçalayan oyun kahramanlarını kendilerine örnek alanların 91
7.
kişilik gelişimleri tehlike altındadır. Özellikle şiddet içerikli oyun ve filmleri izleyen çocuklar, olayların sebep ve neticesini sorgulamamakta, hayatı bir oyun gibi algılamakta, bu durum çocukların sosyal-ailevi ilişkilerini olumsuz yönde etkilemektedir. Belirli politik, organize suçlar ya da terörist gruplar gençleri kendi yanlarına çekmek için bilgisayar oyunlarını kullanmaktadırlar. Hedef gösterilen kurbanlar öldürüldükçe, oyuncunun puanları artıyor. Sitelerinde bu tür oyunlara yer veren grupların amaçlarının; gençleri kendi yanlarına çekmek, suça ya da eyleme yönlendirmek olduğu gözükmektedir. Oyunlar ile yönlendirilmiş gençler gerçek silahla eyleme gönderildiklerinde öldürmekten müthiş zevk aldıkları gözlemlenmiştir. Hatta yaraladığında ya da yaralandığında şoke oldukları görülmektedir. Çünkü oynadıkları oyunlarda yaralama ya da yaralanma yoktur, sadece ve sadece öldürme vardır, yok etme vardır. Bilgisayar ve internet kullanımının çocuk ve gençlere sunduğu olumlu getirilerinin yanında, bu kullanımın olumsuz etkilerinin bulunduğu da her zaman göz önünde tutulmalıdır. Yarattığı sanal dünya içinde kaybolan çocuğun gelişimi olumsuz etkilenir ve sosyal yaşamdan kopar. Kişilik gelişimleri de sağlıklı olmaz. Çocukların internette karşılaşabileceği risklerden en riskli olanı, sakıncalı olan cinsel içerikli sitelere girmeleri ve erişkinlerin cinsel tekliflerine maruz kalmalarıdır. Çocuk ve ergenlerin cinsellikle ilgili yayın ve bilgileri internette doğru şekilde öğrenememeleri, sanal yolla cinsel tacize uğramaları, onların ruhlarında ve beyinlerinde tamiri zor hasarlara yol açmaktadır.
1. “Medyadaki Önyargı ve Propaganda Nasıl Saptanır?”, Dr. Richard Paul and Dr. Linda Elder, Çeviren: Merih Bektaş Fidan, Eleştirel Düşünme Vakfı. 2. “Yeni Bir Yayın Alanı: Komplo Teorileri, Yeni Bir Araştırmacı Türü: Komplo Teorisyenleri”, Rıfat N. Bali. 3. “The Mysteries of Easter Island, A Proposal to Investigate and Possibly Uncover Significant New Evidence”, Robert M. Schoch, Ph.D. Boston University, Gary Baddeley President, The Disinformation Company.
ÖZGEÇMİŞ Dr. Cahit KARAKUŞ 13.05.1960 tarihinde Malatya’nın Yeşilyurt ilçesinde doğan Dr. Cahit Karakuş, haberleşme ve savunma sektörlerinde 27 yıllık deneyime sahiptir. Dr. Karakuş, geniş band ışıma yapan anten tasarımı ve gerçek zamanlı kestirim yapan kablosuz akıllı algılayıcılar konularında uzmandır. 1984 yılında İTÜ Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği bölümünden mezun olan Dr. Karakuş; 1987 yılında aynı üniversitede yüksek lisansını, 1995 yılında ise doktorasını tamamlamıştır. 1985 ile 1987 yılları arasında İTÜ Elektromanyetik ve Mikrodalga ana bilim dalında araştırma görevlisi olarak çalışmıştır. Halen İstanbul Kültür Üniversitesinde öğretim görevlisi olarak Bilgisayar ve Ağ Teknolojileri, Mikrobilgisayar Sistemleri ve Assembler derslerini vermektedir.
İnternetin olumsuz kullanım alanları ile ilgili bir durum tespiti yapmak amacıyla yapılan bir çalışmada, internet kullanıcılarının arama motorlarında sorguladıkları anahtar sözcüklerin listelendiği rapora göre en çok arama yapılan cümleler pornografi ile ilişkilidir. İnternet üzerinde bulunan web sitelerinin 5 de 1 i pornografiktir. Bu tür içeriklere çocukların ve gençlerin erişme olasılığı oldukça yüksektir. Küçük çocuklara karşı cinsel suiistimal olaylarında, çocuklar çevrimiçi sohbet ortamlarında istenmeyen cinsel taleplerle karşılaşmaktadırlar. Küçük yaşta çocukların internet ortamında sohbet programları ile tanıştıkları kişiler tarafından kaçırılıp, öldürüldüğü vakalar bile bulunmaktadır. Kendisinden yaşça büyük ve kötü niyetli kişilerle ve suç örgütleri ya da diğer sorunlu insanlarla çocuklar, kendi yaşıtlarıymış gibi iletişime katılabilirler. Çocuklara sohbet odalarının, bilgisayarın sokağı olduğu, tıpkı sokakta olduğu gibi, yabancılarla konuşmamaları, onların yanlarına gitmemeleri, aileye ve eve ilişkin bilgi vermemeleri tembihlenmelidir.
6.
KAYNAKLAR
1988 ile 2000 yılları arasında Nortel – Netaş’ da yazılım ve donanım mühendisi olarak haberleşme sistemlerinin tasarımında çalışan Dr. Karakuş, kablosuz haberleşme sistemlerinde kullanılan anten buluşundan dolayı teknoloji ve yaratıcılık ödülüne layık görülmüştür. 2000 ile 2002 yılları arasında COMSAT firmasında uydu yer istasyonlarının planlanma ve kurulumunda uzman olarak görev alan Dr. Karakuş, yurt içinde ve dışında şirketler için çok sayıda uydu link kurulumu yapmıştır. 2002 ile 2007 yılları arasında pek çok kurum ve kuruluşun ağ iletişim alt yapılarını projelendiren ve kurulumlarında görev alan Dr. Karakuş, 2007 ile 2009 yılları arasında “Kent Güvenliği Projelendirme” çalışmalarında bulunmuştur. 2007 yılından itibaren Telekom ve Savunma projelerinde uzman olarak çok sayıda kurum ve kuruluşa danışmanlık hizmetleri veren Dr. Karakuş, anten tasarımı ve kestirim yapan akıllı algılayıcılar konusunda çalışmalarına devam etmektedir.
SONUÇ
Eğitim, iletişim, eğlence, hizmet, ticaret gibi özellikleri bulunan internetin faydalarını kenara itip sadece zararlarını ön plana çıkarmak, interneti suç ile özdeşleştirmek doğru bir yaklaşım değildir. Zararlı etkilerin en aza indirilmesi için önlemler alınması gerektiği su götürmez bir gerçektir ancak bunların sansür dışındaki yollardan yapılması daha mantıklı olacaktır. Çünkü bilgisayarlar ve internet hakkında iyi teknik bilgisi olan kullanıcıların çoğu farklı yollarla girmek istedikleri sitelere zaten erişmektedirler. Günümüzde interneti sansürlemek yerine kullananları faydalı kullanım için bilinçlendirmek daha akıllıca bir yol olacaktır.
Dr. Karakuş; akıllı kablosuz algılayıcılar, uzaktan davranışların manipüle edilmesi ve elektromanyetik silahlar, çevreci akıllı evler ve stratejik davranış geliştirmede tehditlerin analizi konularında çeşitli üniversitelerde konferanslar vermiştir. Askılı geniş band anten tasarımı konusunda yayınları ve patentleri bulunan Dr. Cahit Karakuş, çok sayıda lisans ve yüksek lisans öğrencisine anten tasarımı konusunda tez yaptırmıştır. 92
GETEK giris:AYDIN_ACEMI.qxp 14.10.2011 14:26 Page 13
V. OTURUM OTURUM BAŞKANI: İbrahim MART > MMO Bursa Şube Yönetim Kurulu Başkanı DALGACIK TABANLI OTOMATİK KALP HASTALIĞI TEŞHİSİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95 Barış Salih GÜNEY (Haliç Üniversitesi) Figen ÖZEN (Haliç Üniversitesi) YÜZ TANIMA TEKNİKLERİNDEKİ GELİŞMELER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101 Beytullah KAYPAK (Haliç Üniversitesi) Figen ÖZEN (Haliç Üniversitesi) AKUT LENFOSİT LÖSEMİ HÜCRELERİNİN SAĞLIKLI HÜCRELERDEN AYIRT EDİLMESİ İÇİN YENİ YÖNTEMLER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109 M. Ayyüce KIZRAK (Haliç Üniversitesi) Figen ÖZEN (Haliç Üniversitesi) YÜRÜYÜŞ TANIMADA YENİ TEKNİKLER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121 Cihangir KOLCU (Haliç Üniversitesi) Figen ÖZEN (Haliç Üniversitesi)
13
DALGACIK TABANLI OTOMATİK KALP HASTALIĞI TEŞHİSİ Barış Salih Güney1, Figen Özen2 1
Haliç Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, İstanbul TÜRKİYE Tel: 212 343 08 87 1 E-posta:
[email protected], E-posta:
[email protected] Günümüzde EKG sinyallerini bilgisayar ortamında yorumlayarak hekimin işini kolaylaştıran ve yüksek oranlarda hekimin tanısıyla aynı sonucu veren ayrıntılı EKG analiz ve yorum yazılımları geliştirilmiş olup kullanımı giderek yaygınlık kazanmaktadır.
Özet Bir doktorun EKG sinyaline bakarak teşhis koyması kolaydır, ancak bu her zaman hızlı olmayabilir. Çünkü EKG sinyalleri oldukça gürültülü ve durağan olmayan sinyallerdir.Acil servislerde gelen hastanın EKG’sine bakarak o an teşhis koyabilmek oldukça zordur. Ancak tasarlanan bir sistemle otomatik olarak konan teşhis tedavi sürecine hız kazandıracaktır.
Söz konusu EKG analiz ve yorum yazılımları çoğunlukla zaman tanım bölgesi, bir kısmı da frekans tanım bölgesi parametrelerini kullanarak analiz yapmaktadır.
Bilgisayar tabanlı hastalık teşhisinde kalp hızını, QRS genişliklerini kullanmak yeterli olacaktır. QRS genişliğinin kaç milisaniye olduğu çıplak gözle anlaşılmaz. Bunun için bu genişliği öncelikle programın ölçebileceği bir biçime getirmek gereklidir.
EKG’de QRS kompleksi teşhis ile ilgili olarak çok önemli bilgiler verebilir. Çünkü sadece QRS kompleksinin genişliği ve darlığına bakarak hastalığın teşhisi konulabilir. QRS’in öncesinden gelen P, sonrasından gelen T dalgaları da QRS kompleksine bağlı dalgalardır.
Bu çalışmada dalgacık dönüşümü kullanan otomatik bir kalp hastalığı teşhisi algoritması tasarlanmıştır. Algoritma MITBIH veritabanı üzerinde denenmiş ve sonuçta % 100 başarı elde edilmiştir.
Bilgisayar tabanlı hastalık teşhisinde kalp hızını, QRS genişliklerini kullanmak yeterli olacaktır. Ancak QRS genişliğinin kaç milisaniye olduğu çıplak gözle anlaşılmaz. Bunun için QRS genişliğini öncelikle programın ölçebileceği bir biçime getirmek gereklidir.
Anahtar sözcükler: EKG, Dalgacık Dönüşümü, QRS Kompleksi
2. ALGORİTMA VE AKIŞ DİYAGRAMI
1. GİRİŞ
Dalgacık dönüşümü, veri sinyali ile ana dalgacık sinyallerinin bileşimi olarak ifade edilir, yani sinyalden sinyal üretmektir ve bu sinyali bir şekilde kodlayarak ifade etmektir. Dalgacık dönüşümünde veri bir ana dalgacık ile birleştirilir ve elde edilen sinyal bir ölçek katsayısı ile ölçek-zaman boyutunda ifade edilir. Ölçek-zaman boyutundaki eğride frekans bilgisi de mevcuttur. Bu Fourier analizine göre bir avantaj, hatta üstünlük sağlamaktadır, çünkü sinyali hem frekans bölgesinde, hem de zaman bölgesinde inceleyebilmektedir[3].
Kalp hastalığı önde gelen ölüm nedenlerindendir. 2008 yılında, Amerika’da 631.636 kişi kalp hastalığı sebebiyle hayatını kaybetti [1].Kalp hastalığı hem erkekler hem de kadınlar için önde gelen ölüm nedenidir. 2006 yılında kalp hastalığı nedeniyle ölen insanların yarısından fazlası kadındı. Koroner kalp hastalığı en sık görülen kalp hastalığı tipidir. 2009 yılında Amerika’da 445.687 kişi koroner kalp hastalığından öldü. Ölümlerin önlenmesi ve azaltılmasında erken müdahale önem arz etmektedir.
En iyi ve eski sinyal işleme yöntemlerinden olan Fourier dönüşümü, sinyali dönüştürürken frekans bölgesine taşır, sinyalin zaman bilgisi kaybolur. Durağan, yani kendini sürekli tekrar eden sinyallerde bu sorun teşkil etmez. Durağan olmayan EKG gibi sinyaller, ne zaman ne değer alacağı ve ne olacağı belli olmayan sinyallerdir, bu sinyallerin analizinde dalgacıkların yapısı itibariyle dalgacık dönüşümü kullanılır. Dalgacık dönüşümü farklı frekanslarda durağan olmayan güce sahip zaman serisi sinyallerin analizinde kullanılabilir. Durağan olmayan sinyallerin analizinde Fourier dönüşümü yeterli olmamaktadır [4].
EKG cihazlarından alınan analog sinyal kalp ile ilgili bilgiler taşır. Bu bilgileri ortaya çıkarabilmek için analog işaret, sayısal işaret işleme teknikleri ile önce sayısal işarete dönüştürülür. Elde edilen sayısal işarette kalp ile ilgili bilgiler vardır. Bu bilgileri sayısal işaretten doğrudan almak mümkün değildir. Sayısal işaretin dönüşüm işlemine tabi tutulması gerekmektedir [2]. EKG bir laboratuvar testi olup kalp hastalığının teşhisi için tek başına yeterli bir kriter değildir. Nadirende olsa kalp hastalığı olan bir kişi normal bir EKG’ye sahip olabilir, ayrıca normal bir kişi de anormal bir EKG’ye sahip olabilir. Yalnızca EKG’deki bazı anormallikler baz alınarak insanların kalp hastalığı olduğuna hükmedilemeyeceği gibi, yalnızca normal bir EKG baz alınarak da bir insanın kalp hastalığı olmadığına hükmedilemez. EKG daima ilgili diğer klinik şartların ışığı altında yorumlanmalıdır [2].
Şekil 1 ve 2’de EKG sinyalinin Fourier ve dalgacık dönüşümleri gösterilmektedir. Fourier dönüşümü ile sinyaldeki QRS kompleksini belirleyebilmek oldukça zorken, dalgacık dönüşümü ile QRS kompleksi kolaylıkla ayırt edilmektedir. 95
Şekil 1. EKG Sinyalinin Fourier Dönüşümü
Şekil 2. EKG Sinyalinin Dalgacık Dönüşümü
Bu çalışmada geliştirilen algoritma Pan Tompkins algoritmasının [5] geliştirilmiş bir versiyonudur ve akış diyagramı Şekil 3’te gösterilmiştir. Bilgisayar ortamına alınan sinyal sıfır seviyesinde değildir. Sinyali sıfır seviyesine çekmek için önce DC bileşenler atılır, daha sonra sinyalin başlangıç noktasını tam sıfıra getirebilmek için normalizasyon yapılır. DC bileşenleri atılıp sıfır seviyesine çekilen sinyal artık filtreleme işlemine hazırdır. MIT-BIH veri tabanı kullanılacağı için, öncelikle 60 Hz’lik gürültüyü atmak amacıyla sinyal tarak filtreden geçirilir. Daha sonra da çıkan sinyale alçak ve yüksek geçiren filtreler uygulanır. Üç tip filtreden geçen sinyal, teşhiste kullanılabilmesi için db10 tipi dalgacık dönüşümüne tabi tutulur. Dalgacıktan geçen sinyalde R noktaları daha da belli olmuştur. Daha sonra QRS kompleksinin yerini tam belirleyebilmek için dalgacıktan çıkan sinyalin türevi alınır. Artık QRS’in yeri bilinmektedir, bu aşamadan sonra teşhis koyma işlemi gerçekleştirilir. Uygulanan alçak geçiren filtrenin transfer fonksiyonu: Hz=1−z−621−z−12
(1)
katsayıları: [0.6310 -0.2149 0.1512 -0.1288 0.1227 -0.1288 0.1512 -0.2149 0.6310] Çıkış fonksiyonu: yn=2yn−1−yn−2+xn−2xn−6+
x(n−12) (2)
şeklindedir.
96
Yüksek geçiren filtrenin transfer fonksiyonu: Hz=(−1+32z−16−32z−17+z−32)32(1+z−1) (3)
çıkış fonksiyonu: 32yn=32xn−16−32yn−1−xn+xn−32)−
32xn−17 (4)
şeklindedir. QRS kompleksinin yeri Daubechies 10 tipi dalgacığı kullanarak belirlenmiştir. Bu dalgacık tipi Şekil 4’te gösterilmektedir. Şekil 5. EKG sinyali
Bilgisayar ortamına alınan sinyal sıfır seviyesinde değildir. Sinyali sıfır seviyesine çekmek için önce DC bileşenler atılır. Daha sonra sinyalin başlangıç noktasını tam sıfıra getirebilmek için normalizasyon yapılır (Şekil 6).
Şekil 4. Daubechies 10 dalgacığı [6] Şekil 6. Normalizasyon yapılmış 0 seviyesine çekilmiş sinyal
QRS kompleksinin yeri belirlendikten sonra R noktalarının bulunması için sinyalin karesi alınır. Bu işlemin çıkış fonksiyonu: y(T) = [x(n)]2
DC bileşenleri atılıp 0 seviyesine çekilen sinyal artık filtreleme işlemine hazırdır. 60 Hz’lik gürültüyü atmak için sinyal tarak filtreden geçirilir (Şekil 7).
(5)
biçimindedir. Daha sonra pencereleme fonksiyonu kullanarak QRS genişlikleri belirlenir. Bu işlemin çıkış fonksiyonu: yn=(1N)xn−(N−1+xn−N−2+…+
x(n)) (6)
Şekil 7.Tarak filtreden geçirilen sinyal
şeklindedir.
3. SİMÜLASYON ÇIKTILARI
60 Hz’lik şebeke gürültüsünü yok ettikten sonra sinyal alçak ve yüksek geçiren filtrelerden geçirilerek gürültülerden arındırılır.
Örnek bir EKG sinyali şekil 5’te gösterilmiştir.
Şekil 8. Alçak geçiren filtreden çıkan sinyal 97
Pencereleme fonksiyonu uygulanarak genişlikler belirlenir (Şekil 13).
Şekil 9. Yüksek geçiren filtreden çıkan sinyal
Alınan EKG sinyali gürültülerden arındırıldıktan sonra QRS kompleksinin yerini belirlemek için dalgacık dönüşümüne tabi tutulur (Şekil 10).
Şekil 13. Geciktirme ve pencereleme uygulanmış sinyal
Artık R noktaları belli olmuştur. Bu aşamadan sonra R-R aralığının ortalamasını ölçülerek kalp hızı hesaplanır. Daha sonra QRS kompleksinin aralığı ölçülerek,varsa kalp hastalığı teşhisi konur (Şekil 14).
Şekil 10. db10 tipi dalgacık dönüşümü uygulanmış sinyal
QRS kompleksinin yeri artık bellidir. Sinyal türev alma, kare alma ve pencereleme fonksiyonlarından geçirilerek R noktalarının yerleri belirlenir.
Şekil 14. R noktaları belirlenmiş sinyal Şekil 11. Türev fonksiyonundan geçirilmiş sinyal
Program sonuçları Şekil 15’te gösterilmiştir.
QRS kompleksinin yeri artık bilinmektedir, R noktalarını tam olarak belirleyebilmek için türev fonksiyonundan çıkan sinyal, kare alma fonksiyonundan geçirilir (Şekil 12).
Şekil 12. Kare alma fonksiyonundan geçirilmiş sinyal
98
Kalp hızının 100’den büyük olması tıp alanında taşikardi olarak isimlendirilir. Bunun ne tür bir taşikardi olduğuna programın ikinci aşaması karar vermektedir. Diğer bir önemli parametre olan QRS komp leksi de teşhisin ikinci aşamasında verinin ne tür bir hastalığa ait olduğunu göstermektedir. QRS kompleksinin dar veya geniş oluşu, ilerleme biçimi teşhis açısından oldukça önemlidir. Örneğin geniş bir QRS kompleksi ventriküler taşikardiyi işaret ederken, aynı biçimde ilerleyen QRS kompleksi de sinüs taşikardiyi işaret etmektedir. MIT-BIH veritabanından alınan örneklerden bir kısmının sonuçları Tablo 1 ve Tablo 2’de gösterilmiştir.Örneğin 101 numaralı verinin sonuçlarına bakıldığında, toplamda 11 atım normal QRS değerleri görülmektedir. Burada kalp hızının 82,5 çıkması da bunun normal sinüs ritmi olduğunu göstermektedir. 200 numaralı veriye bakıldığında, toplamda 15 atım ve daha genişlemiş QRS kompleksleri görülmektedir. Kalp hızının 111 çıkması da bunun ventriküler taşikardi olduğunu göstermektedir. Tablo 1. MIT-BIH ARRYTHMIA Verisinin İşlenmesiyle Elde Edilen Değerler Veri No
Atım Sayısı
RR aralığı ortalaması
Kalp Hızı (atım/ dakika)
101
11
0.7273
82.5
115
10
0.8070
74.41
117
9
0.9239
64.9
200
15
0.5383
111.45
201
14
0.5864
102.31
203
19
0.4379
137.01
210
16
0.5275
113.74
215
18
0.4500
133.33
Tablo 2. MIT-BIH ARRYTHMIA Veritabanından Alınan Veriyle İlgili Hastalık Teşhisleri
Şekil 15.Programın örnek sonuçları
4. SONUÇLAR VE PERFORMANS Programdaki R noktalarının bulunması teşhis koyma anlamında yararlı olmaktadır. MIT-BIH veritabanından alınan veri üzerinde denenen program, kalp hızını ve hastalık teşhisini doğru olarak koymaktadır. Her veri kendine özgü formattadır. Kullanılan örnekler çeşitli yaşlarda hastalardan, 30 dakika süreyle bir hastanenin EKG cihazının kayıtlarından alınmıştır. Öncelikle kalp hızının bulunması teşhisin ilk aşamasında katkı sağlamıştır. Çünkü verinin normal bir ritm mi veya bir aritmi mi olduğu bilgisini öncelikle kalp hızı vermektedir.
Veri No
QRS genişliği
Standart sapma
Hastalık teşhisi
101
25 - 26
0.8056
Normal Sinüs Ritmi
115
13 - 14
3.7520
Normal Sinüs Ritmi
117
17 – 16
0.5960
Normal Sinüs Ritmi
200
11-16-10-15-1217-9-14-15
12.457
Taşikardi Ventricular Bigeminy
201
26-27-13-12-1113
8.158
Taşikardi Ventriküler Taşikardi
203
26-27-11-26-2711-12-11-24-17-18
20.848
Atriyal Fibrilasyon
210 215
99
28-27-28-10-2728-27-26-27 14-13-13-12-1213-13-13
7.4245 0.3618
Taşikardi Ventriküler Taşikardi Taşikardi Sinüs Taşikardi
Bu program ile gelen verinin kalp hızı ölçülebilir ve kişi hastaysa ne tür hastalığı sahip olduğu belirlenebilir. Program doktorlara ve acil servislerde bulunan bölümlere hem hız açısından yardımcı olmakta, hem de daha kesin sonuçlar verebilmektedir. Çünkü EKG sinyalleri oldukça gürültülü ve durağan olmayan sinyallerdir. Bazen doktorların bile kayda bakarak hızlı ve doğru karar vermesi mümkün olmayabilir.
[5] J. Pan, W. J. Tompkins, “A Real–Time QRS Detection Algorithm”, IEEE Trans. Biomed. Eng., Vol. 32, No. 3, 1985, pp. 230– 236. [6] I. Daubechies, Ten Lectures on Wavelets, Siam, Pennsylvania, A.B.D., 1992
ÖZGEÇMİŞ
MIT-BIH veri tabanında bulunan verinin tamamı üzerinde çalışılmış ve algoritma hepsinde doğru sonuçlara ulaşmıştır. Bu da önerilen yöntemin bilgisayar tabanlı kalp hastalığı teşhisinde kolaylıkla uygulanabilir ve başarılı bir yöntem olduğunu göstermektedir.
Barış Salih Güney, 1989 yılında Diyarbakır’da doğdu. İlkokulu Çanakkale ve İstanbul’da, liseyi İstanbul’da okudu. 2011 yılında Haliç Üniversitesi Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü’nden mezun oldu. Bitirme tezini kalp hastalıklarının bilgisayar ortamında teşhisi üzerine yaptı. Halen yüksek lisans öğrenimine devam etmektedir.
5. KAYNAKÇA
Figen Özen, lisans, yüksek lisans ve doktora öğrenimini Boğaziçi Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü’nde tamamladı. Doktora çalışmaları sırasında New Jersey Institute of Technology’de dersler alıp, araştırma yaptı. Master ve doktora tezlerini Robot kontrolü konusunda yazdı. Boğaziçi Üniversitesi’nde ve New Jersey Institute of Technology’de araştırma görevlisi, Koç Üniversitesi’nde öğretim görevlisi olarak çalıştı. Halen Haliç Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü’nün tam zamanlı, İstanbul Teknik Üniversitesi Matematik Mühendisliği Bölümü’nün yarı zamanlı öğretim üyesidir. İşaret ve görüntü işleme konularında araştırmalar yapmaktadır.
[1] www.cdc.gov, Coronary Heart Disease Statistics (2010 Edition),Department of Public Health Promotion Research Group [2] A. Haşiloğlu, “Dalgacık Dönüşümü ve Yapay Sinir Ağları ile Döndürmeye Duyarsız Doku Analizi ve Sınıflandırma”, Teknik Rapor, Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü, Erzurum, 1999 [3] R. Rao, A. Bopardikar, Wavelet Transforms Introduction to Theory and Applications, Addison Wesley Longman, Massachusetts, (1998), 1-94 [4] Stephane Mallat, A Wavelet Tour of Signal Processing, Second Edition, 1999
100
YÜZ TANIMA TEKNİKLERİNDEKİ GELİŞMELER Beytullah Kaypak1, Figen Özen2 Haliç Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, İstanbul TÜRKİYE Tel: 212 343 08 87 1 E-posta:
[email protected], E-posta:
[email protected] Özet
TABLO 1. Biyometrik teknolojilerin karşılaştırılması
Yüz tanıma her geçen gün gelişen bir uygulama konusudur. Veritabanından elde edilen mevcut yüzlerin çeşitli yöntemlerle tasarlanan algoritmalar tarafından işlenmesi sonucunda birçok güvenlik sistemlerinde kullanılmaktadır.
Biyometrik Teknoloji
Doğruluk
Güvenilirlik
Kabul edilirlik
Yüz
Yüksek
Yüksek
Çok yüksek
Parmak izi
Çok yüksek
Az
Az
Bu çalışmada, yüz tanıma ile ilgili literatür taraması yapılmış, şimdiye kadar uygulanan yöntemler açıklanmıştır. Bunların başlıcaları Gizli Markov Modeli, Destek Vektör Makinesi, Nokta İmza yöntemi, Yerel Çok Boyutlu İstatistikler, Akıllı Etkileşimler, Aktif Görünüm Modeli, Bir Bit Dönüşümü, Örüntü Tanıma, Gabor Parametreleri, Özyüz yöntemi ve Dalgacık dönüşümü yöntemidir. Bu tekniklerin uygulamaları örneklenmiştir. Çalışmaya hangi yöntem uygulaması ile devam edileceği konusunda bir sonuca varılmıştır.
El geometrisi
Yüksek
Az
Az
Retina tarama
Çok yüksek
Az
Çok az
Ses tanıma
Az
Az
Çok yüksek
İmza karşılaştırma
Az
Az
Yüksek
Güvenilirliği ve doğruluğu açısından yüz tanıma tercih edilmektedir. Yüz tanıma sistemleri ticari, askeri ve sivil alanda kullanılmaktadır [2].
Anahtar sözcükler: Yüz tanıma, biyometri
2. YÜZ TANIMA
1. GİRİŞ
İnsan yüzüyle ilgilenen çalışmaların amacı üçe ayrılır: i. Kişi tanıma: Bir nüfus dağarcığı içinde bir kişinin kim olduğunu anlamak, ii. Kişi doğrulama: Belirli bir kimlik savıyla başvuran kişinin savının doğru olup olmadığını anlamak, iii. Kişi onaylama: Kişinin önceden kayıtlı kişi olup olmadığını, kayıtlı ise bu kaydın güncellenmesini sağlamak.
Biyometri kişilerin fiziksel ve davranışsal özelliklerini göz önüne alarak yürütülen kimlik belirleme çalışmalarıdır. Bu kişi özelliklerine örnek olarak retina ve iris görüntüleri, el geometrisi, ayak ve parmak izleri, elin damar görüntüsü, konuşma sesi, yüz özellikleri, kulak memesi, yürüyüş, klavye kullanımı, konuşma devinimi örüntüleri verilebilir. Daha genel anlamda, biyometri bilişim teknolojilerinin bir parçasıdır; insanların fiziksel özelliklerini ve davranış biçimlerini irdeleyip kişiyi tanıma amaçlı ipuçları çıkaran bir bilim dalıdır [1].
Her bir yüz birçok farklı, ayırt edilebilir özellikler taşır. Yüz kendine has özelliklere, girinti ve çıkıntılara sahiptir. Yüz tanıma yazılımları bu noktaları düğüm noktaları olarak adlandırır ve bu düğüm noktalarına göre yüz tanıma işlemi gerçekleştirir. İnsan yüzünde yaklaşık 80 tane düğüm noktası vardır. Yazılım tarafından işlenen bu noktaların bazıları:
Güvenlik ve organizasyon, tanıma ve doğrulama metotlarının öneminin artması ile bir anahtar teknoloji gelişmektedir. Bu teknoloji, binalara, bilgisayarlara giriş kontrolü için veya bankamatikler gibi önemli alanlarda kullanılmaktadır. Bilgisayar erişimi kontrolünde güvenilir kişisel tanıma için gereksinim biyometriklerde artan ilgiye neden olmuştur.
• • • • •
Biyometrik tanıma otomatik tanıma tekniği veya bireylerin fiziksel karakteristik veya kişisel özelliklerinin soruşturulmasıdır. Otomatik biyometrik tanıma sistemi bir insan karakteristiğini veya özelliklerini hızlıca, kullanıcının az müdahale etmesiyle veya hiç müdahale etmeden tanıma ve soruşturmayı yapabilecek bir sistemdir. Biyometrik karakteristikleri ve özellikleri davranışsal ve fiziksel şeklinde iki kategoriye ayrılır. Davranışsal biyometrikler imza ve tiplendirme ritmleri gibi davranışları içerir. Fiziksel biyometrik sistemleri tanıma için göz, parmak, el, ses ve yüz kullanılmaktadır [2]. Tablo 1’de biyometrik teknolojilerin bir karşılaştırması yer almaktadır.
Gözlerin birbirine olan uzaklığı, Burnun genişliği, Göz çukurunun derinliği, Elmacık kemiğinin şekli, Çene kemiğinin uzunluğudur.
Bu düğüm noktaları rakamsal bir değerle kodlanır ve bu kodlara yüz izi denir. Bu değerler yüz tanıma yazılımlarının veri tabanında saklanır. Geçmişte yüz tanıma yazılımları sadece 2 boyutlu bir görüntüyü veritabanındaki 2 boyutlu diğer bir görüntü ile karşılaştırarak işlem yapılabiliyorlardı. Bu çalışma şeklinde verimi ve doğruluğu artırmak için kişinin doğrudan kameraya bakması gerekmekteydi. Işık değişimi ve kameraya direkt olarak bakmama sonuçlarda hatalara 101
neden olmaktaydı. Yeni teknolojik yazılımlar ise 3 boyutlu modeller kullanmaktadır. Bu da sonuçların doğruluğunu arttırmaktadır.
• • •
İnsan yüzünden 3 boyutlu gerçek zamanlı yüz görüntüsü alınır. 3 boyutlu yüz analizinde yüzün değişmez ve belirgin özellikleri dikkate alınır. Bu değişmez özellikler göz çukurunun kıvrımı, burun, çene gibi belirgin özellikler olabilir. Yüzdeki bu kısımlar eşsiz ve zamanla değişmezdir. Ölçülendirmede ışıktan etkilenmeyen derinlik ve açı kullanıldığında 3 boyutlu görüntü analizinde karanlıkta ve profilden bakış (90 derece açıyla) ile bile yüz tanıma yapılabilir. 3 boyutlu analiz yazılımı kullanıldığında tanımlama için aşağıdaki adımlar izlenir:
Yüzün saç tarafından örtülmesi, Düşük aydınlık seviyesi, Cismin çok uzakta olması sebebiyle düşük çözünürlükte olmasıdır.
Yüz tanıma problemini çözmek için iki farklı yaklaşımdan yola çıkılmıştır. Bunlar Şekil 1’de görüldüğü gibi özellik tabanlı yaklaşım ve görünüm tabanlı yaklaşım olmak üzere iki grupta incelenir.
a.
Tespit: 2 boyutlu bir fotoğraf çekmek veya 3 boyutlu canlı bir görüntü elde etmekle gerçekleştirilir. b. Hizalama: Bir yüz tespit edildiğinde sistem başın pozisyonunu, duruşunu ve boyutunu tanır. 2 boyutlu yüz tanımada yüz kameradan maksimum 35 derece açıyla dönük olabilirken, 3 boyutlu algılamada kamera yüze 90 derece profilden bakıyor olsa da tanıma yapılabilir. c. Ölçüm: Yüzdeki eğriler milimetrenin altında bir hassasiyetle ölçülerek yüzün şablonu çıkarılır. d. Örnekleme: Sistem elde edilen yüz şablonunu bir koda dönüştürür. Bu kod her bir şablonu numaralandırmış olur. e. Eşleme: Elde edilen 3 boyutlu görüntü veri tabanındaki diğer görüntülerle karşılaştırılır. Alınan görüntü 3 boyutlu olsa da veritabanındaki görüntüler 2 boyutludur. Bu yüzden 3 boyutlu bir görüntü alındığı zaman öncelikle farklı noktalar tanınır. Örneğin gözün dışı, gözün içi ve burnun ucu çekip çıkartılır ve ölçeklendirilir. Bu ölçülere göre program algoritması yüzü 2 boyutlu hale çevirecektir. Dönüştürme işlemi tamamlandıktan sonra program bu görüntüyle veritabanındaki 2 boyutlu görüntüyü karşılaştırır. f. Doğrulama ve Tanıma: Doğrulama aşamasında görüntü veritabanındaki görüntülerden sadece birisiyle eşleştirilmelidir. g. Yüzey Doku Analizi: Görüntü her zaman yüz tanımaya göre doğrulanıp tanımlanamaz. Bu yüzden bazı yüzey tarama metotları geliştirilmiştir. Yüzey Doku Analizi olarak adlandırılan bu sistem yüz tanıma sistemiyle aynı şekilde çalışır. Bir veritabanı içerisindeki görüntülerden bir parça alınır. Alınan bu parçaya deri izi denir. Bu parça küçük bloklara ayrılır. Daha sonra bu parçalar matematiksel ölçülebilir büyüklüklere dönüştürülür. Böylece sistem herhangi bir çizgiyi, gözeneği ve gerçek cilt yüzeyini ayırt edebilir. Bu teknoloji sayesinde sadece yüz tanıma ile ayırt edilemeyecek ikizlerin bile birbirinden ayrılması sağlanabilir. Yüzey doku analizi yöntemi, yüz tanımayla entegre edilerek uygulandığında, doğruluk oranı %20-%25 oranında artış göstermektedir [3].
Şekil 1. Yüz tanıma yaklaşım şeması
Özellik tabanlı yaklaşım; veritabanında mevcut bulunan kimliği tespit edilmiş görüntülerin değişmeyen özelliklerinin belirlenerek veritabanında depolanmasıyla olur. Daha sonra, yüz görüntüsüyle karşılaşıldığında belirlenmiş değişmeyen özellikler karşılaştırılarak tanıma yapılmaktadır. Görünüm tabanlı yaklaşım ise yüz görüntülerinin mevcut bütün piksellerinin yoğunluklarına göre satır ve sütunlar alt alta gelecek şekilde sıralanarak bir vektör elde edilmesiyle başlar. Bu yaklaşımla görüntünün tamamı işleme alınmaktadır. Görünüm tabanlı yaklaşımlarda farklı görüntü işleme metotları kullanılırken özellik tabanlı yaklaşımda göz, burun, ağız gibi temel organların özelliklerinin çıkartılması ve bunlar arasındaki ilişkilerin kullanılması gerekmektedir. Yüz tanıma işlemi yüzün parçalara bölünmüş halleriyle ya da standart arka planlı yüz görüntüleri ile ilgilenmektedir. Bir kısmı ise video üzerindeki yüz tanıma ile ilgilenir, ki bunlar da genelde sabit görüntülerdir. Şekil 2’de yüz tanıma sisteminin blok diyagramı görülmektedir. Kamera veya fotoğraftan görüntü eldesi sistemin giriş noktasıdır. Çerçeve tamponunda giriş verileri saklanır. Yüz tespitinde, ön işlemler gerçekleştirilir. Görüntü işleme teknikleri ile giriş verileri normalize edilip performansın artırılması için çoğaltılır. Bu normalizasyon işlemleri görüntü boyutu normalizasyonu, histogram eşitlemesi, ışıklandırma, filtreleme, arka planı kaldırma, geçişli ve dönüşümlü normalizasyonlar olmak üzere sıralanır. Daha sonra yüzün bir kısmının çıkarımı aşamasında normalize edilmiş yüz görüntüsü için kullanılacak anahtar nitelikler belirlenir. Belirlenen nitelikler sınıflandırma için kullanılır. Yüz tanımada örnek sınıflandırıcının yardımı ile yüz
Yüz tanıma gerçekleştirilirken bazı faktörler tanımayı güçleştirir. Bunlar •
Gözlüklerden kaynaklanan yansıma veya güneş gözlüğü kullanımı, 102
görüntüsünün geliştirilmiş özellikleri veritabanındaki diğer görüntülerle karşılaştırılır. Sonuçlar bilinen ve bilinmeyen yüz olarak kategorilere ayrılır ve bilinmeyen bir yüz görüntüsü ise eğitim kümesine eklenir. Bu küme yüzün herhangi bir tarafını çıkarma ve sınıflandırma kademelerini kullanarak en iyi tanıma performansını oluşturmakta kullanılır. Görüntüler, kişi veritabanında, görüntü özellik vektörleri ile birlikte sonradan karşılaştırma yapabilmek için saklanabilir [2].
Bazı uygulamalar için yüz görüntüsü, bireyi tanımak için uygun olan tek veri kaynağıdır. Bunun bir örneği de video görüntüsünden alınan resimdir. Böyle bir görüntüde yüz görüntüsü kısmi olarak görünmüyor bile olabilir. Ses tanıma ile birleştirilen yüz tanıma insan ile bilgisayar arasındaki ara yüzlerde kullanılabilir. Bu durumda ses verisi aynı zamanda, aramayı sınırlandırmak için de kullanabilir ve böylelikle de yüz tanıma algoritması azaltılmış bir grup görüntüye uygulanır. Bu tür melez metotlar ses verisinin görüntü verisine göre daha tümleşik yapılı olmasından dolayı daha kısa zamanda daha güvenilir sonuçlar verebilmektedir [4].
3. YÜZ TANIMA YÖNTEMLERİ Literatürde yer alan yüz tanıma teknikleri ve performansları incelenmiştir. Bu bölümde yöntemler detaylı olarak anlatılmaktadır.
3.1 GİZLİ MARKOV MODEL YÖNTEMİ
Gizli Markov Modeli (GMM) bir sinyalin istatistiksel özelliklerini karakterize ederek kullanan bir modeldir. Gizli Markov Modeli iki durumu içerisinde barındırır. Bunlardan ilki sınırlı sayıdaki Markov zincirinin gözlenemez oluşu, diğeri ise bir grup olasılık yoğunluk fonksiyonundan oluşmasıdır. Gizli Markov Modeli yüz tanımanın yanı sıra konuşma tanımada da başarılı sonuçlar vermektedir.
Şekil 2. Yüz tanıma sisteminin blok diyagramı
2.1 YÜZ TANIMANIN TARİHÇESİ İlk görüntü bazlı yüz sınıflandırma metodu 25 Mayıs 1988 yılında Francis Galton tarafından gerçekleştirilmiştir. 1980’ler boyunca yüz tanıma üzerinde çok fazla çalışma yoktur, olanlar da uygulanabilir nitelikte değildir. 1990’dan sonra gereksinimlerden dolayı yüz tanımaya ilgi artmıştır. Bunun sebebi sivil/ticari araştırma projelerinin artması, yapay sinir ağları sınıflamasında gerçek zamanlı hesaplamaların ve adaptasyonun öneminin artması, gerçek zamanlı donanımların kullanılabilirliği, uyuşturucu trafiği, terörist aktiviteleri gibi hareketlerin artmasından dolayı bu faaliyetleri izleyebilecek ve olaylarla insanlar arasında bağlantı kurabilecek uygulamaların önem kazanmasıdır.
Gizli Markov Modeli yardımıyla yüz tanıma gerçekleştirilirken sırasıyla saç, alın, burun ve son olarak ağız tanınmaktadır. Gizli Markov Modelinde tanıma işlemi yapılırken veritabanında elde edilmiş görüntülerden belirli bölütler alınır. Bu yüz görüntüsü bölütlerine göre tanıma işlemi yapılır. Şekil 3’te görüleceği gibi W ile H görüntünün boyutuna, P göz ile burun arasında kalan bölüte, L ise kaş ile burun arasındaki bölüte karşılık gelmektedir [5].
H
Yüzün içerdiği özelliklerin fazlalığı bu özellikleri kullanacak yöntemlerin sayısını da arttırmıştır. Değişik özellikleri kullanan değişik yöntemler ortaya çıkmıştır. Bunlardan ilki sayılabilecek Özyüz yöntemi Matthew Turk ve Alex Pentland tarafından 1987 yılında ortaya atılmıştır ve bu konuda ilk yöntem olarak tarihe geçmiştir [2].
P
L
2.2 YÜZ TANIMANIN UYGULAMA ALANLARI Fazla miktarda yüzü tanıyabilen düşük maliyetli yüz tanıma sistemlerinin birçok uygulaması olabilir. Örneğin ATM ve kredi kartı şirketleri, hatalı kullanım ve sahtekârlığı önlemek için bu tür sistemler ile ilgilenmektedirler. Bunu başarmanın bir yolu da kredi kartına kişinin resmini eklemektir. Yüz tanıma sistemi kredi kartı sahibinin resmini tanıyabilir ve yüksek seviyede güvenlik sunabilir.
W Şekil 3. Gizli Markov Modeliyle yüz görüntüsünün parametrelerinin çıkarılması
Emniyet ve istihbarat kuruluşları insanları tanımanın hızlı ve etkili yöntemlerinin geliştirilmesi ile ilgilenmektedirler. 103
Samaria ve Young, 1993 yılında Olivetti veritabanını kullanarak elde ettikleri 40 kişinin 10’ar farklı yüz ifadelerinden oluşan görüntülerle yapmış oldukları yüz tanıma deneyinde %87’lik bir başarıya ulaşmışlardır [6].
Gizli Markov modelinde sınıflandırma yapılırken Şekil 4’teki eğitim şeması ve Şekil 5’teki tanıma şeması esas alınır [5].
Eğitilecek Veri
Samaria ve Harter, 1994 yılında yapmış oldukları çalışmada Gizli Markov Modelini kullanarak bir tanıma sistemi gerçekleştirmişlerdir. Bu tanımada 40 kişinin 200 deneme ve 200 test görüntüsünü kullanmışlardır. Bu çalışmada %84’lük bir başarı elde etmişlerdir [7], [8].
Temel Çıkarım
Gizli Markov Modeli, uygulamada oldukça fazla zamana ihtiyaç duyduğundan, pek tercih edilmemektedir. Özelliklerin Çıkarımı
3.2 DESTEK VEKTÖR MAKİNESİ YÖNTEMİ Destek Vektör Makinesi (DVM) yöntemi gittikçe popüler olan bir sınıflandırma yöntemidir. İçinde bir çok yöntemi barındırabilir. DVM, en basit haliyle iki sınıflı veriye ait bir nokta kümesini ayıran en iyi hiperdüzlemi bulmaya çalışır. DVM yöntemi destek vektörlerini kullanır ve aynı sınıfa ait noktaları bir arada tutacak şekilde çalışır. Özellik çıkarımı yapıldıktan sonra DVM yöntemi ile ikililer arasındaki farklar araştırılır. Veritabanındaki görüntülere ait vektörler ile örnek vektörleri kıyaslanır. Samaria’nın bu konuda yaptığı çalışma iki kısımdan oluşmaktadır. Bunlardan ilkinde Cambridge ORL yüz veritabanından 40 farklı kişinin yüz görüntüsü ele alınmaktadır. Her 4 kişinin 10 farklı yüz ifadesi kullanılmıştır. İkinci kısımda ise 5 farklı bölümden oluşmuş büyük birleşik veritabanından faydalanılarak 137 kişinin 1079 adet yüz ifadesi ele alınmıştır [8].
Modelin Oluşması
Hayır
Modelin yeniden eldesi
Evet
Model
Parametrelerin Oluşması
Guo, Li ve Chan, yapmış oldukları çalışmada En Yakın Komşu sınıflandırma kriterini kullanarak standart Özyüz yaklaşımıyla DVM tabanlı tanımayı kıyaslamışlardır. DVM’nin yanı sıra ikili ağaç sınıflandırma stratejisini de ele almışlardır. Bu yöntemle geliştirmiş oldukları algoritmalarla başarılı sonuçlar elde etmişlerdir [9].
Şekil 4. Eğitim Şeması
Görüntü
λ1
kullanarak Olasılık Hesabı
3.3 NOKTA İMZA YÖNTEMİ
Temel Çıkarım
Chua, Han ve Ho Nokta İmza yöntemini kullanarak yaptıkları çalışmada yeni bir algoritma geliştirmeyi amaçlamışlardır. Dördü farklı ifadeye sahip olmak kaydıyla 6 adet yüzü incelemişlerdir. Yüz ifadeleri benzerliklerine göre sıralanıp kayıt altına alınmıştır. Başarı oranları %79-94 arasında değişmektedir [10].
λ2 kullanarak Olasılık Hesabı
“ “ Özelliklerin Çıkarımı
“ “
3.4 ÖZYÜZ YÖNTEMİ
“
Özyüz yöntemi ilk olarak Sirovich ve Kirby tarafından 1987 yılında kullanılarak yüzü etkin bir biçimde göstermek için uygulanmıştır.
“ λN kullanarak Olasılık Hesabı
Sonuç
Kirby ve Sirovich tarafından Özyüz yöntemi ile 115 adet yüz görüntüsü içeren veritabanı üzerinde yapılan çalışmada yaklaşık olarak %3’lük bir hata payıyla bir yüzü yeniden oluşturmak için sadece 40 adet öz vektörün yeterli olduğunu gösterilmiştir [11].
En Yüksek Olasılıklı Seçim
Özyüz yöntemi Turk ve Pentland tarafından daha sonra daha da geliştirilmiştir. İlk olarak tam otomatik yüz tanıma sistemi üretilmiştir [12].
Şekil 5. Gizli Markov modeli tanıma şeması 104
3.7 AKILLI ETKİLEŞİMLER YÖNTEMİ
Pentland ve Moghaddam, 1991 yılında yayımladıkları çalışmada daha önce yapmış oldukları Özyüz şablonunu kullanmışlardır. Tanımada Özyüz yöntemi ile birlikte Bayes tabanlı istatistik yöntemini kullanarak bir dizi düzenlemeler yapmışlardır [13].
İnterACT Araştırma Merkezi’ne göre Akıllı Etkileşimli uygulamalar üç ana gruptan meydana gelmektedir: a. Akıllı çevreler için yüz tanıma, b. Akıllı makineler için yüz tanıma ve c. Akıllı görüntü/video erişimleri için yüz tanıma. Akıllı Etkileşimler için bir yüz tanıma algoritması geliştirileceği zaman bu hedeflerin bir tanesinden yola çıkılmalıdır [20].
Moghaddam ve Pentland daha sonra yaklaşık 3000 kişinin 7562 adet yüz görüntüsünü bulunduran bir veritabanı ile çalışmışlar ve %95 başarı elde etmişlerdir [14]. Zang, Yan ve Lades yapmış oldukları çalışmada Özyüz yönteminin ışık değişikliği ile önemli ölçüde etkilendiğini saptamışlardır [15].
Akıllı Etkileşimler yöntemi kullanılan bir çalışmada yüz tanıma algoritması Ayrık Kosinüs katsayıları ile elde edilmektedir. Bu çalışma sonunda elde edilen yüz tanıma sistemi stereo kameralarla görüntü alımı yapan bir robot üzerinde kullanılmış ve kişi etkileşimli olduğu görülmüştür [20].
O’Toole, Deffenbacher ve Valentine, yapmış oldukları çalışmada bir yüzü kodlamak için Özyüz yönteminin uygun olduğunu, fakat bir yüz görüntüsünü tanımada uygun bir metot olmadığını göstermişlerdir [16]. 3.5 DALGACIK DÖNÜŞÜMÜ YÖNTEMİ
3.8 DİĞER ÇALIŞMALAR
Dalgacık dönüşümü tanıma işlemi yapılmadan önce yüz görüntüsünün boyutunu azaltmak için kullanılmaktadır. Dalgacık dönüşümü; dönüşüm ve ölçeklendirme işlemlerine dayanmaktadır. Dalgacık dönüşümün tercih edilmesi iki temele dayanmaktadır. İlk olarak ele alınan verinin kolayca işlenmesi, ikincisi ise sonsuz sayıda fonksiyon kullanılmasıdır.
Alemy, Shiri, Didehvar ve Hajimohammadi tarafından yapılan çalışmada yerel çok boyutlu istatistikler kullanarak yüz tanımayı gerçekleştirilmiştir. Bu yöntemde Dört Kriter Yaklaşımı (Four Benchmark Approach) uygulanmaktadır. Bunlar Global PZM (Pseudo Zernike Moment) yaklaşımı, Yerel çok boyutlu istatistikler yaklaşımı, Özyüz metodu ve Modüler Temel Bileşen Analizi yaklaşımıdır. Bu çalışma sonucunda Global PZM yaklaşımının Özyüz metodundan üstün olduğunu göstermişlerdir. Karşılaştırmalarda çoğunlukla Modüler Temel Bileşen Analiz yaklaşımı kullanılmaktadır [21].
Lades and Vorbruggen, yapmış oldukları çalışmada 87 kişilik bir veritabanında bu yöntemi uygulamışlar ve %88’lik bir başarı elde etmişlerdir [17]. Jacobs, Finkelstein ve Salesin çalışmalarında az sayıda katsayı kullanarak, istenen görüntüyü belirlemek için Ayrık Dalgacık Dönüşümünü kullanmışlardır. Aralarında farklı görüntüler de barındıran 20.000 görüntüden oluşan veritabanından faydalanmışlardır. Veritabanı içinden bir deneme görüntüsü belirleyip ve o deneme görüntüsüne en yakın 20 görüntüyü elde etmeyi amaçlamışlardır [18].
Yüz tanıma için yüz özelliklerine uyumlu Bir-Bit Dönüşümü kullanılan bir çalışmada yüz tanıma için yüzün özelliklerinin konumunu ve aynı zamanda yüzün yönlenmesini tespit etmek üzere yüz özelliklerine uyumlu Bir-Bit dönüşümü önerilmektedir. Yüz görüntüsüne Ayrık Dalgacık dönüşümü ve Ayrık Kosinüs dönüşümü uygulanarak özellik vektörleri bulunmaktadır. Destek Vektör Makineleri kullanılarak sınıflandırma işlemi yapılmaktadır. Bu çalışmada öncelikle ten rengine bağlı olarak yüz bölgesi bölütlenmekte ve elde edilen yüz görüntüsü, en küçük kareler yöntemi ile oluşturulmuş çekirdek kullanan Bir-Bit dönüşümü ile ikili görüntüye dönüştürülmektedir. Oluşturulan ikili görüntüde önceden tanımlanmış bölgeler kapsamında K-ortalama yöntemi uygulanarak göz ve ağız kümeleri belirlenmekte, daha sonra özellik çıkarımı için kullanılacak yüz görüntüsü elde edilmektedir [22].
3.6 AKTİF GÖRÜNÜM MODELİ (AGM)
YÖNTEMİ Aktif Görünüm Modeli ile daha önceden yüze ait önemli noktalarının koordinatları belirlenmiş örnek yüz görüntüleri ile beslenerek oluşturulan model yardımı ile yeni insan yüzleri sentezlenebilmektedir. AGM giriş yüz görüntüsü ile sentezlenen yüz görüntüsünün arasındaki farkı en aza indiren model parametrelerini bulmayı amaçlayan bir yöntemdir. Kahraman, Kurt ve Gökmen, AGM’ye dayalı bir yüz tanıma sistemi geliştirmişlerdir. Bu çalışmada insan yüzünün temel bileşenlerini (gözler, ağız, burun) otomatik olarak saptayan ve bu bileşenlere ait önemli noktalardan elde etmiş oldukları yerel öznitelikleri kullanarak, aydınlatmadan bağımsız yüz tanımayı gerçekleştiren bir yöntem geliştirmişlerdir. Yüz temel bileşenlerinin otomatik olarak saptanmasının AGM kullanılarak başarılı bir şekilde gerçekleşebileceği bu çalışmada gösterilmektedir [19].
Çevikalp, Neamtu, Wilkes ve Barkana, sınıflar arası saçılım matrisinin sıfır alt uzayındaki optimal izdüşüm vektörlerini bulmak için yeni bir yöntem sunmuşlardır. Yüz görüntüleri daha küçük boyutlu bir uzayda fazla bilgi kaybı olmadan ifade edilebilmektedir. Bu amaçla Özyüz (Eigenface), Fisheryüzler, Sıfır Uzayı (Null Space) ve Direkt Lineer Diskriminant Analizi (Direct-LDA) yöntemlerini kullanmışlardır. Bu çalışmada anlatılan yöntem, Sıfır Uzay üzerine kurulmuştur. Yöntemler ve tanıma oranları sırasıyla; Özyüz %74.66, Fisheryüz %96, Direkt Lineer Diskriminant Analizi %92, Ayırt Edici Ortak Vektörler %97.33 şeklindedir [23]. 105
Üç boyutlu yüz tanıma için betimleme ve öznitelik çıkarım yöntemlerinin incelenmesi ile ilgili bir çalışma yapılmıştır. Betimleme yöntemleri olarak nokta kümeleri, derinlik imgeleri, yüzey kıvrım bilgisi, 3B vokseller (3 boyutlu piksel) ve doku bilgisi kullanılmış, betimleme yöntemlerinin seçimine göre Bağımsız Bileşenler Analizi, Negatif-olmayan Matris Faktorizasyonu ve Ayrık Fourier/Kosinüs dönüşümleri gibi öznitelik çıkarım yöntemlerinden yararlanılmıştır. FRGC yüz veri kütüphanesi kullanılarak yapılan tanıma deneylerinde betimleme yöntemlerinin öznitelik çıkarım yöntemlerine göre daha belirleyici rol oynadıkları ve önerilen kıvrım yönlerine dayalı özniteliklerin ve öğrenme kümesinin yeterli olduğu durumlarda negatif olmayan Matris Faktorizasyonu gibi alt uzay tekniklerinin literatürde kullanılan diğer yöntemlere oranla daha iyi tanıma başarımı elde ettiği gösterilmiştir [24].
başarıyı %29,1 oranında arttırmıştır. Aydınlatma altuzaylarına dayalı yüz tanıma yöntemi başarı oranını %4,3 daha arttırmıştır. Yeterli veri olmadığı durumlarda, önden aydınlatılmış yüzlerden türetilen yapay verilerin kullanımı da yüksek başarı oranına sağlamış ve rastgele seçilen orijinal görüntüler kullanımına göre yüz tanıma başarısını %26,4 oranında arttırmıştır [28]. Heterojen nüfus içinde yapılan yüz tanıma çalışmasında teknolojik olarak çeşitli uygulamalar kullanılmaktadır. Farklı nüfus gruplarının etkisi yüz tanıma sistemlerinin performansını belirlemektedir. Standart görüntü işleme tekniklerinde Temel Bileşenler Analizini segmentasyon tekniği ile birleştirerek heterojen nüfusta başarılı sonuçlar almışlardır [29].
Yüz tanıma için en iyi Gabor parametrelerinin seçimi ile ilgili çalışmada yüzdeki en uygun öznitelik yerlerini ve bu özniteliklerin birleşimini bulmak için bir dizi öznitelik seçim algoritması ile bir genetik algoritması kullanılmaktadır. Ardışık gezen ileri seçim ve genetik algoritması en iyi tanıma sonuçlarını vermiştir. İlk varsayımı denemek için kullanılan en iyi bireysel öznitelik algoritması, ardışık gezen ileri seçim ve genetik algoritmadan daha kötü tanıma performansı göstermiştir. Genel olarak, kaşlar ve burun çevresindeki bölgeler yüz tanıma için en yararlı yerler olarak tespit edilmiştir [25].
Kung, Fang, Liou ve Chio karar tabanlı yapay sinir ağı üzerinde çalışmışlardır. Bu çalışma, lineer olmayan temel bir hiyerarşik ağ yapısından meydana gelmektedir. Karar Tabanlı Yapay Sinir Ağı yönteminin hız ve doğru tanıma açısından diğer tanıma yöntemlerinden daha üstün olduğunu göstermişlerdir. Bu çalışmada ARPAFERET ve SCR-IM veritabanları kullanılmıştır [30].
Tüzün ve Akan yüz uzayının dikleştirilmesine dayanan yeni bir yüz tanıma yöntemi ile ilgili çalışmalarında verilen bir yüzün dik kümedeki elemanlarının doğrusal birleşimi ile elde edilen kestirimine olan uzaklığını minimize ederek uygun bir tanıma yöntemi geliştirmişlerdir. Yüz tanımada kullanılabilecek bir yöntem olarak, yüzlerin oluşturduğu uzayın dikleştirilip, dik bir alt uzay elde edilmesi yöntemi üzerinde durulmaktadır. Bu çalışmada veri tabanında bulunan yüz görüntülerinin en iyi şekilde temsil edilebilmesi için dik bir küme elde edilmektedir. Gramm-Schmidt dikleştirme yöntemi ile elde edilen görüntülerin doğrusal birleşimi ile kümedeki diğer yüzler yaklaşık olarak oluşturulabilmektedir. Doğru kişinin tespiti için izin verilmesi gereken hata eşiği yanlış red/kabul oranını önemli derecede etkiler, deneysel olarak önceden belirlenmesi gerekmektedir [26].
Nakai, Okakura, ve Arakawa, fotoğrafı çekilen yüz görüntüsünün yaş ilerlemesini de dikkate alarak otomatik tanınmasını sağlayan bir yöntem geliştirmişlerdir. Başarı oranı %80’lere kadar çıkmıştır [32].
Prema, Sikomoni ve Suguna tarafından yapılan çalışmada Temel Bileşenler Analizi, Gabor Dalgacık dönüşümü ve Özyüz yöntemi bir arada kullanılmıştır [31].
4. SONUÇ Bu çalışmada yüz tanıma ile ilgili olarak literatür çalışması yapılmış ve bulunan sonuçlar örnekleriyle anlatılmıştır. Gizli Markov Modeli yöntemiyle yapılan çalışmalarda yüksek başarı elde edilse de, uygulama aşamasında uzun zamana ihtiyaç duyduğundan tercih edilmemektedir. Özyüz yöntemi yüz tanıma konusunda ilk uygulanan yöntem olduğundan dolayı daha çok kullanılmaktadır. Fakat ışık değişimiyle başarı oranının oldukça düşmesi uygulama konusunda sıkıntı yaratmaktadır. Değerlendirmeler sonucunda yüz tanıma probleminin yüzün değişken yapısından dolayı öncelikle Dalgacık dönüşümünün uygulanması ile daha başarılı bir şekilde çözüleceğine karar verilmiştir. Dalgacık dönüşümü, uygun bir örüntü tanıma tekniği ile birleştirilecek ve araştırmaya bu yönde devam edilecektir.
Poz ve ifade değişimlerinde parça tabanlı üç boyutlu yüz tanıma çalışmasında tam otomatik, parça tabanlı bir üç boyutlu yüz tanıma sistemi geliştirilmiştir. Yüz tanıma konusunda poz düzeltme ve eğrilik tabanlı yüz bölütlemesi kullanılmaktadır. Bu çalışmada doğal sınırlarından bölütlenmiş burun bölgesinin üç boyutlu yüz tanımada tek başına kullanımı ile Boğaziçi Veri Tabanında, tanıma başarısı oranlarının düz yüz ifadeleri için %94,1’e kadar ve poz değişimleri için %74.41’e kadar arttığını gösterilmiştir [27].
5. KAYNAKÇA [1] http://tr.wikipedia.org/wiki/Yüz_Tanıma, (Erişim Tarihi: 28.06.2011) [2] http://www.internetdergisi.com/ (Erişim Tarihi: 23.06.2011) [3] http://www.turksan.com/yuz-tanima.html, (Erişim Tarihi: 24.06.2011) [4] Kubilay Kıymacı, Kocaeli Üniversitesi Bilgisayar Mühendisliği Bitirme Tezi, 2010, s. 2.
Aydınlatma alt-uzaylarına dayalı yüz tanıma çalışmasında aydınlatma yönü bilgisinden yararlanılarak bir yüz tanıma sistemi geliştirilmiştir. Baskın aydınlatma yönleri ve bir topraklandırma algoritması kullanılmıştır. Deneyler sonucunda aydınlatma yön bilgisinin kullanımının yüz tanıma başarısını önemli ölçüde arttırdığı gözlemlenmiştir. Eğitim verisinin doğru-dikkatli seçimi Özyüzler algoritmasında 106
[5] Ara V. Nejian, H. Monson, “Face Detection and Recognition Using Hidden Markov Models”, Proceedings of the ICIP International Conference, Georgia Institute of Technology, 1998, pp. 141-144. [6] F. Samaria , S. Young, , “HMM Based Architecture for Face Identification”, Proceedings of the Image and Computer Vision, 1994,Vol. 12, pp. 537-583. [7] F. S. Samaria, A. C. Harter, , “Parameterization of a Stochastic Model for Human Face Identification”, Proceedings of the 2nd IEEE Workshop on Applications of Computer Vision, Sarasota, Florida, 1994, pp. 132-138. [8] F. S. Samaria, 1994, “Face Recognition using Hidden Markov Models”, PhD Thesis, Trinity College, University of Cambridge, Cambridge. [9] Guodong Guo, Stan Z. Li, Kapluk Chan , “Face Recognition by Support Vector Machines”, Proceedings of the Fourth IEEE International Automatic Face and Gesture Recognition Conferenc, Nanyang Technological University, Singapore, 2000, pp. 196-201. [10] Chin-Seng Chua, Feng Han, Yeong-Khing Ho, “3D Human Face Recognition Using Point Signature”, Proceedings of the Fourth IEEE International Automatic Face and Gesture Recognition Conference, (FG’00), 2000, pp. 233-238. [11] L. Sirovich, M. Kirby, 1987, “Low Dimensional Procedure for Characterization of Human Faces”, J. Opt. Cos. Amer, Vol 4, pp. 519-524. [12] M. Turk, A. Pentland, “Eigenfaces for Recognition”, J. Cognitive Neuroscience, 1991, pp. 71-86. [13] A. Pentland, B. Moghaddam, T. Starner, M. Turk, “View Based and Modular Eigenspaces for Face Recognition”, Proceedings. of the IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, 1994, pp 84-91. [14] B. Moghaddam, A. Pentland, “Probabilistic Visual Learning for Object Representation”, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 1997, 19, pp, 696-710. [15] J. Zhang, Y. Yan, M. Lades, , “Face Recognition: Eigenface”, Proceedings of the IEEE Conference on Elastic Graph Matching, and Neural Nets, 1997, 85, pp. 1423-1435. [16] A. J. O’Toole, K. A. Deffenbacher, D. Valentin, “A Low Dimensional Representation of Faces in the Higher Dimensions of Space”, J. Opt. Soc. Amer A., 1993, 10, pp. 405-411. [17] M. Lades, J. C. Vorbruggen, J. Buhmann, J. Lange, C. V. D Malsburg, R. P. Wurtz, W. Konen, “Distortion Invariant Object Recognition in Dynamic Link Architecture”, On Computation, 1993, 42, pp. 300-311. [18] C. Jacobs, A. Finkelstein, D. Salesin, “Fast Multiresolution Image Querying.” Proceedings of Singaph 95, Annual Conference Series in Computer Graphics, Los Angeles, CA, 1995, pp. 277-286. [19] Fatih Kahraman, Binnur Kurt, Muhittin Gökmen, “Active Appearance Model Based Face Recognition”, Proceedings of the IEEE 13th Conference on Signal Processing and Communications Applications, İstanbul Teknik Üniversitesi, Maslak-İstanbul, 2005, pp. 483-486 107
[20] Hazım Kemal Ekenel, Mika Fischer, Hua Gao, Lorant Toth, Rainer Stiefelhagen, “Face Recognition for Smart Interactions”, Proceedings of the IEEE International Conference onMultimedia and Expo, Karlsruhe University, Karlsruhe, Germany, 2007, pp. 1007-1010. [21] Roghayeh Alemy, Mohammad Ebrahim Shiri, Farzad Didehvar, Zaynab Hajimohammadi, “Face Recognition using Local Multi Dimensional Statistics”, Proceedings of the 14th International CSI Computer Conference, Amirkabir University of Technology, Tahran, 2009, pp. 392-396. [22] Aysun Taşyapı Çelebi, Begüm Demir, M. Kemal Güllü, Sarp Ertürk, “Facial Feature Matched One-Bit Transform for Face Recognition”, Proceedings of the 16th IEEE Conference on Signal Processing, Communication and Applications, SIU 2008, Kocaeli Üniversitesi, Kocaeli, 2008, pp. 1-4. [23] Hakan Çevikalp, Marian Neamtu, Mitch Wilkes, Atalay Barkana, ‘‘A Novel Method for Face Recognition”, Proceedings of the IEEE 12th Signal Processing and Communications Applications Conference, Vanderbilt Üniversitesi, Nashville, 2004, pp. 579-582. [24] Berk Gökberk, Helin Dutağacı, Lale Akarun, Bülent Sankur, “Analysis of Representation and Feature Extraction Schemes for 3D Face Recognition”, Proceedings of the IEEE 15th Conference on Signal Processing and Communications Applications, SIU 2007, Boğaziçi Üniversitesi, İstanbul, 2007, pp. 1-4. [25] Berk Gökberk, M. Okan İrfanoğlu, Hasan Doğu, Lale Akarun, Ethem Alpaydın, “Yüz Tanıma için En iyi Gabor Parametrelerinin Seçimi”, SIU 2003 Bildiriler Kitabı, Boğaziçi Üniversitesi, Bebek, İstanbul, 2003, s. 1-4. [26] Serkan Tüzün, Aydın Akan, “Yüz Uzayının Dikleştirilmesine Dayanan Yeni Bir Yüz Tanıma Yöntemi”, İstanbul Üniversitesi, Avcılar, İstanbul, 2005, s. 1-4. [27] Hamdi Dibeklioğlu, “Part-Based Face Recognition Under Pose and Expression Variations”, Master Thesis, Yeditepe Üniversitesi, Kayışdağı, İstanbul, 2006. [28] D. Kern, H. K. Ekenel, R. Stiefelhagen, “Illumination Subspaces Based Robust Face Recognition”, Proceedings of the IEEE 14th Conference on Sv Karlsruhe,Germany, 2006, pp. 1-4. [29] D. W. Purnell, C. Nieuwoudt, E. C. Botha, “Face Recognition in a Heterogeneous Population”, Proceedings of the IEEE International Symposium on Industrial Electronics, ISIE ‘98 , University of Pretoria, Pretoria, South Africa, 1998, Vol. 2, pp. 594-599. [30] S. Y. Kung, M. Fang, S. P. Liou, M. Y. Chio, “DecisionBased Neural Network for Face Recognition System”, Proceedings of the International Conference on Image Processing, 1995 ,Vol. 1, pp. 430-433. [31] R. Prema, K. Thirunadana Sikamani, R.Suguna, “A Novel Feature Extraction Scheme for Face Recognition”, International Conference on Signal and Image Processing (ICSIP), St. Peter’s University, Chennai, 2010, pp. 502-505. [32] Tomo Nakai, Taro Okakura, Kaoru Arakawa, “Face Recognition Across Age Progression Using Block Matching Method”, Proceedings of the International Symposium on Communications and Information Technologies (ISCIT), Meiji University, Japan, 2010, pp. 620-625.
ÖZGEÇMİŞ Beytullah Kaypak, 1986 yılında Osmaniye’de doğdu. İlköğrenimini Osmaniye Yediocak İlköğretim Okulu’nda ve lise öğrenimini Osmaniye Atatürk Lisesi’nde tamamladı. 2008 yılında Haliç Üniversitesi Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü’nü kazandı ve halen dördüncü sınıfta öğrenimine devam etmektedir. Figen Özen, lisans, yüksek lisans ve doktora öğrenimini Boğaziçi Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği
Bölümü’nde tamamladı. Doktora çalışmaları sırasında New Jersey Institute of Technology’de dersler alıp, araştırma yaptı. Master ve doktora tezlerini Robot kontrolü konusunda yazdı. Boğaziçi Üniversitesi’nde ve New Jersey Institute of Technology’de araştırma görevlisi, Koç Üniversitesi’nde öğretim görevlisi olarak çalıştı. Halen Haliç Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü’nün tam zamanlı, İstanbul Teknik Üniversitesi Matematik Mühendisliği Bölümü’nün yarı zamanlı öğretim üyesidir. İşaret ve görüntü işleme konularında araştırmalar yapmaktadır.
108
AKUT LENFOSİT LÖSEMİ HÜCRELERİNİN SAĞLIKLI HÜCRELERDEN AYIRT EDİLMESİ İÇİN YENİ YÖNTEMLER M. Ayyüce Kızrak1, Figen Özen2 Haliç Üniversitesi, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü, İstanbul, TÜRKİYE Tel: 212 343 0887 E-posta:
[email protected], E-posta:
[email protected] Özet Literatürde lösemi teşhisinde kullanılan yöntemler incelendiğinde, lösemi hücrelerinin görüntüleme teknikleri kullanılarak tespit edilmesinde birbirinden farklı birçok yöntemin geliştirilip kullanıldığı görülmektedir. Bu yöntemler hakkında araştırma ve geliştirme çalışmaları sürmektedir. Bu çalışmaların amacı daha çok çocuklarda rastlanan ve teşhis edildiği durumda tedaviye açık olan, tedavi edilmediğindeise ölümcül sonuçlar doğurabilen Akut Lenfosit Lösemili (ALL) hücrelerde bir örüntü tanıma algoritması ile erken ve daha doğru tanı konmasını sağlamaktır. Şekil 1. Otsu yöntemi uygulaması
Bu araştırmada ALL tipi hücrelerin sağlıklı hücrelerden ayrılmasına yönelik çalışmalar incelenmiştir. Yeni geliştirilen yöntemler detaylı olarak verilmiştir. Anahtar sözcükler:Görüntü işleme, akut lenfosit lösemi, biyomedikal görüntü işleme
1. GİRİŞ Akut lenfosit lösemili hücrelerin sağlıklı hücrelerden ayırt edilmesi eldeki görüntünün çeşitli işlemlerden geçirilmesiyle mümkün olmaktadır. Bunlar ön işlemler ve örüntü tanıma işlemleri olarak gruplandırılabilir.
Şekil 2. Otsu dönüşüm sonucu
2.2. Renk Tonu, Doygunluk ve Yoğunluk (Hue, Saturation, Intensity) Eşikleme Yöntemi
Yapılan literatür taramasında başlıca iki ön işlem kullanıldığı görülmektedir. Bunlar eşikleme yöntemleri ve morfolojik önişlemler olarak adlandırılır. Ön işlemlerin ardından uygun bir örüntü tanıma yöntemi ile tanıma gerçekleştirilmektedir.
Üç boyutlu bir renk uzayında gerçekleştirilmektedir. Bu özelliğinden dolayı RGB (red, gren, blue) veya CYM’den (cyan, yellow, magenta) çok farklıdır. Koni şeklinin merkezi yoğunluğu simgelemektedir. Bu merkez ekseni gri değerleri, tabanı beyazı ve sivri ucu da siyahı temsil etmektedir. Görüntüyü modifiye etmek için RGB’den daha çok tercih edilen bir yöntemdir. Özellikle yoğunluk bilgisinden dolayı veri kaybı daha azdır ve istenen sonucu daha iyi verebilmektedir. Görüntü işleme alanındaki kullanımında genellikle, RGB görüntüden HSI (hue, saturation, intensity) uzayına geçiş yapılır, görüntü istenilen şekilde işlenir ve ardından tekrar RGB uzayına geçiş yapılır [3].
2. ÖNİŞLEMLERDE KULLANILAN YÖNTEMLER Yapılan literatür taramasında başlıca iki ön işlem kullanıldığı görülmektedir. Bunlar eşikleme yöntemleri ve morfolojik işlemlerdir. 2.1 Otsu Eşikleme Yöntemi Görüntü işlemede otomatik histogram tabanlı eşikleme yapan bir algoritmadır. Gri seviyelerin azaltılması temeline dayanmaktadır. Görüntüde hedeflenen sonuca yönelik uygun eşik değeri seçilmektedir. Tek bir eşik değeri bulmak için ön ve arkaplan varyanslarının hesaplanması gerekir. Çoklu seviye eşikleme de gerçekleştirilir. [1], [2].
Şekil 3. Renk tonu, doygunluk ve yoğunluk (HSI) uzayı 109
Bu bilgiler ışığında RGB ve HSI ile elde edilen sonuçları değerlendirmek gerekmektedir [4].
Şekil 6. Karanlık kontrast germe [5] Şekil 4. RGB ile HSI karşılaştırması
3. MORFOLOJİK İŞLEMLER 3.1. Yerel Kontrast Germe, Küresel Kontrast Germe, Kısmi KontrastYöntemleri Görüntüyü iyileştirmek, geliştirmek ve/veya uygun forma dönüştürmek için görüntü insan ya da cihazlar tarafından analiz edilmektedir. Buna bağlı olarak yöntem, teknik ve süreçler geliştirilir. Burada görüntünün geliştirilmesi, görüntünün öznitelik belirleyici değerlerinin hakimiyetinin artırılması veya görüntünün farklı bölgelerdeki belirsizliklerin azaltılması olarak tanımlanmaktadır.
Şekil 7. Parlaklık kontrast germe [5]
3.2. Otomatik Morfolojik Analiz Görüntülerdeki morfolojik farklılıkları ayırt edebilmek için görüntünün çözünürlük ve okunabilirlik açısından kaliteli olması koşullarını sağlaması gerekir. Ancak bu şekilde görüntü üzerinde ayıklama yapılabilir [6].
Görüntü iyileştirme yöntemlerinden kontrast germe sıklıkla tıbbi görüntüler için tercih edilmektedir. Kontrast germe işlemleri genelde beş grupta incelenmektedir. Görüntü iyileştirme süreçlerinde uygulanan 4 adım bulunmaktadır: •
Akut lösemi kan hücresi görüntüsünün boyutunu 40 kez büyütmek,
•
bmp uzantısı ile görüntüyü kaydetmek,
•
Bu görüntü içinden normal, aydınlık ve karanlık olmak üzere 3 görüntü daha ayrıştırılarak kaydedilmektedir.
•
Bu işlemler yapıldıktan sonra bahsedilen 5 tip kontrast germe işlemlerindenistenilen uygulanmaktadır [5].
Patolojik incelemelerde immünofenotipleme ve stogenetik yaygın analiz yöntemleridir. Lökositlerin yüzeyinde hücreye özel antijenik yapıya sahip olan moleküllerin saptanmasıyla neoplastik hücrelerin incelenmesinde immünolojik yöntemler de kullanılmaya başlanmıştır. İmmunohistokimyasal boyama yöntemleri kullanarak lösemili hücrelerin fenotiplerinin tespit edilmesi işlemi de immünofenotipleme olarak adlandırılır. FAB (French-American-British), lösemi hücrelerinin tespitinde günümüzde hala geçerliliği olan görüntü tabanlı morfolojik tanımlama yöntemidir. Mikroskoptan alınan kötü huylu hücre görünümlerini inceleyerek stogenetik kullanılarak kromozom anomalilerini tanımlamak için kullanılır. FAB sınıfları üç bölümde toplanabilir [6], [7].
Şekil 8. FAB metodu ile lösemi hücrelerinin sınıflandırılması
Şekil 5. Kısmi kontrast germe [5]
3.3. Gradyan Yöntemi Bir görüntü içerisindeki kenarları belirlemek için uygulanabilecek en verimli yöntemlerden birisi, ani renk 110
seviye değişimlerini tespit etmektir. Bu amaç için birçok kenar belirleme yönteminin kullandığı temel yaklaşım, bölgesel türev hesabına dayanır. Görüntü bilgisinde alınan türevler yerel maksimum, yerel minimum ve sıfır geçiş değerlerini verdiğinden görüntünün kenarlarının belirlenmesinde kullanılmaktadır.
Şekilde verilensistemde ilk olarak f(x)’den |f’(x)| hesaplanmaktadır. Burada |f’(x)|, belli bir eşik değerinden büyükse bu görüntü pikseli, bir kenar adayı olacaktır. İlgilenilen kenar noktasında eğer bu şart birden fazla x değeri için sağlanırsa bu durumda bir kenar, noktadan ziyade çizgi olarak görünmekte ve kalın kenarların oluşmasına neden olmaktadır.
Görüntünün 1. türevi gradyan yöntemi, 2. türevi de Laplace operatörü yöntemi olarak adlandırılmaktadır. Şekil 9’da tipik bir-boyutlu (1-B) kenarı temsil eden bir analog f(x) fonksiyon incelenmektedir. Tipik problemlerde, şekildeki x0’ın değerini bir kenar noktası olarak incelemek mantıklıdır. x0’ı tanımlamanın bir yolu, f(x) fonksiyonunun 1. türevini (f ‘(x)) veya 2. türevini (f’’(x)) hesaplamaktır. Şekilde x0 değeri, f’(x)’in bölgesel ekstremumu (maksimum veya minimumu) veya f ‘’(x)’in sıfır geçişi (f’’(x)’in işaretini değiştirdiği nokta) aranarak tanımlanabilir. İkinci türevin yani f’’(x)’in sıfır geçişi, Laplace operatörü tabanlı yöntemler grubunda incelenmektedir.
Kenar belirleme işleminde kullanılan eşik değerinin seçimi, uygulamaya bağlı olarak değişiklik arz eder ve kenar görüntüsünün performansı, seçilen eşik değeri ile yakından ilgilidir. Eşik değeri, |f’(x)| değerlerinin büyük olanlarını küçüklerinden ayıracak şekilde seçilmelidir. Uygun eşik değeri, |f’(x)| değerlerinin histogramına bakılarak belirlenmektedir. Ayrıca uyarlamalı olarak da eşik değerini belirlemek mümkündür. Genellikle eşik değeri, en büyük gradyanın %5 ila %10’u olarak seçilmektedir. 2-B bir f(x,y) fonksiyonu için f’(x)’in genellemesi, f(x,y)’nin gradyanı olarak tanımlanır ve aşağıdaki denklem ile ifade edilmektedir.
Şekil 9’dan da görüleceği gibi 1-B çizimlerde kenar noktaları, ani değişimden ziyade biraz daha yumuşak bir geçiş biçiminde modellenmektedir. Bu tip modelleme, gerçekliğe yakın bir gösterim için tercih edilmektedir. Şöyle ki, örneklemenin bir sonucu olarak sayısal görüntülerdeki kenarlar genel olarak hafif bulanıklaşmaktadır. Şekilde gösterilen muhtemel kenar noktası x0’ı tanımlamaya ek olarak, f’(x) aynı zamanda kenarın yönünü ve büyüklüğünü kestirmede kullanılabilir. Eğer |f’(x)| çok büyük ise, f(x) çok hızlı değişir ve bu durum parlaklıkta hızlı bir değişime karşı düşer. Eğer f’(x) pozitif ise, f(x) artan bir fonksiyondur. Bu fikirlere dayalı olarak kenar belirleme için bir yaklaşım aşağıdaki sistemi kullanmaktadır.
Burada x-yönündeki ise y-yönündeki birim vektörleritemsil etmektedir. f(x,y)’ye dayalı olarak, 1 boyutlu kenar belirleme sistemi şekil 10’daki gibi genelleştirilmektedir.
Şekil 10. 2-B kenar belirleme sisteminin blok diyagramı
İki boyutlu görüntü işlemede bir maske ile elde edilen gradyan görüntüsünden kenar görüntüsüne ulaşmak için kullanılan eşik değerleri, her bir gradyan görüntüsünün en büyük genlik değerinin % 5’i alınarak belirlenmektedir. Bu eşik değerinden büyük gri seviyeler 255, küçük olanlar ise 0 alınarak kenar görüntülerine ulaşmaktadır.
Şekil 9. Türev operatörleri ile kenar belirleme
111
Diğer yandan yarı otomatik sistemler kullanılarak kullanıcı tarafından belirlenen mekansal bölgelerde piksel saymak için geliştirilmektedirler. Sjostrom ve diğ., önerdikleri yapay sinir ağlarına (YSA) dayalı bir hücre sayma sistemidir. Reddedilen atıkları ve diğer nesnelerin hücre olmadıklarını sınıflandırması için ilgili giriş görüntüsünün taramada akıllı bir filtre kullanılmalıdır. Ancak doğruluk ve yüksek hesaplama yükü sınırlı olmaktadır [11]. Loukas ve diğ., büyük ölçekli histolojik görüntülerin hücre çekirdeğinin tespit edilmesinde çok aşamalı bir algoritma önermektedirler. Önerilen algoritma lösemi hücrelerinin temeli, sayısı, boyutu ve konumunu tanımlamada kullanılması için tasarlanmıştır [11]. Şekil 12 (a)’da FMC44 tipi bir lösemi hücresinin tipik mikroskopik görüntüsü verilmektedir. Önerilen algoritma kenar belirleme için 3×3’lük Sobel filtre kullanmaktadır. Şekil 12.(b)’de gösterilen sonuç üretilmektedir. Daha sonra görüntü yatay olarak bölümlenmiştir ve histogram piksel yoğunlukları kullanıcı tanımlı eşik değeri aşağıdaki ifade ile belirlenmektedir.
Şekil 11. Kenar belirleme yöntemi (a) Orijinal lösemi hücresi griton görüntüsü (b) İkili gradyan maskesi (c) Genleştirilmiş gradyan maskesi
Yönsüz kenar sezicileri 3 grupta toplanmaktadır. Bunlar, Sobel, Prewitt ve Robert olarak adlandırılmaktadır. Bu tip yönsüz kenar sezici süzgeçlerin maskeleri Tablo 1’deki gibidir [3]. Tablo 1. Gradyan Maskeleri
burada : histogram değerindeki piksel yoğunlukları, : bir bölümün simgelemektedir.
başlangıç
ve
bitiş
noktalarını
Şekil 12.(c)’de yedi parçaya bölütlenmiş olan görüntü gösterilmektedir. Bölütleme işlemi hücrelerin arkaplandan ayrışmasını sağlamaktadır. Şekil 12.(d)’de hücrelerin sınırları kutular içinde gösterilmektedir. Tüm hücreler belirlenmekte ancak bazen bir kutu içinde birden çok hücre kümelenmektedir.
Ayrıca gradyan yöntemi çeşitli tıbbi görüntülerde ön işleme veya ara işleme yöntemi olarak da tercih edilmektedir. Bu alanda watershed algoritması içinde veya destek vektör makineleri ile birlikte kullanımı söz konusu olmaktadır [9], [10].
4. ÖRÜNTÜ TANIMA İLE SINIFLANDIRMA YÖNTEMLERİ 4.1. Yüksek Verimli Eleme Algoritması Görüntü işleme teknikleri kullanılarak biyolojik hücre görüntülerinin de analizi yapılmaktadır. Bu algoritmalar dört farklı sınıfla ifade edilmektedir: •
Karakteristik eşikleme özelliği veya kümeleme özelliğine dayalı,
•
Kenar algılama özelliklerine dayalı,
•
Bölge çıkarma türlerine dayalı,
•
Bazı algoritmaların oluşturulan yeni tanımlanmaktadırlar.
kombinasyonlarından algoritmalar olarak Şekil 12. Yüksek verimli eleme algoritması uygulaması (a) FMC44 tipi lösemi hücresi görüntüsü (b) Kenar belirleme algoritması (c) Özyineli segmentasyon (d) Sınır çıkarımı
Genel olarak sıralanan bu algoritmalarda arkaplanın sabit istenmesi sadece birkaç izole hücre görüntülerinde başarım oranını kabul edilebilir seviyede sağlamaktadır. 112
Şekil 13’te FMC44, 3E10 ve 17G10 tipi lösemi hücreleri için algoritma sonucunda hücrelerin tanımlanmasına dair görüntüler gösterilmektedir. Şekilde her lösemi hücresi için 40 kez büyültülmüş ve 1000×1000 çözünürlüğüne sahip parlak bir görüntü elde edilmektedir.
olmak, komşularının oyu ile sınıflandırılır (k pozitif bir tam sayıdır ve genellikle küçüktür). Eğer k=1 ise, nesne en yakın komşu sınıfına atanır. Aynı yöntem basit bir şekilde nesnenin özellik değerini atayarak komşuların en yakın olan k değerlerini ortalama regresyon değeri olarak kullanabilir. Bu komşu değerlerinin yakın olanları uzak olanlara göre komşuların ağırlığına daha fazla katkıda bulunabilir. Her komşu için ortak ağırlık (1/d), komşu mesafesi de d olarak genellenmektedir [13]. Eğitim örnekleri çok boyutlu bir örnek uzayda bir sınıf etiketiyle tanımlanır. K-en yakın komşu yöntemi, düzgün bir çekirdek ile çekirdek yoğunluğu ‘balon’ kestirimi değişken bant genişliği özel durumudur [14]. K-en yakın komşu yöntemi şekil 15’te gösterilen örnekle açıklanabilir: Bu yeşil yuvarlak test örneği olarak tanımlanmaktadır. Birinci sınıf olarak mavi kareler, ikinci sınıf olarak kırmızı üçgenler tanımlanmalıdır. Eğer k=3 ise, yeşil yuvarlak ikinci sınıf olarak belirlenir. Çünkü sadece iki üçgen ve bir kare seçilen dairenin içinde bulunmaktadır. Eğer k=5 ise, yeşil yuvarlak birinci sınıf olarak belirlenir. Çünkü ikinci seçilen daire içinde 3 kare ve iki üçgen bulunmaktadır.
Şekil 13. Farklı lösemi hücre tiplerinde elde edilen algoritma sonuçları (a) FMC44 tipi lösemi hücresi algoritma çıkışı (b) 3E10 tipi lösemi hücresi algoritma çıkışı (c) 17G10 tipi lösemi hücresi algoritma çıkışı
Önerilen algoritma hücre görüntüsünden otomatik olarak hücre sayısını, boyutunu ve görece hücre konumunu belirlemektedir. Bunlar topluluk içinde istatistiksel eleme işlemleri sonucunda elde edilmektedir. Buna ek olarak kümeler içinden tek hücreleri sınıflandırmaktadır. Bu hücreleri beyaz olarak belirlenmiş sınır kutuları ile göstermektedir. Yanlış sınıflandırılan hücreler ise siyah olarak belirlenmiş sınır kutuları ile gösterilmektedir. Tek hücrelerin ve hücre kümelerinin çapları ve özlerinin önerilen algoritma sonuçları grafikte verilmektedir.
Şekil 15. K-en yakın komşu yöntemi diyagramı
4.3. Sınır Noktası (Watershed) Algoritması Görüntü segmentasyonununda morfolojik temelli bir yöntemdir. Bir görüntünün gradyan genliği watershed dönüşümü için topolojik bir yüzey olarak kabul edilir [15], [8]. Watershed haritası farklı yollarla bulunabilir ve görüntü işlemede farklı alanlarda kullanılmaktadır. Watershed çizgileri düğümler, kenarlar veya hem düğüm hem kenarlar üzerinde tanımlı olabilir.
Şekil 14. Farklı lösemi hücreleri için topluluk istatistikleri
Ek olarak sınıflandırma adımları ile verilen görüntü içindeki hücreleri yüksek doğrulukla saymakta ve belirlemektedir. Önerilen algoritma yüksek hassasiyet ve hız ile hücre görüntülerini analiz etmektedir [11].
Watershed dönüşümü çoğunlukla görüntünün bölümlenmesi sayesinde görüntü üzerindeki geçişlerin tahmin edilmesine dayalıdır. Bu tip bir segmentasyonun amacı görüntü üzerindeki geçiş uzunluğu ve yüksekliğinin bilgi olarak yorumlanmasıdır [9].
4.2. K-En yakın Komşu Yöntemleri K-en yakın komşu algoritması, uzayda en yakın örneklere dayalı nesneleri sınıflandırmada kullanılan bir örüntü tanıma yöntemidir. K-en yakın komşu tabanlı öğrenmenin temel işlevi yerel olarak yaklaşık nerede olduğu sınıflanana kadar vektör testi oluşturmaktır. Yakınlık minimum mesafe olarak alınır [12]. K-en yakın komşu algoritması ve tüm basit makine öğrenme algoritmaları arasında bir nesnenin nesne sınıfının en yakın komşuları olan k arasında ortak atanmış
Lösemi hücreleri üzerinde watershed algoritmasının temel kullanımını incelendiğinde elde edilen sonuçlar Şekil 16’daki gibi gösterilmektedir.
113
4.4.1. Çekirdek Sağrı Regresyon (Kernel Ridge Regression) Yöntemi Andrey Tychonoff tarafından geliştirilen Tikhonov Regülasyonu iyi tanımlanmamış (ill-posed) problemlerin çözümünde en sık kullanılan yöntemdir. İstatistikte bu yöntem sağrı regresyonu olarak bilinir. Sınıflandırma için verinin en küçük karelere ayrıştırılarak incelendiği yönteme denir. Eğer bu doğrusal olarak gerçekleştiriliyorsa, buna Fisher’ın doğrusal diskriminant sınıflandırması (LDA) da denir [16]. Çekirdek sağrı regresyonda farklı nesnelerin karar sınırlarına yakın bölgelerine vurgu yapılmaz. Çözüm ise verilerden elde edilen eğitim örneklerine dayanır. Bununla birlikte, bu yöntem sadece birden fazla ve örneklere sahip olan veri kümelerine uygundur. Doğrusal yöntem için çekirdek hilesi (kernel trick) kullanımında özelliklerin sayısı fazla ve örneklerin sayısı az olmalıdır. Aksi durumda çekirdek hilesi kullanılmamalıdır. Böylece veri kümesinde az özellik ile çok sayıda örneğin kullanılması için doğrusal sınıflandırmalı sağrı regresyon kullanımı olanağı sağlar. En küçük kareler yöntemi ω’yı bulmak için en popüler yaklaşımdır. Kare farkları toplamını minimize eden ω için:
Şekil 16. Watershed algoritması ile lösemi hücresinin tespit edilmesi (a) Orijinal kronik lösemi hücre görüntüsü (b) Gri seviyeli görüntü (c) İkili yoğunluk dönüşümü (d) Watershed haritası (e) Watershed dönüşümü sonucu
4.4. Çekirdek Yöntemleri (Kernel Methods) Yukarıdaki ifadeyi minimize etmek, n adet v1,v2,…,vn vektör tarafından üretilen RT’nin alt uzayında Y=(y1,y2,…,yT) vektörünün izdüşümünü almaya eşdeğerdir.
Çekirdek yöntemleri bir örüntü tanıma algoritmaları sınıfıdır. Bu yaklaşım 1900’lü yılların ortalarından beri geliştirilmektedir. Dışbükey optimizasyonu veya özproblemler çoğunlukla çekirdek algoritmalar ile istatistiksel olarak verimli sonuçlar vermektedir. Bu yüzden tercih edilen yöntemlerin başında gelmektedir. Örüntü analizinin genel görevi kümeler, sıralamalar, temel bileşenler analizi (PCAprincipal components analysis), korelasyon, sınıflandırma gibi genel türdeki veriler (dizileri, metinleri, set noktaları, vektörler ve görüntüler) içinden çalışma sınıfındaki ilişkileri bulmakta ve analiz etmektedir [16].
Alt uzaydaki izdüşüm her zaman tanımlı ve tektir. Öte yandan v1,v2,…,vn lineer bağımsızsa, eğer örnek küçükse ve T0 için:
Çekirdek yöntemi yaklaşımı bir Öklid uzayında çeşitli veri ilişkilerini bulmak için kullanılabilir. Bunlar veri dönüştürme problemi, yüksek boyutlu özellik uzayında verileri haritalama problemleri olabilir. Bu yöntemle tüm çekirdek çiftleri arasında iç hesaplamalar ile öznitelikler hesaplanmaktadır. Çekirdek fonksiyonlarının veri dizisi, grafik, metin, görüntü gibi vektörler için geliştirilmiştir. Algoritmaları çekirdekler ile çalışma yeteneğine sahip yöntemler destek vektör makineleri (DVM), Gauss süreçleri, Fisher’ın doğrusal diskriminant analizi (LDA), temel bileşenler analizi (PCA), kanonik korelasyon analizi, çekirdek sağrı regresyon (KRR), spektral kümeleme, doğrusal adaptif filtreler olarak sıralanabilir [17], [18]. Şekil 17. Çekirdek sağrı regresyonu 114
Bu A vektörünü minimize eden ω sağrı regresyonu çözümüdür. En küçük kareler yaklaşımının a>0 olduğu özel durum da sağrı regresyonu verir.
İki destek vektör hiperdüzlemi denklemi ile payın maksimizasyonu sınırlı (kısıtlı) optimizasyon sorununa yol açmaktadır.
4.4.2. Destek Vektör Makinesi (Support Vector Machine) Yöntemi Problemin kısıtları:
Bir çeşit doğrusal veri sınıflandırma yöntemidir. Kullanılan örnek sayısı önemli değildir. Farklı sınıflardan durumlarda bulunduğu verilerde bir hedef noktası belirler. Bu hedef noktası üzerinden verileri sınıflandırır. Son zamanlarda çeşitli görüntü sınıflandırma algoritmalarında elde edilen başarım yüksek olduğundan tercih edilen bir yöntemdir. Destek vektör makinelerinin anlaşılabilmesi için Vapnik Chervonenkins teoremini ele almak gerekmektedir [14].
Eğer eğitim örnekleri doğrusal olarak ayrılabilir değilse Şekil 18’de gösterildiği gibi sınıflandırılmamış vektörlerin ağırlığını azaltmak için düzenli hale getirme parametresi C ve hata değişkenleri olarak sınıflandırılır. Bu optimizasyon problemi Lagrange çarpanları kullanılarak çözülebilir.
4.4.2.1. Vapnik-Chervonenkins Teoremi (VC) VC teoreminin temel fikri, genelleme yeteneğinin kontrol edilebilmesi için bir algoritma oluşturulmasına dayanır. İkili örüntü tanıma problemini incelemekte ve elde ettiği sonuçları m’li durum için genellemektedir [19].
4.4.2.2. Destek Vektör Makinesi Algoritması İki farklı sınıfın belirlenmesi problemine çözüm olarak üretilen yöntemdir. D adında n noktalı bir veri seti verilmiş olsun.
burada λi: Lagrange çarpanlarıdır ve sadece destek vektörleri için sıfırdan farklıdır. Hiperdüzlem parametreleri (ω,b) ve sınıflandırıcı fonksiyonu f(x;ω,b) olarak tanımlanmaktadır. Bunlar optimizasyon süreciyle hesaplanabilir [15], [19], [28].
N eğitim örneği bulunmaktadır, {{yi,xi },i=1,2,…,N} küme çiftleri ile temsil edilmektedir. Burada xi ve yi’nin ait olduğu sınıflar belirtilmiştir. Boyutu p olan bir vektör xi ile ifade edilir. Bu -1 ve 1 değerlerini alır. yide bu kümenin bir elemanını temsil etmektedir; y ve α sınıflandırıcı parametreleri f(x,α) fonksiyonu tarafından temsil edilmektedir. DVM yöntemi hiperdüzlemi optimum olarak sınıflara ayırmaktadır. Böylece •
Hiperdüzlemin her iki tarafında bulunan y=±1 etiketleri ile örneklenmektedir.
•
En yakın vektörlerin mesafesi normalin her iki tarafında bulunan maksimum hiperdüzlemdir. Şekil 18. Destek vektör makineleri ile sınıflandırma [28]
Buna şekil 18’de gösterildiği gibi optimum paylı mesafe ve destek vektörleri denir. Bu hiperdüzlem aşağıdaki gibi tanımlanmaktadır:
4.5. Zernike Momentleri Yöntemi Zernike momentleri, birim çember içinde karmaşık tam dikgen küme çok terimliler tanımlamaktadır. Bunlar Kartezyen koordinatlarda Vnm (x,y) olarak gösterilmektedir. Zernike çokterimlileri kutupsal koordinatlarda aşağıdaki gibi ifade edilmektedir.
Burada ve hiperdüzlemin parametreleridir. Bu vektörler hiperdüzlem üzerinde değilse ’a gider. Bunların sınıflandırıcısı olarak tanımlanır. Destek vektör makineleri paralel iki hiperdüzlem boyunca uzanmaktadır. Optimal hiperdüzleme ilişkin eşitlik aşağıdaki gibi ifade edilmektedir.
Burada 115
görüntünün sıfırıncı düzenli moment denkleminde önceden belirlenmiş bir βdeğeridir. İkili görüntü için m00 görüntüdeki şekil piksel sayısına eşittir. Görüntü ölçeği için f(αx,αy),
n: negatif olmayan bir tam sayıyı, m: n-|m| her zaman çift ve |m|≤n olmak üzere pozitif veya negatif bir tamsayıyı, p: (x,y) noktasının orijine olan Öklid uzaklığını,
için düzenli momentler ile , , sağlanabilmektedir.
θ: (x,y) vektörünün x ekseni ile saat yönünde yaptığı açıyı ifade etmektedir.
Belirtildiği gibi Zernike momentlerinin temel özelliği rotasyonel değişmezliktir. Eğer bir α açısıyla döndürülürse, bu durumda Zernike momentleriyle döndürülmüş görüntü aşağıdaki gibi ifade edilmektedir [21]:
Zernike momentlerinin hesabı için önce görüntü belirli bir β oranıyla yeni bir boyuta normalize edilir [29], [30]. Zernike momentleri karmaşık polinomların bir setidir. Saat yönünün tersine x ekseni ile r vektörü arasındaki Rnm (r) radyal polinomlar aşağıdaki gibi tanımlanmaktadır:
Böylece Zernike momentlerinin büyüklükleri rotasyon değişimsizdir, görüntü özellikleri olarak kullanılabilir. Zernike momentleri çeşitli yöntemlerle birlikte farklı alanlarda kullanılabildiği gibi tıbbi görüntü işleme tekniklerinde de yer bulmaktadır. Sayısal hologramdan gelen lösemi hücresinin yeniden yapılandırılması üzerine sınıflandırma işleminin performansı incelenmektedir. Zernike momentlerinin doğruluğunu arttırmak ve görüntü rotasyonunu ortadan kaldırmak için geometrik momentler elde edilmiştir [22].
için tekrar eden m ve n dereceli 2 boyutlu Zernike momenti aşağıdaki gibi tanımlanmaktadır:
için tekrar eden m ve n dereceli 2 boyutlu Zernike momenti aşağıdaki gibi tanımlanmaktadır.
Hologram görüntülerinde Zernike momentleri ile lösemi hücrelerinin tanınmasıyla ilgili çalışmalar incelendiğinde şöyle sonuçlar elde edilmektedir: Hücrelerin tanımlanması işlemi odak uzaklıklı iki lens ile her noktayı +z ve –z üzerinden dönüşüm işlemi ile çok benzerlik göstermektedir. Burada z hologram yüzeyindeki nesne noktaları arasındaki fark olarak ifade edilmektedir. Öyle ki, nesne yüzeyinden iki görüntü elde edilmektedir. Hologram yüzeyin diğer tarafında ve nesnenin bulunduğu yer olan bölgede sanal bir görüntüden gerçek görüntü elde edilmektedir. Biyolojik hücreler gibi düzlemsel olmayan nesneler için, farklı nesne alanları ve bu nedenle farklı z mesafeleri, hücrelerin farklı şekillerde 3 boyutlu yorumlanmasını gerektirmektedir. Bir tıbbi mikroskop ile alınmış lösemili hücre görüntüsü, bu görüntünün sayısal hologramı ve bu hücrenin Zernike momentleri kullanılarak tanımlanmış görüntüsü şekil 19’daki gibi elde edilmektedir [11].
Burada
Bir sayısal görüntünün Zernike momentini hesaplamak için sadece integralin toplam ile değiştirilmesi gerekmektedir.
Burada
olmaktadır. Zernike momentlerinin tanımlanmamış özelliklerinin değişmeyen rotasyonları vardır. Ölçek ve rotasyon değişmezliği sağlanmaktadır. Görüntüleri ilk olarak düzgün Zernike momentleri kullanarak normalize etmek gerekmektedir. Orijinal görüntünün rotasyon değişmezliği f(x,y) için olmaktadır. Burada,ve olarak ifade edilmektedir. Diğer bir deyişle orijinal görüntünün merkezi Zernike momentleri hesaplamadan önce ağırlık merkezine taşınmaktadır [20].
Şekil 19. Zernike momenti yöntemi kullanılarak görüntü tanıma (a) Mikroskopik görüntü (b) Sayısal hologram görüntüsü (c) Zernike dönüşümü
Ölçek değişmezliği, büyütme veya her şekli azaltarak 116
4.6. Dalgacık Dönüşümü
Şekil 20’de değerleri görüntünün j çözünürlüğündeki özet, yatay ve diyagonal ve dikey dalgacık katsayılarına karşılık gelmektedir. Alçak ve yüksek geçiren filtrelerin katsayıları kullanılan ana dalgacığa göre belirlenmektedir.
Dalgacık dönüşümü yöntemi, Bulgar matematikçi Alfréd Haar ve Belçikalı matematikçi Ingrid Daubechies tarafından geliştirilmiştir. Son 25 yıldır kullanılan en popüler yöntemlerden biridir. Görüntü sıkıştırma yöntemlerinde sıklıkla tercih edilmektedir. Bunun dışında yine görüntüde cismin bulunması, tanınması gibi çeşitli görüntü işleme uygulamalarında da etkin olarak kullanılmaktadır. Bir fonksiyonun dalgacık dönüşümünün alınması o fonksiyonun değişik çözünürlüklere ayrılarak dalgacık katsayılarının belirlenmesi ile elde edilmektedir. Bu işlem için ana dalgacık adı verilen bir fonksiyon farklı zaman ve genişliklerde dönüşümü yapılmak istenen fonksiyon ile korelasyona tabi tutularak karşılık gelen dalgacık katsayıları elde edilmektedir.
Ayrıca HL: x ekseni boyunca olan değişiklikleri, LH: y ekseni boyunca olan değişiklikleri ifade etmektedir. LL bandında güç daha küçüktür. Kodlama açısından düşük frekans bandı ve yüksek frekans bandının en düşük biti veya bunların sıfır setleri kullanılmaktadır. İki eksende görüntü ayrıştırmaya ek olarak görüntünün doğal kenarları boyunca ayrıştırma yöntemi tanımlanmıştır [21], [23]. Dalgacık dönüşü birçok görüntüde kullanıldığı gibi tıbbi görüntülerin işlenmesinde de çokça tercih edilen yöntemlerdendir. Kronik lösemi hücreleri bulunan mikroskop görüntüsü üzerindeki sonucu şekil 21’deki gibidir.
İki boyutlu işaretlerde dalgacık dönüşümü görüntünün tekrarlı bir şekilde bir dizi alçak ve yüksek geçiren filtrelerden geçirilmesi ile gerçekleştirilmektedir. Her filtreleme görüntüye ait farklı bir çözünürlükte özet ve detay katsayılarının elde edilmesini sağlamaktadır. Bu işlem görüntü tek piksele indirgenene kadar devam edebilmektedir. Matematiksel olarak iki boyutlu dalgacık dönüşümü aşağıdaki gibi ifade edilmektedir.
Şekil 21. Dalgacık dönüşümünün lösemi hücresine uygulanması (a) Orijinal lösemi hücre görüntüsü (b) Dalgacık dönüşümü sonucu
Herhangi bir çözünürlükteki dalgacık dönüşümü işleminin blok diyagramı şekil 20’deki gibi ifade edilmektedir.
4.7. Genetik Algoritmalar (GA)
Şekil 20. İki boyutlu dalgacık dönüşümü blok diyagramı ve matris gösterimi
GA genellikle doğrusal olmayan çoklu fonksiyon optimizasyonu için global optimum çözümü belirler. Doğada gözlenen evrimsel sürece benzer şekilde çalışan arama ve optimizasyon yöntemidir [24]. Problemlere tek bir çözüm üretmek yerine bir çözüm kümesi önerir. Böylelikle, arama uzayında aynı anda birçok nokta değerlendirilmekte ve sonuçta bütünsel çözüme ulaşma olasılığı yükselmektedir. Çözüm kümesindeki çözümler birbirinden tamamen bağımsızdır. Her biri çok boyutlu uzay üzerinde bir vektördür. Genetik algoritmalar problemlerin çözümünde evrimsel süreci bilgisayar ortamında taklit eder. Genetik algoritmaların başarısına karar vermedeki en önemli faktör, problemin çözümünü temsil eden bireylerin gösterimidir. Nüfus içindeki her bireyin problem için çözüm olup olmayacağına karar veren bir uygunluk fonksiyonu vardır. Bunun yanı sıra çoklu mod fonksiyonunda yerel çözümün belirlenmesi için nişler azaltılır. Probleme ait en iyi çözümün bulunabilmesi için 117
•
bireylerin temsili doğru bir şekilde yapılmalı,
•
uygunluk fonksiyonu oluşturulmalı,
•
doğru genetik işlemciler seçilmelidir.
etkin
bir
: iki grup arasındaki korelasyon katsayısıdır.
şekilde
Diğer seçenekler bu durumda yüksek standart sapma ve düşük korelasyonlar olacak şekilde belirlenir [25]. 4.7.1.3. Adaptif Operatörler
Bu durumda çözüm kümesi problem için bir noktada birleşecektir. Genetik algoritmalar, diğer optimizasyon yöntemlerini kullanılırken büyük zorluklarla karşılaşılan, oldukça büyük arama uzayına sahip problemlerin çözümünde başarı göstermektedir. Bir problemin bütünsel en iyi çözümünü bulmaları garantili değildir. Ancak problemlere makul bir süre içinde, kabul edilebilir, iyi çözümler bulur. Genetik algoritmaların asıl amacı, hiçbir çözüm tekniği bulunmayan problemlere çözüm aramaktır. Kendilerine has çözüm teknikleri olan özel problemlerin çözümü için mutlak sonucun hızı ve kesinliği açısından genetik algoritmalar kullanılmaz. Genetik algoritmalar ancak; •
Arama uzayının büyük ve karmaşık olduğu,
•
Mevcut bilgiyle sınırlı arama uzayında çözümün zor olduğu,
•
Problemin belirli bir matematiksel modelle ifade edilemediği,geleneksel optimizasyon yöntemlerinden istenen sonucun alınmadığı alanlarda etkili ve kullanışlıdır [25].
Genetik algoritmalar, genel olarak bazı koşullarda kolayca etkili global optimum çözüm bulmaya yarar [23]. Bu nedenle optimal arama sürecine GA için bazı adaptif stratejiler kullanılmaktadır. Çaprazlama ve mutasyon işlemlerinin ele alındığı tür bir genetik algoritma ele alınmaktadır [25]. Pozitif bir tamsayı olan Nf nesiller için değişmediyse en iyi çözüm, çaprazlama ve mutasyon olasılıkları arasında aşağıdaki gibi bir ilişki vardır:
burada α,β: reel sabitler, N: en iyi çözüm için nesil sayısı,
4.7.1. Genetik Algoritmaları Kullanarak Biyomedikal Hiperspektral Veri Çalışmaları Bant Seçimi
: çaprazlama ve mutasyon olasılıklarıdır. Aslında, α ve β, ve olarak belirtilenler maksimum değerlerdir. Eğer N n olacak şekilde m-boyutlu yeni bir veri kümesine dönüştürülebilir. Aynı zamanda yüksek boyutta doğrusal sınıflandırma işlemi yapılabilir. Uygun bir dönüşüm ile her zamansal veri bir hiper düzlem ile iki sınıfa ayrılabilir ve sonuçta hiper düzleme en yakın öğrenme verileri destek vektörleri olarak adlandırılır [2], [3], [4].
Yürüyüş stiline dayalı biyometrik tanıma çalışmaları model tabanlı ve siluet tabanlı olmak üzere iki temel yaklaşım
içermektedir.
Şekil 1. Yürüyüş Dizisi [1]
Şekil 3’te üçgen ve karelerden oluşan bir veri kümesi, öncelikle her iki gruba da yakın ve paralel iki sınır çizgisiyle (B = -1, B = 1) birbirinden ayrılır. Daha sonra bu çizgiler birbirlerine yaklaştırılarak ortak sınır çizgisi (B = 0) üretilir.
Model tabanlı yaklaşımlar insan vücudundaki eklem noktalarının kinematiği ve adım davranışları gibi yürüyüş hareketindeki dinamik karakteristikleri matematiksel olarak üretebilmeye dayanmaktadır.
Destek Vektör Makineleri kullanılarak yapılan bir çalışmada daha iyi genelleştirme yeteneği elde etmek için, melez çekirdek fonksiyonundan yararlanılmıştır. Yöntemde kısmi çekirdek fonksiyonu ve genel çekirdek fonksiyonu, süper çekirdek fonksiyonunu oluşturmak için kullanılmıştır. Ayrıca parametre seçimi açısından amaç fonksiyonu
Siluet tabanlı yaklaşımlar ise yürüyüş hareketinde insan vücudunun siluetine dayalı olarak üretilen örüntü yapılarının istatistiksel davranış karakteristiklerine dayanmaktadır. Siluet tabanlı yaklaşım da kendi içerisinde durum-uzay metodu ve zaman-uzam metodu olmak üzere ikiye ayrılır. Durum-uzay 121
kullanılmıştır ve en iyi çekirdek parametresini seçmek için OPS algoritmasıyla birleştirilmiştir. Bu yöntem ile hızlı ve yüksek tanıma oranı gerçekleştirilmiştir [4].
uzayda bir noktaya karşı düşürülür ve nesneler arası Öklid uzaklığı hesaplanır. Hesaplama sonucu öğrenilen fonksiyon ayrık değerli veya gerçel değerli olabilir. Ayrık değerli fonksiyonlarda K-Komşu Algoritması, xq örneğine en yakın k öğrenme örneğinde, en çok görülen sınıf değerini verir. Sürekli değerli fonksiyonlarda ise en yakın k öğrenme örneğinin ortalaması alınır. Tanıma için kişinin siluetinden alınmış yükseklik, genişlik ve hareketsiz özellik gibi bilgilerden yararlanılır. Yöntem kolay uygulanır ancak tanıma oranı çok yüksek değildir. Bunun nedenlerinden ilki ikili siluet görüntüsünde farklı bireyler arasında omuz salınımındaki ince farklılıklardan oluşan bulanıklıktır. İkincisi ise En Yakın Komşu Sınıflandırıcının sadece mesafeyi temel alıyor olmasıdır ve eğitim setinde ilgili sınıf işareti olmaz ise hata oranının artması beklenir. Sınıflandırma işleminde, öğrenme kümesindeki örneklerin, sınıflandırılmak istenen örneğe olan uzaklıklarına göre ağırlıklar atanır ve sonuçta daha yakın örneklerin ağırlığı daha fazla olur [5], [6].
w: ağırlık; d: Öklid uzaklığı; xq: öğrenme kümesindeki örnekler; xq: sınıflandırılmak istenen örnek Şekil 4’te görüleceği üzere xq örneği en yakın 1 komşuya göre kare olarak, en yakın 5 komşuya göre ise üçgen olarak sınıflandırılır.
Şekil 2. Yürüyüş tanıma yöntemleri
Şekil 4. xq örneğinin sınıflandırılması
Lee, Hong, Lee ve Kim’in bir çalışmasında hata oranının azaltılması için En Yakın Komşu Sınıflandırıcının çıkışı çoklu oylamaya dayalı bir Karar Seviye Birleştiricisine aktarılır. Yöntemde ilk olarak ikili siluet dizileri çekilen video dizilerinden çıkartılır ve sabit bir boyutta normalize edilir. Daha sonra yürüme dizisi otomatik olarak, genişlik sinyalinin bölgesel minimumu bulunarak çoklu yürüme döngüsü içerisinde bölümlendirilir. Yürüyüş döngüsünün bölümlendirilmesinden sonra bireyin yürüme ikili siluet görüntüsünden kontur bilgisi yakalanır ve Hareket Kontur Görüntüsü (MCI) olarak adlandırılan yeni bir yürüyüş özelliği çıkartılmış olur. Son olarak sınıflandırıcının çıkışı, belirlenen bölgede en çok yer alan sınıf olarak kararlaştırılır ve böylece hata oranı azaltılmış olur [6].
Şekil 3. İki farklı veri kümesinin birbirinden ayrılması
2.2 En Yakın Komşu Sınıflandırıcı Bu yöntemde sınıflandırılmak istenen örneğe, en yakın örneğin bulunması amaçlanır. Bütün örnekler n-boyutlu 122
2.3 Sürekli Saklı Markov Model
boyunca yürüyen bir kişinin ikilileştirilmiş siluetinin, belirli sıra içerisinde sıfırdan farklı bir değeri ile piksel sayısı olarak tanımlanmaktadır. Bireyin yürüyüşünü temsil etmek için geçici olarak düzenlenmiş kütle vektörleri kullanılmıştır. Yürüme hızındaki doğal oluşumlu değişim ile başa çıkabilmek ve doğrusal olmayan zamanlarda normalizasyonun sağlanabilmesi için Dinamik Zaman Eğrilmesinden (DTW) yararlanılmıştır.
Markov Modelinde, durumlar, gözlemci için görünebilirdir ve bu yüzden tek parametre durum geçiş olasılıklarıdır. Saklı Markov Modelinde ise durumlar doğrudan görünebilir değildir, ancak duruma bağlı çıkışlar görünebilir vaziyettedir. Her durumun çıkış işaretleri olasılık dağılımları ile tanımlıdır. Bu yüzden işaretler serisi durumların sırası hakkında bize bilgi veren Saklı Markov Model tarafından üretilir. “Saklı” sıfatı modelin parametrelerine değil, modelin geçtiği durum dizilerine karşılık gelir. Modelin parametreleri bilinse bile model hala gizlidir.
Sonuçlar doğrultusunda ikili siluetten kontur bilgisinin çıkartılmasının güvenilir olmadığı ancak iyi bir performansa sahip olup, tanıma oranının %96.25 civarında olduğu gözlenmiştir [12].
Markov Modeline göre bir durum belirli bir istatistiksel değere göre değişir veya değişime uğramaz. Şimdiki durum gelecek durumları etkileyebilir [7], [8], [9].
2.6 Bayes Teoremi Bilimsel karar yöntemlerinden biri olan Bayes teoremi, rastlantısal bir bilginin incelenmesinde objektif bir bakış açısını esas alır ve bilginin aşamalarına odaklanır. Bu teorem bir rastlantı değişkeni için olasılık dağılımı içinde koşullu olasılıklar ile marjinal olasılıklar arasındaki ilişkiyi gösterir. Olasılık teorisi içinde incelenen bir olay olarak B olayına koşullu bir A olayı için olasılık değeri, A olayına koşullu olarak B olayı için olasılık değerinden farklıdır. Ancak bu iki birbirine ters koşulluluk arasında çok belirli bir ilişki vardır. Bayes teoremi bir stokastik süreç sırasında ortaya çıkan bir rastgele A olayı ile diğer bir rastgele B olayı için koşullu ve marjinal olasılıklar arasındaki ilişkidir:
Bu yöntem kullanılarak yapılan siluet tabanlı yürüyüş tanıma çalışmalarında dinamik özelliklerin çıkartılması için Gauss Karışım modeli [8] ve Kübik Üst Düzey Bölgesel Korelasyon (CHLAC) [9] yöntemlerinden de yararlanılmıştır. Böylece statik özelliklerin yanında dinamik özellikler de elde edilip, yüksek tanıma oranlarına ulaşılmıştır. 2.4 Çekirdek Temel Bileşenler Analizi Temel Bileşenler Analizi (TBA) boyut azaltmak ve görüntüler arasındaki temel farklılıkları çıkarmak için kullanılan bir yöntemdir. TBA karşılıklı ilişkisi olan verinin n-boyutlu uzay yerine daha düşük boyutlu uzayda önemli bilgi kaybı olmadan boyut azaltmanın en uygun yoludur. Azaltılmış alt uzayı kullanarak, veritabanı üzerindeki hesaplamalar daha verimli hale getirilebilir. Üretilen taslaklar genel olarak öz uzaylar olarak adlandırılır. Özvektörler özellik vektörlerinin oluşturulması için kullanılır. Bu özellik vektörleri daha sonra tanıma işleminde kullanılarak gelen örnek görüntünün en çok benzediği eğitim seti elemanı bulunur. TBA’nın üç temel amacı vardır: i. ii. iii.
P(A): A için önsel (marjinal) olasılık; P(A|B): verilen B için A’nın koşullu olasılığı; P(B|A): verilen A için B’nin koşullu olasılığı; P(B): B olayı için önsel olasılık Bu yöntem kullanılarak yapılan siluet tabanlı yürüyüş tanıma çalışmasında, yürüme mesafesinin insan tanıma için en etkili özellik olduğu düşünülmektedir ve en iyi performans için, özellik birçok farklı türde bilgiyi mümkün olduğunca içermelidir. Bu yüzden çalışmada harekete dayalı özellik ile görüntüye dayalı özellik birleştirilerek sunulmaktadır. Bayes teoremi bu iki özelliğin birleştirilmesinde kullanılır. Dinamik özellik için temel olarak Şekil Değişimi Tabanlı Frieze örüntüsüne dayalı varyansları kullanılır ve Dinamik Zaman Eğrilmesi (DTW) tarafından SVB Frieze örüntüsü özelliği çıkartıldıktan sonra eğriltilir. Statik özelliği için ise temel Yürüme Enerjik Görüntüsü (GEI) kullanılır. Konumlandırılmış Gradyanların histogramlarından yararlanılarak daha fazla bilgi çıkartılır ve Birleştirilmiş Alt-Uzaylar Analizi (CSA) tarafından boyut indirgemesi sonrasında tensör gösterimi ile birlikte diskriminant analizi (DATER) gerçekleştirilir. Çalışma sonunda %83 başarı elde edilmiştir [13].
Verilerin boyutunu azaltmak, Tahmin yapmak, Veri setini bazı analizler için görüntülemek.
Çekirdek Temel Bileşenler Analizi (ÇTBA), doğrusal olmayan yöntem ile birlikte temel bileşen çıkarımı ve belirlenen görüntülerin pikselleri arasındaki ilişkiyi açıklamaktadır. Özellikle Ortalama Yürüme Enerjik Görüntü (MGEI) yapısı için çok önemli olan, yüksek dereceli istatistiklerinin parçası ÇTBA tarafından yakalanabilir. Bu yöntem kullanılarak yapılan siluet tabanlı yürüyüş tanıma çalışmasında öncelikle MGEI, yürüme döngüsünden hesaplanmıştır. Sonra ÇTBA uygun çekirdek fonksiyonunu seçerek özelliğin çıkartılması için eğitim örnekleri ve test örnekleri arasında yüksek korelasyon bilgisinden yararlanılmış ve ÇTBA kovaryans ağırlıklı, karşılıklı bir Öklid mesafe sınıflandırıcı olarak tasarlanmıştır [10], [11].
2.7 Doğrusal Diskriminant Analizi Diskriminant analizi, çok değişkenli bir analiz türüdür. Gruplar arası fark yoktur anlamını taşıyan H0 hipotezi red edildikten sonra, gruplar arası farkın olduğu sonucuna varılır. Bu farklılığın ana nedenleri Diskriminant Analizi tekniğiyle ortaya çıkartılır. Diskriminant Analizinin iki temel amacı vardır:
2.5 Kütle Vektörü Kütle Vektörü kullanılarak yapılan çalışmada genişlik vektöründen esinlenilmiştir. Kütle Vektörü belirli bir satır 123
i. Diskriminant fonksiyonlarını belirleyip, bu fonksiyonlar aracılığıyla gruplar arası ayrıma en fazla etki eden ayırıcı değişkenleri belirlemek, ii. Hangi gruptan geldiği bilinmeyen bir birimin hangi gruba dahil edileceğini belirlemektir.
ötelenmesi periyodun algılanmasına dayandırılır [17]. 2.10 Doppler İmza Doppler İmza yönteminde amaç, iki boyutlu anatomik görüntü içinde bütün kesitlerden alınan tüm akımlara ait Doppler frekanslarını birleştirmektir. Yürüme hareketinde ise ana Doppler taşıyıcısı üzerine ek olarak Doppler frekansları oluşturulur. Böylece dinamik özellik çıkarımı ve otomatik hedef tanıması için bu etkiden yararlanılabilir.
Birinci amaca yönelik olan Diskriminant Analizi, Betimsel Amaçlı Analiz, ikinci amaca yönelik olan Diskriminant Analizi Karar Amaçlı Analiz olarak adlandırılır [14], [15]. Diskriminant Analizi altında yapılan yürüyüş tanıma çalışmasında, Yürüme Enerjik Görüntü (GEI) ve Yeri Değiştirilmiş Enerjik Görüntü (SEI) bir arada değerlendirilir. Ortalama siluet, geniş GEI olarak da bilinir. Basit ama çok etkili bir temsildir. Dezavantajı ise vücut duruşu değişimlerine aşırı duyarlı olmasıdır. Bu sorunu azaltmak için geliştirilmiş yürüyüş temsili SEI kullanılır. SEI’de katsayıların sayısı çok fazla olduğu için önemli bir alternatif yaklaşım olan Doğrusal Diskriminant Analizi (LDA) ile temsil çok boyutluluğu azaltılmaktadır. LDA uygulanmasında en önemli konulardan biri de çeşitli eğitim örneklerinin uygun ve düşük boyutlu bir alt uzayının hesaplanmasıdır [15].
Bu yöntem kullanılarak yapılan çalışmada her biri kendi işletim sistemine sahip 3 alıcıdan oluşan bir radar ağı dikkate alınmıştır. Verilerin analizinde kullanılan spektrogram, zaman-frekans çözünürlüğü arasında önlenemez derecede etkilenmektedir. Doppler spektrogramı için bir yazı işleme şeması oluşturulmuş ve verilerin, sunulan modelin sınırları içerisinde olduğu gözlenmiştir. Zaman-frekans gösteriminin okunabilirliği geliştirilmiştir. Böylece karmaşıklık arttıkça verilerin analizinde kullanılan spektrogramdaki ani değişimler önlenmiştir [18]. 2.11 Doğrusal Modele Benzetme
2.8 Geri Yayılımlı Yapay Sinir Ağları
Model tabanlı bir yöntem olup, kişinin kontur bilgisinden faydalanarak eklem açılarının hesaplanması amaçlanmaktadır. Li ve Huang’ın çalışmasında öncelikle insan vücudunun üç boyutlu bir modeli tasarlanmıştır. Daha sonra modelin bileşenlerine karşılık gelen, kişinin kontur bilgisine uygun eklem açılarını elde etmek için görüntülerdeki insan vücudu ve kontur bilgisi, 3 boyutlu modelde birleştirildikten sonra eklem açıları hesaplanmıştır. Bu yöntem ile doğrusal modelin hangi hat dağılım noktalarına ait olduğu belirlenebilir. Karar verilmesi sırasında eklem açıları parametreleri hesaplanıp, dönüştürülebilir. Ancak insan hareketinin son derece esnek yapıya sahip olması nedeni ile mümkün olan hareket dönüşümleri geniş bir yelpazeyi kapsamaktadır ve doğru eklemlerin yerlerini bulmak zor bir işlemdir [19].
Geri yayılımlı yapay sinir ağları, ileri beslemeli bir ağda bulunan hata miktarının gizli katmanda bulunan sinir hücrelerine geri dönmesi ve eğitimin başarısının arttırılması olarak nitelendirilebilir. İleri besleme, ağa giriş verilerinin verildiği aşamadır. Bu aşamanın sonunda elde edilen çıkışlar hata fonksiyonuna girilir ve hatalar geriye yayılarak ağırlıklar güncellenir. Hata fonksiyonunu ve dolayısıyla toplam hatayı minimuma yaklaştırmak için Gradyan İniş Metodu kullanılır. Fakat unutulmaması gereken önemli bir nokta ise yapay sinir ağlarında giriş ve çıkış katmanlarında geri yayılım olmayacağıdır. Bu yöntem kullanılarak yapılan yürüyüş tanıma çalışmasında anatomik bilgi rehberliğinde ve topolojik analiz altında hareketli bilgilerden, iki boyutlu çubuk desen şeklinde vücut siluetleri elde edilmiştir. İki boyutlu çubuk desenin, bir sıralı dizideki hareketli parametrelerine dayalı özelliklerinin çıkartılmasında, temel veri olarak yürüyüş imzası kullanılmıştır. Ayrıca hareketli özelliklere dayalı eğrisel yörüngeler yürüme hareketinin analizi için yürüyüş dizilerinden hesaplanmıştır. Daha sonra bir Geri Yayılım Yapay Sinir Ağı algoritması yürüyüş özelliklerinin tanımlanması için kullanılmıştır. Geliştirilen Geri Yayılım Yapay Sinir Ağı algoritması ile SOTON veri tabanından alınan 30 kişi için %90 tanıma oranı elde edilmiştir [16].
2.12 Siluetlerin El İle Çıkartılması Bu yöntem el ile etiketlenmiş diziler üzerine uygulanan, yeni bir yürüyüş tanıma yöntemi sunmaktadır. Bu yönteme göre insan yürüyüşünün tanınması için üç ayırt edici özelliğin birleştirilmesi gerekmektedir. Bu özellikler her vücut bileşeninin alanı, ağırlık merkezi ve yönelimidir. Tanıma işlemi uygulanmadan önce ise siluetler, bir Katmanlı Deforme Model (LDM) kullanılarak deforme edilmiştir. Böylece el ile çıkarılan siluetlerden, ayrıntılı ve modellenebilen siluetler elde edilmiştir. Sonuçlar bu yöntemin, mevcut yöntemlere göre oldukça iyi performans sergilediğini göstermiştir [20].
2.9 Periyot Tabanlı Faz Senkronizasyonu
3. YÜRÜYÜŞ TANIMADA KULLANILAN YÖNTEMLERİN KARŞILAŞTIRILMASI
Periyot Tabanlı Faz Senkronizasyonu kullanarak yapılan çalışmada öz-uzay içerisindeki düşük kare hızlı videolardan, yürüme yörüngesinin belirlenmesi amaçlanır ve eşleşme birimi olarak yürüme periyodu kullanılır. Bir yürüme periyodu, yürüme siluet dizisi zaman ekseninin maksimuma çıkan normalize edilmiş otokorelasyonu tarafından belirlenir. Daha sonra bir yürüme siluet dizisi, öz-uzay içindeki bir yörünge olarak ifade edilir ve yürüme evresi zaman uzaması tarafından eşitlenir. Son olarak yörüngenin zamanda
Yapılan literatür incelemesinde, yukarıda adı geçen metotların yürüyüş tanıma problemine uygulanması sonucunda farklı başarı oranlarına ulaşıldığı görülmüştür. Bu yöntemler değişik veri tabanları üzerinde denenmiş ve başarımları ona göre hesaplanmıştır. Tablo 1’de varılan sonuçlar karşılaştırılmaktadır. Elde edilen 124
TABLO 1. Yöntemlerin Başarı Oranları
başarı, kullanılan veri tabanının yapısının karmaşıklığı ile birlikte değerlendirilmelidir.
4. SONUÇ
YÖNTEM ADI
İncelenen yöntemlerden anlaşıldığı gibi, model tabanlı yaklaşımlar insan vücudunun hareketinin modelini bulmayı amaçlamaktadır. Ancak kusurlu görme teknikleri ve yüksek hesaplama karmaşıklığına sahip olması nedeniyle model tabanlı yaklaşımları uygulamak zordur ve hata eğilimleri yüksektir. Öte yandan, siluet tabanlı yaklaşımlar model oluşturmaya gerek kalmaksızın ve doğrudan hareket bilgisini kullanıldığından, hata eğilimleri daha düşüktür. Genellikle video dizilerinden çıkartılan ikili siluet dizileri kullanır. Böylece hesaplamadaki karmaşıklık azaltılmış olur.
Destek Vektör Makineleri En Yakın Komşu Sınıflandırıcı
Sürekli Saklı Markov Model
REFERANS NO
VERİ TABANI
BAŞARI ORANI
[1]
CMU
-
[2]
-
% 72.2
[3]
NLPR
% 87.53
[4]
CASIA
% 70.2
[5]
CASIA
% 96.25
[6]
-
-
[7]
CASIA
-
[8]
USH
% 98.3
USF-NIST
% 100
CMU
Bunun yanı sıra çoğu yürüyüş tanıma algoritmaları genellikle kişinin yandan alınan görüntülerini kullanır. Kameranın bakış açısı kişinin hareket yönüne diktir ve bu tanıma için en uygun açı olduğundan iyi sonuçlar elde edilebilir. Ancak gerçek hayatta insanların sabit bir doğrultuda yürümesi mümkün değildir. Çeşitli görüş açılarından çıkartılan yürüyüş özellikleri arasındaki ilişki iyi analiz edilmelidir.
Çekirdek Temel Bileşenler Analizi
[9]
Burada adı geçen çalışmaların yanı sıra değinilmeyenler de bu konuda çalışmak isteyenlere ışık tutması amacıyla kaynakçanın sonuna eklenmiştir [21]-[30].
5. KAYNAKÇA [1] Wang Kai, Zheng Li-Min, Wu Ping, Zhu Hong, “A Gait Recognition Method Based On Human Posture Pick Extraction”, Database Technology and Applications (DBTA), 2nd International Workshop on, Wuhan, 2010, 1-4. [2] Lily Lee, W. Eric L. Grimson, “Gait Analysis for Recognition and Classification”, Proceedings of the Fifth IEEE International Conference on Automatic Face and Gesture Recognition, 2002, 1-8. [3] Hongmin Xue, Zhijing Liu, Minyu Liu, “A Research of Motion Classification in Gait Recognition”, Proceedings of the Sixth IEEE International Conference on Fuzzy Systems and Knowledge Discovery, Tianjin 2009, 13-17. [4] Jian Ni, Libo Liang, “Gait Recognition Method Based on Hybrid Kernel and Optimized Parameter, SVM”, Proceedings of the 2nd IEEE International Conference on Computer Science and Information Technology, Beijing 2009, 60-63. [5] Yan-Qiu Liu, Xu Wang, “Gait Recognition Based on the Body’s Natural Features”, 2010 International Conference on Computer Application and System Modeling, Taiyuan, 2010, V15, 91-93. [6] Byungyun Lee, Sungjun Hong, Heesung Lee, Euntai Kim, “Gait Recognition System Using Decision-Level Fusion”, 125
% 100
USF [10]
Bu çalışmada incelenen çeşitli yürüyüş tanıma tekniklerinin avantajlarının yanı sıra dezavantajlarının da olduğu görülmektedir. Çalışmanın bir sonraki aşamasında pratikte uygulanmasının daha kolay oluşu nedeniyle siluet tabanlı yürüyüş tanıma metodu temel alınacak, ancak bu yönteme ilişkin dezavantajların ortadan kaldırılmasını hedefleyen iyileştirmeler yapılacaktır.
NLPR CASIA
-
USF
-
Kütle Vektörü
[11]
NLPR
% 96.25
Bayes Teoremi
[12]
CMU MoBo
% 83
Doğrusal Diskriminant Analizi
[13]
-
-
[14]
ACTIBIO
% 88
Geri Yayılımlı Yapay Sinir Ağları
[15]
SOTON
% 90
Periyot Tabanlı Faz Senkronizasyonu
[16]
-
-
Doppler İmza
[17]
-
-
Doğrusal Modele Benzetme
[18]
CASIA
-
Siluetlerin El İle Çıkartılması
[19]
USF
% 58
Proceedings of the 5th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, Taichung, 2010, 313-316. [7] A. Kale, A. N. Rajagopalan, N. Cuntoor, V. Krüger, ”GaitBased Recognition of Humans Using Continuous HMMs”, Proceedings of the Fifth IEEE International Conference on Automatic Face and Gesture Recognition, 2002, 1-6. [8] Xi Ling Zhao, Yong Qiang Du, “Research on GaitBased Human Identification”, International Conference on Computer Application and System Modeling, Taiyuan, 2010, V 12, 480-482. [9] Muhammad Rasyid Aqmar, Koichi Shinoda, Sadaoki Furui, “Robust Gait Recognition Against Speed Variation”, Proceedings of the International Conference on Pattern Recognition, Tokyo, 2010, 2190-2193. [10] Murat Ekinci, Murat Aykut, “Yürüyüş Stiline Dayalı Kişilerin Tanınması”, Proceedings of the IEEE 15th Signal Processing and Communications Applications, 2006. [11] Xiang-Tao Chen, Zhi-Hui Fan, Hui Wang and Zhe-Qing Li, “Automatic Gait Recognition Using Kernel Principal Component Analysis”, Proceedings of the International
Analysis and Mutual Information”, Proceedings of the 3rd International Congress on Image and Signal Processing, Yantai, 2010, 404-408. [24] Xiaxi Huang and Nikolaos V. Boulgouris, “Gait Recognition for Random Walking Patterns and Variable Body Postures”, Proceedings of the IEEE International Conference on Acoustics Speech and Signal Processing (ICASSP), Dallas, TX 2010, 1726-1729. [25] Jun Yang, Xiaojuan Wu, Zhang Peng, “Gait Recognition Based on Difference Motion Slice”, Proceedings of the 8th International Conference on Signal Processing, Beijing / China 2006. [26] Song-Zhi Su, LiWang, Shao-Zi Li, “Interframe Variation Vector-Based Gait Recognition”, Proceedings of 3rd International Conference on Intelligent Systems and Knowledge Engineering, Xiamen, 2008, 707-712. [27] Ju Han, Bir Bhanu, Amit K. Roy-Chowdhury, “A Study on View Insensitive Gait Recognition”, Proceedings of the IEEE International Conference on Image Processing, ICIP, 2005, 4-7. [28] Eyüp Gedikli, Murat Ekinci, “Siluete Dayalı Kişi Tanıma”, Proceedings of the 17th IEEE Signal Processing and Communications Applications Conference, Eskişehir 2007, 1-4. [29] Sungjun Hong, Heesung Lee, Euntai Kim, “Fusion of Multiple Gait Cycles for Human Identification”, Proceedings of the ICROS-SICE International Joint Conference, Taichung, 2009, 3171-3175. [30] Changhong Chen, Jimin Liang, Xiuchang Zhu, “Logistic Dynamic Texture Model for Human Activity and Gait Recognition”, Proceedings of the IEEE International Conference on Image Processing, Hong Kong, 2010, 24732476.
Conference on Biomedical Engineering and Computer Science (ICBECS),Wuhan, 2010, 1-4. [12] Sungjun Hong, Heesung Lee, Imran Fareed Nizami, Euntai Kim, “A New Gait Representation for Human Identification: Mass Vector”, Proceedings of the Second IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, Harbin, 2007, 669-673. [13] Bing Sun, Junchi Yan and Yuncai Liu, “Human Gait Recognition by Integrating Motion Feature and Shape Feature”, International Conference on Multimedia Technology (ICMT), Ningbo, 2010, 1-4. [14] Shancang Li, Jue Wang, Xinheng Wang, “A Novel Gait Recognition Analysis System Based on Body Sensor Networks for Patients With Parkinson’s Disease”, IEEE Globecom Workshop on Advanced Sensor Integration Technology, Miami, FL 2010, 256-260. [15] Xiaxi Huang, Nikolaos V. Boulgouris, “Gait Recognition Using Linear Discriminant Analysis with Artifical Walking Conditions”, Proceedings of the 17th IEEE International Conference on Image Processing, Hong Kong, 2010, 24612464. [16] Jang-Hee Yoo, Doosung Hwang, Ki-Young Moon, Mark S. Nixon, “Automated Human Recognition by Gait Using Neural Network”, Tools & Applications (IEEE), Sousse, 2008, 1-6. [17] Atsushi Mori, Yasushi Makihara, Yasushi Yagi, “Gait Recognition Using Period-Based Phase Synchronization for Low Frame-Rate Videos”, Proceedings of the International Conference on Pattern Recognition, Japan, 2010, 21942197. [18] J. Fortuny-Guasch, P.F. Sammartino, J. Petit, “Radar Techniques for Human Gait Automatic Recognition”, Proceedings of the 43rd Annual International Conference on Security Technology, Zurich 2009, 221-226. [19] Zhihui Li, Fenggang Huang, “Human Gait Tracking Based on Linear Model Fitting”, Proceedings of the First International Multi-Symposiums on Computer and Computational Sciences, 2006, 283-287. [20] Xiaxi Huang, Nikolaos V. Boulgouris, “Model-Based Human Gait Recognition Using Fusion of Features”, Proceedings of the IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, Taipei, 2009, 1469-1472. [21] Han Su, Guo-Yue Chen, “A New Method of Gait Recognition Independent of View Angle”, Proceedings of the Ninth International Conference on Machine Learning and Cybernetics, Qingdao, 2010, 3091-3096. [22] Yan Ma, “Gait Recognition Using Sparse Representation”, Proceedings of the 2010 International Conference on Wavelet Analysis and Pattern Recognition, Qingdao, 2010, 136-139. [23] Suyuan Wei, Chao Ning, Youxing Gao, “Biomimetic Gait Recognition Based on Motion Contours Wavelets
ÖZGEÇMİŞ Cihangir Kolcu, 1987 yılında İstanbul’da doğdu. İstanbul Ataköy İlköğretim Okulu’nda ve İstanbul Bahçelievler Lisesi’nde okudu. 2008 yılında Haliç Üniversitesi Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü’nü kazandı ve halen dördüncü sınıf öğrencisidir. Figen Özen, lisans, yüksek lisans ve doktora öğrenimini Boğaziçi Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü’nde tamamladı. Doktora çalışmaları sırasında New Jersey Institute of Technology’de dersler alıp, araştırma yaptı. Master ve doktora tezlerini Robot kontrolü konusunda yazdı. Boğaziçi Üniversitesi’nde ve New Jersey Institute of Technology’de araştırma görevlisi, Koç Üniversitesi’nde öğretim görevlisi olarak çalıştı. Halen Haliç Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü’nün tam zamanlı, İstanbul Teknik Üniversitesi Matematik Mühendisliği Bölümü’nün yarı zamanlı öğretim üyesidir. İşaret ve görüntü işleme konularında araştırmalar yapmaktadır.
126
GETEK giris:AYDIN_ACEMI.qxp 14.10.2011 14:26 Page 14
VI. OTURUM OTURUM BAŞKANI: R. Erhan KUTLU > MMO Eskişehir Şube Yönetim Kurulu Başkanı KRİTİK ALT YAPILARA SİBER SALDIRILAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .129 Cahit KARAKUŞ (İstanbul Kültür Üniversitesi) GÖRÜNTÜ DOSYALARINA METİN VERİSİ GİZLEME İÇİN KULLANILAN . . . . . . . . . .133 ALGORİTMALARIN ETKİNLİKLERİNİN İNCELENMESİ Andaç ŞAHİN MESUT (Trakya Üniversitesi) DİŞ KÖK KANAL TEDAVİSİNDE İRİGASYON SIVISININ AKIŞININ SAYISAL ANALİZİ .139 Mehmet Gökhan GÖKÇEN (Doğuş Üniversitesi) Ali Bahadır OLCAY (Doğuş Üniversitesi) Özkan ADIGÜZEL (Dicle Üniversitesi)
14
KRİTİK ALT YAPILARA SİBER SALDIRI Dr. Cahit Karakuş İstanbul Kültür Üniversitesi E-Posta:
[email protected] Özet
uluslararası tehditlerin önemsenmesi gerekmektedir. Yeni tehditler ve güvenlik açıklarını belirlemek için ihlal ya da saldırı bulma ve yanıt verme ekipleri kullanılarak tehdit algılama mekanizmaları kullanılmalı ve güçlendirilmelidir. Riskleri tanımlama ve etkisini azaltma programlarının geliştirilmesi ve sürekliliğinin devamı desteklenmelidir. Felaketin oluşmasını beklemek tehlikeli bir stratejidir.
Siber saldırı; dünyanın herhangi bir yerindeki bilgisayar kontrolü altındaki sistemlere internet (sanal) ortamından izinsiz erişip kritik alt yapının yönetimini ele geçirmeye çalışmaktır. Siber saldırının silahları ise internet ortamına bağlı bir bilgisayarın tuşları, bu tuşlara dokunan parmaklar ve yazılımlardır. Siber saldırı ile tüm kritik alt yapılar bir anda yerle bir edilebilir, en güçlü ülke bile hareket edemez hale getirilebilir. Bu yayında internet erişim ortamından kritik alt yapılara saldırı detaylı olarak anlatılmıştır. Dünyada yapılan siber saldırılara ilişkin örnekler verilmiştir. Alınması gereken önlemler detaylı olarak açıklanmıştır.
İletişim ve erişim teknolojilerinin internet ortamında bütünleşmesi, verilerin paket olarak anahtarlanması, veri kaynağına erişim ve veri kaynağından yayınımın serbest olması milyonlarca bilgisayarın birbirleri ile iletişim halinde olmasını sağlamıştır. İnternetin yaygınlaşması ile bilgisayarlara ve kontrol ettiği otomasyon sistemlerine saldırı sayısı ve çeşidi de artmıştır. Bu saldırıları önlemek için kimlik doğrulama, yetkilendirme, anti virüs programları gibi güvenlik çözümleri geliştirilmeye çalışılmaktadır. İnternet ortamından izinsiz erişimleri önlemede kullanılan güvenlik duvarı (firewall) olarak adlandırılan donanım ve yazılımlar ön savunma amaçlıdır. Ancak tamamen güvenli bir savunma aracı değildir ve çoğu zaman aldatmacalar içermektedir. Günümüzde tüm teknolojilere internet ortamından erişim mümkün hale gelmiştir. Kablosuz ortamdan internete erişim teknolojileri yaygın olarak kullanılmaktadır. Kablosuz ortamlarda internete erişmede, havada yayınım yapıldığından işaretin güvenliği, şifreleme ve kodlama ile mümkün olmaktadır. Kablosuz erişimde havada araya girilerek izinsiz bilgi elde etmek ve sistemlere müdahale etmek riskleri bulunmaktadır.
Anahtar sözcükler: Siber saldırı, Siber silahlar, Siber savaş, Siber savunma, Kritik alt yapılar.
1. GİRİŞ Siber savaş; düşmanı psikolojik olarak çökertmek için bilgisayar kontrolü altındaki sistemlerine izinsiz, gizli ve görünmez olarak internet üzerinden erişmektir. Kontrolü ele geçirerek bilgileri çalmak, değiştirmek, çökertmek ya da yanlış yönlendirmektir. Komplo teorileri ya da efsane gibi anlatılan siber savaş senaryoları günümüzde gerçek olmaya başlamıştır. İnternet üzerinden yapılan siber saldırılar artık önemsenmesi gereken ciddi bir tehlikedir. Hava, kara, deniz ve uzaydan sonra savaş artık sanal dünyaya taşınmıştır. Siber ortamdaki aktivasyonlar siber saldırı, siber silahlar, siber savaş ve siber savunma olarak adlandırılmakta, kısaca 4S olarak tanımlanmaktadır. Zamanımızın düşmanı hareketsiz, erişilmez ve ulaşılmazdır. Düşmanlarımız yakınımızda ya da karşımızda olmayacaktır. Görülmez, bilinmez ve anlaşılmaz olduklarından siber saldırılar fiziksel saldırılardan çok daha tehlikelidir. Bilgisayar sistemlerindeki yazılımları ve kodları devre dışı bırakmak, çalmak, yok etmek, bozmak, kendi amaçları doğrultusunda çalıştırmak için yapılan siber saldırılarda artış görülmektedir.
3. BİLGİSAYAR SİSTEMLERİNE İZİNSİZ ERİŞİM İzinsiz veri kaynağına erişimde, internet ortamına bağlı bilgisayar sistemlerinde açık arama ve sızma hedeflenmektedir. Saldırı için hedef sistem aranırken rastgele ya da bilinçli olmak üzere iki yöntemle izinsiz erişim yapılmaya çalışılır. Rastgele erişimde sisteme erişmede açık aranır. Söz gelimi amatör saldırılar olarak adlandırılan kablosuz internet erişim bulup bu sistemler üzerinden internete bağlanmak, internete bağlı bilgisayara izinsiz erişip bilgi çalmak ya da bilgisayara yerleşip etik ve yasal olmayan yazılımları yükleyip buradan yayın yapmak hedeflenir. Profesyonel saldırıda ise hedef sistem ve amaç belirlenmiştir. Ekip çalışması yapılır. Bilgisayara erişim şifreleri elde edilmeye çalışılır. Erişildiğinde kendilerini yetkilendirerek bilgisayar sistemlerinde izinsiz dolaşılmaya başlanılır. Bu durum soygun yapan hırsızlar ile eşdeğerdir. Amatör hırsızlar girdikleri yerlerde ne bulurlar ise onu almaya çalışırlar oysa profesyonel hırsızlar ne aradıklarını, nerede aradıklarını iyi bililer ve hedef ile ilgili önceden çalışma yaparlar. Güvenlik açıklarını bulmak için araştırma yaparlar.
2. İLETİŞİM VE ERİŞİM TEKNOLOJİLERİNİN İNTERNET ORTAMINDA BÜTÜNLEŞMESİ Kritik alt yapılar; savunma teknolojileri, elektrik santralleri, rafineriler, ulaşım, telekomünikasyon, bankalar ve hava trafiği kontrol sistemleri ile enerji, gaz, su gibi kaynaklara ilişkin üretim, depolama ve dağıtım şebekeleridir. Kritik alt yapılar ile internet arasındaki kontrol ve denetim bağının gelişmesi ve büyümesinden dolayı korumasızlık ve güvenlik açıkları artmakta, tehlikeli bir biçimde gelecekte daha da artacağı görülmektedir. İnternet üzerinden güçlü bir siber saldırının kritik alt yapılar üzerinde çok ciddi etkileri olacaktır. Özellikle 129
Güvenlik açığının giderek artması haberleşme alt yapısı ile internetin birbirlerine olan bağımlılığından kaynaklanmaktadır. Ses, görüntü ve veri haberleşmesi internet üzerinde bütünleşmiştir. Haberleşme teknolojilerinde verinin iletildiği ortamlar ile verinin sıkıştırıldığı, çoğullandığı, anahtarlandığı erişim sistemleri giderek yazılım odaklı ve bilgisayar ağları ile uzaktan yönetilir hale gelmiştir. Laboratuarlar, üniversiteler, bilimsel çalışmalar, ders notları, müzeler, sanat galerileri, alışveriş merkezleri, toplantı alanları, mesajlaşma, e-posta, telefon ve görüntülü görüşme hizmetlerinde sınırsız internet dünya çapındadır. İnternet ayrıca sapıklık, baştan çıkarma, pornografi ve müstehcenliğin dipsiz bir çukurudur. Dolandırıcılık, kumar, uyuşturucu satışı, gizlice izleme, çalınmış mal satışları gibi suçların internet üzerinde belgeleri bulunmaktadır. İnternet suçları; bilgisayardaki veya sunuculardaki bilgilere erişme, silme, değiştirme, çalma (hacking – bilgi hırsızlığı), ekonomik casusluk ile ticari sırların çalınması ve dolandırıcılık, uluslararası para aklama, izinsiz banka hesaplarına girme, para transferi, kredi kart sahtekarlığı ve illegal programlar kullanarak kendisine ait olmayan mesajlaşmaları izleme olarak sıralanır. İnternet evrenseldir fakat internet suçları da evrenseldir. Hem uluslar arası teröristlerin kritik alt yapıya olan ilgileri hem de kritik alt yapılara ait bilgisayar sistemlerine siber saldırılardaki artış arasındaki ilişkiye dikkat edilmelidir.
yenilmek için çok büyük paralar harcamıştı. Hatta o yıllarda dünyadaki en son teknolojik gelişmelerin uygulandığı sayısal haberleşme sistemleri Irak’ta kurulmuştu. Tüm askeri birliklerin birbirleri ile olan iletişimi bir tuşla çökertilmiştir. Hem de çok uzaklardan, bir tuşa basılarak uzaydaki uydu üzerinden bir komut gönderildi ve tüm iletişim sistemlerinin çalışması aynı anda bloke edildi. 2003 yılında ABD Irak’ı işgal etmeyi planlarken Irak Savunma Bakanlığı’nda çalışan binlerce kişi, işgalden hemen önce bilgisayar ekranlarında Amerikan Merkez Komutanlığı’ndan gelen bir mesaj gördüler. Mesajda, “Yakın bir zamanda Irak’ı işgal edebiliriz. Sizlere zarar vermek istemiyoruz. Başınıza bir şey gelmesini istemiyorsanız savaş başladığında evlerinize gidin” diyordu. Birçok kişi hatta askerler bu mesajı ciddiye alıp tankları terk edip evlerine gitti. ABD böylece Irak tanklarını kolaylıkla imha edebildi. Siber saldırı ve savunma sistemlerinde en güçlü olduğu tahmin edilen ülkelerden biri olan Çin’in, ABD’nin askeri ve Avrupa’nın teknoloji sırlarını elde etmeye çalıştığı iddia edilmektedir. Amerikan askeri araç ve silahlarının üreticisi Lockheed Martin’in gizli bilgilerine eriştiği iddia edilen Çin’in siber istihbarat uzmanlarının, F-35 savaş jetlerinin tüm planlarını ele geçirdikleri iddia edilmektedir. İsrail uçakları, 6 Eylül 2007’de, Türkiye’nin Suriye sınırından 120km içerde bir inşaatı bombaladı. Bir nükleer tesis olduğu zannedilen bina bir gece içinde yerle bir edildi. Suriye’nin ancak sabah haberi oldu. Oysa Rusya’dan satın aldıkları güçlü radarların İsrail uçaklarının hava sahasına girişini görüntülemiş olması gerekirdi. Soruşturmanın ardından İsrail’in Suriye savunma ağına yerleştirdiği bir yazılım radarlardaki görüntüyü her şey normal olarak izlettirdi. Yani İsrail uçaklarının ülke sınırları içinde olduğu anlarda Suriyeli askeri yetkililer tertemiz bir radar görüntüsü izliyorlardı ve dolayısıyla olaysız bir gece yaşadıklarını zannediyorlardı. İsrail bu siber saldırıyı yapmak için; saldırıdan önce Suriye hava savunma sahasına gizlice sokulan insansız hava araçları bozuk sinyal göndererek radarlarda arıza ve karışıklık oluşturdu. Bu sırada İsrail tarafından Suriye hava sahasını denetleyen bilgisayar koduna tuzak kapan yazılımı yerleştirildi. Ağ sisteminin kontrolünü ele geçirmek için kullanılan bu kapan yazılımı radardaki görüntüyü İsrail’in istediği gibi değiştirdi. İsrailli bir ajan, Suriye sınırları içinde internet bağlantısı sağlayan fiber ağ teknolojine izinsiz erişim yaparak radardaki görüntü kontrolünün İsrail’e geçmesini sağladı.
Bilgisayarınız ya da ağ sistemleriniz suç işlerken, işlediği suçla ilgili tüm delilleri üzerinde toplarken siz fark edemezsiniz. Virüs bulma ve izinsiz erişimi engelleyen güvenlik duvarı yazılımınız olduğu halde birileri bilgisayarınıza ya da ağ sisteminize izinsiz yerleşebilir. Bilgisayarınızda her türlü suçu işleyebilir; birilerinin hesabından para çekip, birilerinin hesabına transfer edebilir, porno yayını yapabilir, çocuğunuzu internet mağduru ve kurbanı edebilir, hiç tanımadığınız kurumların bilgisayarına girip gizli şirket bilgilerini çalabilir. Evet bilgisayarınız ya da ağ sistemleriniz buna benzer yüzlerce suçu siz farkında bile olmadan belki şu an işledi ya da işleyecektir. Bu tip saldırıların ardından suçluyu ve suçun kaynağını bulmak neredeyse imkânsızdır. Çünkü hacker’lar izlerini silerler, hatta saldırı, herhangi bir ülkede, virüslü bir bilgisayar üzerinden yapıldığı için masum bir insan kendini bir anda soruşturma altında bulabilir.
4. DÜNYADA SİBER SALDIRI ÖRNEKLERİ Soğuk Savaş sırasında Rusya ve ABD’nin karşılıklı casusluk faaliyetleri yaptığı biliniyordu. Moskova, 1982 yılında Kanada’da bir şirketten doğalgaz boru hatlarını kontrol etmek için kullanılan bir yazılımı çalmaya başladı. Bunu fark eden Amerikalılar ise, operasyonu durdurmak yerine yazılımın içine virüs yerleştirdiler. Rusların çaldığı yazılım bir süre sonra virüs tarafından bozuldu, boru hatlarındaki akışı anormal seviyelere çıkartı ve borunun patlamasına neden oldu. Sonuçta o güne kadar uzaydan görülen en büyük (nükleer olmayan) patlama yaşandı. Bu olay tarihe ilk siber saldırı olarak geçti.
Dünyada birçok ülkenin siber saldırı ve savunma sistemlerine özel bütçe ayırdığı ve yoğun çalışmalar yaptıkları bilinmektedir; ABD de gizli bilgilerin bulunduğu ağ sistemlerine girme amaçlı yapılan birkaç ciddi saldırıdan sonra Pentagon ve Ulusal Güvenlik Servisi’nin işbirliği ile siber savaş ve siber istihbarat birimi kurulmuştur. Siber savunma uzmanlarını işe almaya ve eğitmeye başladılar. İsrail askeri istihbarat örgütüne bağlı elektronik istihbarat ünitesi, siber saldırı güvenliğini sağlamak amacıyla özel bir birim kurmuştur. Sanal aleme bağlı olarak işleyen otomasyon sistemlerinin ve finansal kurumların güvenliğini sağlamakla görevlendirilen bu birim, halen ulusal istihbarata bağlı çalışmaktadır. Çin, siber savaş gücünde ABD’den
ABD, 1992 yılında daha savaş başlamadan Irak devletinin tüm telekomünikasyon alt yapı şebekesini bir tuşla çökertmiştir. Oysa Saddam iletişim alt yapısını en son teknoloji ile 130
sonra en güçlü ülke olarak görülmektedir. Rusya’da internet ortamından saldırı konusunda uzmanlaşmış çok sayıda profesyonel mühendisin olduğu bilinmektedir. İllegal olarak yazılım geliştirip internet ortamında satan bu mühendisler dünyadaki çok sayıdaki şirketleri mağdur etmişlerdir. İngiltere de Siber Savunma Operasyonları Merkezi adlı birimde İngiliz istihbaratına bağlı binlerce siber casus görev yapmaktadır. İngiltere hükümeti istihbarat bilgilerinin siber saldırılar sonucu dışarı sızmasını engellemek amacıyla bir ekip oluşturmuştur. Kuzey Kore’nin siber saldırı ve savunma gücünü geliştirmek için çoğu askeri akademiden mezun yüzlerce siber korsandan oluşan bir ekip oluşturduğu bilinmektedir. İran’ın siber saldırı ve savunma ordusuna sahip olduğu iddia edilmektedir.
bağlanabilmektedir. Bu bağlantılar; dağınık veri işlemeyi kolaylaştırmasına karşın sistemi internetin güvenlik problemleri ile karşı karşıya bırakmaktadır. Eğer cihazlar internet üzerinde kontrol ediliyor ise SCADA sistemine yapılan bir saldırı tüm sistemi etkileyebilir. Bu saldırı sonucunda fiziksel ve ekonomik kayıplar yanında insanlar, diğer canlılar ve çevre zarar görebilir. Bu yüzden SCADA sistemlerin güvenliğinin birincil öncelikli olması gerekir.
7. SONUÇ Siber saldırılara karşı siber savunma birimleri oluşturulmalıdır. Tankla tüfekle yapılan klasik çatışmaların yerini artık siber savaşlar almaktadır. Konvansiyonel savaşlar, siber silahlar sayesinde daha da kolaylaşmaktadır. Siber saldırılar hayatın her alanını tehdit etmektedir. Askeri saldırı ve savunma sistemlerinin bir parçası haline gelen siber saldırıların nasıl kontrol edileceği önemli bir araştırma alanıdır. Şu anda en çok tartışılan konulardan biri de, siber saldırıların “silahlı saldırı” ile eş değerde tutulup tutulamayacağıdır. Cenevre Sözleşmesi’ni imzalamış ülkelerin, nasıl savaş sırasında sivil hedefleri bombalayamıyorlarsa sivil kurumlara siber saldırıda da bulunmama sözü verilmesi tavsiye edilmektedir. Nükleer silahlanmada olduğu gibi siber silahlanmada da, ülkelere programlarıyla ilgili şeffaf olma mecburiyeti getirilebileceği öngörülmelidir. Siber saldırı gerçekleştikten sonra oluşacak hasarları ve riskleri minimize etmek üzerine çalışmalar yapılmalıdır. Sonuç olarak, bilgi güvenliği; bilgilere izinsiz erişimlerden, kullanımından, ifşa edilmesinden, yok edilmesinden, değiştirilmesinden veya hasar verilmesinden koruma işlemidir. Bilgi güvenliğinde; güvenlik gereklilikleri ve amaçları belirlenmelidir.
5. KABLOSUZ ERİŞİMLERDE SAVUNMASIZLIK Kablosuz mobil algılayıcılar özellikle çevre gözleme, gözetleme, askeri aktiviteleri izleme, akıllı ev uygulamaları ve yardımcı yaşama desteği alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Radyo frekansları üzerinden kimlik tanıma sistemleri (RFID) ise ürün tedarik zincirinin işleyiş kalitesinde, otoyol gişeleri, alışveriş merkezleri gibi sürekli yoğunluk problemi olan yerlerde, kimlik ve güvenli geçiş uygulamalarında, takip uygulamalarında (öğrencilere, mahkûmlara, hayvanlara, vb.), envanter yönetimi uygulamalarında başarılı olarak kullanılmaktadır. Bu teknolojiler iş odaklı geliştirildikleri için güvenlik problemi ikinci planda kalmıştır. Kablosuz mobil algılayıcıları; servis dışı bırakılması, trafik yoğunluğu oluşturulması, gizliliğin ihlal edilmesi, fiziksel ataklar gibi birçok saldırıya açıktır. Kablosuz mobil algılayıcı ağlarda saldırılara karşı önlem almak ve güvenlik gereksinimlerini karşılamak için kripto, parola ve şifreleme gibi savunma mekanizmaları kullanır. Fakat işlemci gücü, saklama alanı, enerji sınırlılığından dolayı etkin güvenlik sağlamak kolay değildir. Son yıllarda kaynakları etkin kullanacak, güvenli haberleşebilecek kablosuz mobil algılayıcı ağlar ve RFID sistemler konusunda projeler geliştirilmektedir.
8. KAYNAKLAR 1. “Privacy Impact Assessment for theCritical Infrastructure Warning Information Network”, IAIP, January 7, 2006, U.S. Department of Home Land Security 2. “Critical Infrastructure: Control Systems and the Terrorist Threat”, Updated February 21, 2003, Dana A. Shea Consultant Resources, Science, and Industry Division, Report for Congress
6. KRİTİK ALT YAPILARIN KORUNMASI
3. “CRITICAL FOUNDATIONS PROTECTING AMERICA’S INFRASTRUCTURES, The Report of the President’s Commission on Critical Infrastructure Protection”.
Kritik altyapıların korunması ve gelebilecek saldırılara karşı önlemler geliştirilmesi önemsenmelidir. Enerji santralleri, hava limanları, nükleer santraller, barajlar, metrolar, limanlar vb ülke için hayati öneme sahip kritik altyapıların fiziksel ve bilgi güvenliğinin sağlanması, beklenmeyen olaylar karşısında iş sürekliliğinin devam ettirilmesi, felaket planının yapılması ve uygulanması için stratejik projeler geliştirilmelidir. İnternetin yaygın olarak kullanılmaya başlanmasıyla birlikte kötü niyetli internet kullanıcıları, rakipler, diğer ülkeler ya da teröristler kritik altyapılarının bilgi sistemlerine internet üzerinden saldırarak zarar vermeye çalışırlar. Kritik altyapılar dağınık ve karmaşık sistemlerdir. İşletim esnasında bu sistemlerin değişik kısımlarının operatörler tarafından uzaktan gözlenmesi ve kontrol edilmesi istenir. Günümüz ağ teknolojileri uzaktan izleme ve kontrol işlemini mümkün kılmaktadır. Günümüzde endüstriyel komuta kontrol ağlarının gelişmiş hali SCADA (Supervisory Control and Data Acquisiton) olarak adlandırılmaktadır. SCADA sistemleri ağlara ve internete
4. “Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer”, Aristeidis Karalis, J.D. Joannopoulos, and Marin Soljacic, Center for Materials Science and Engineering and Research Laboratory of Electronics Massachusetts Institute of Technology. 5. “Elektromagnetic veapon and Human rigths”, by Peter Phillips, Lew Brown and Bridget Thornton, As Study of the History of US Intelligence Community Human Rights Violations and Continuing Research in Electromagnetic Weapons. 6. “High-Altitude Electromagnetic Pulse (HEMP): A Threat to Our Way of Life”, by William A. Radasjy, PH.D. P.E. 7. 131
“Mind Controllers”, By Dr. Armen Victorian.
ÖZGEÇMİŞ
ve yaratıcılık ödülüne layık görülmüştür. 2000 ile 2002 yılları arasında COMSAT firmasında uydu yer istasyonlarının planlanma ve kurulumunda uzman olarak görev alan Dr. Karakuş, yurt içinde ve dışında şirketler için çok sayıda uydu link kurulumu yapmıştır. 2002 ile 2007 yılları arasında pek çok kurum ve kuruluşun ağ iletişim alt yapılarını projelendiren ve kurulumlarında görev alan Dr. Karakuş, 2007 ile 2009 yılları arasında “Kent Güvenliği Projelendirme” çalışmalarında bulunmuştur. 2007 yılından itibaren Telekom ve Savunma projelerinde uzman olarak çok sayıda kurum ve kuruluşa danışmanlık hizmetleri veren Dr. Karakuş, anten tasarımı ve kestirim yapan akıllı algılayıcılar konusunda çalışmalarına devam etmektedir.
Dr. Cahit KARAKUŞ 13.05.1960 tarihinde Malatya’nın Yeşilyurt ilçesinde doğan Dr. Cahit Karakuş, haberleşme ve savunma sektörlerinde 27 yıllık deneyime sahiptir. Dr. Karakuş, geniş band ışıma yapan anten tasarımı ve gerçek zamanlı kestirim yapan kablosuz akıllı algılayıcılar konularında uzmandır. 1984 yılında İTÜ Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği bölümünden mezun olan Dr. Karakuş; 1987 yılında aynı üniversitede yüksek lisansını, 1995 yılında ise doktorasını tamamlamıştır. 1985 ile 1987 yılları arasında İTÜ Elektromanyetik ve Mikrodalga ana bilim dalında araştırma görevlisi olarak çalışmıştır. Halen İstanbul Kültür Üniversitesinde öğretim görevlisi olarak Bilgisayar ve Ağ Teknolojileri, Mikrobilgisayar Sistemleri ve Assembler derslerini vermektedir.
Dr. Karakuş; akıllı kablosuz algılayıcılar, uzaktan davranışların manipüle edilmesi ve elektromanyetik silahlar, çevreci akıllı evler ve stratejik davranış geliştirmede tehditlerin analizi konularında çeşitli üniversitelerde konferanslar vermiştir. Askılı geniş band anten tasarımı konusunda yayınları ve patentleri bulunan Dr. Cahit Karakuş, çok sayıda lisans ve yüksek lisans öğrencisine anten tasarımı konusunda tez yaptırmıştır.
1988 ile 2000 yılları arasında Nortel – Netaş’ da yazılım ve donanım mühendisi olarak haberleşme sistemlerinin tasarımında çalışan Dr. Karakuş, kablosuz haberleşme sistemlerinde kullanılan anten buluşundan dolayı teknoloji
132
GÖRÜNTÜ DOSYALARINA METİN VERİSİ GİZLEME İÇİN KULLANILAN ALGORİTMALARIN ETKİNLİKLERİNİN İNCELENMESİ Andaç Şahin Mesut Trakya Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Bilgisayar Mühendisliği Bölümü EDİRNE TÜRKİYE Tel: 284 226 12 17 E-posta:
[email protected] Özet
sağlaması gerekmektedir. Şeffaflık saklanan verinin tespit edilememesi ve fark edilememesini ifade ederken sağlamlık saklanan verinin çıkartma işleminde düzgün bir şekilde geri getirilmesini anlatmaktadır.
Gelişen teknoloji ve internet gündelik hayatımızda birçok kolaylık sağlasa da bazı güvenlik sorunlarını da beraberinde getirmektedir. Özellikle dijital ortamda bulunan kişisel verilerimizi korumak, onları güvenli bir şekilde aktarabilmek önemli bir konu haline gelmiştir. Bunu sağlayabilmek amacıyla çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Şifreleme ve Steganografi veri güvenliğini sağlamak için sıkça kullanılan yöntemlerdir. Şifreleme verinin çeşitli algoritmalar aracılığı ile anlaşılamaz hale getirilmesini sağlar. Steganografik yöntemlerin amacı ise, gönderilmek istenen verinin, masum görünüşlü bir ortama gizlenerek varlığından haberdar olunmasının engellenmesidir. Bu çalışmada görüntü dosyalarına metin verisi gizlemek için kullanılan yöntemler incelenmiş ve belirli kriterler açısından etkinlikleri değerlendirilmiştir. Anahtar Gizleme
sözcükler:
Steganografi,
Steganaliz,
Bu çalışmada farklı formattaki görüntü dosyalarının içerisine veri gizlemek için kullanılan yöntemler incelenerek taşıyıcıdaki değişim, kapasite ve dayanıklılık açılarından birbirlerine göre avantaj ve dezavantajları ortaya konulmuştur.
2. GÖRÜNTÜ STEGANOGRAFİ Sayısal resimler dağıtımı en kolay ve internette hemen her sayfada karşılaşılabilecek dosyalardır. Kullanıldıkları formatlara göre farklılık göstermekle birlikte steganografi uygulamalarında en yaygın kullanılan ortamlar resim dosyalarıdır. Bu nedenle steganografi konusunda yapılan çalışmalar ve geliştirilen teknikler ağırlıklı olarak resim steganografi çerçevesinde yer almaktadır.
Bilgi
Bir sayısal görüntü N satır ve M sütundan oluşan bir dizi şeklindedir. Dizinin her elmanı piksel olarak adlandırılır. En basit görüntülerde piksel değeri 1 veya 0 olabilir. Bu tip görüntülere ikili görüntü adı verilir. Genellikle 24 bitlik görüntüler üzerine veri gizleme işlemi yapılır. 24 bitlik görüntülerde bir piksel başına 3 byte kullanılmaktadır. Her pikselin rengi; Kırmızı (red), Yeşil (green), Mavi (blue) olmak üzere üç ana renkten elde edilmektedir. Buna pikselin RGB değeri denilmektedir [6].
1. GİRİŞ Bilgi gizlemenin önemli bir alt disiplini olan Steganografi, bir nesnenin içerisine bir verinin gizlenmesi olarak tanımlanabilir [1]. Steganografi kelimesi kökleri “στεγαυος” ve “γραΦειν”’den gelen Yunan alfabesinden türetilmiştir. Tam olarak anlamı “kaplanmış yazı” (covered writing) demektir [2]. Steganografi’nin amacı gizli mesaj ya da bilginin varlığını saklamaktır. Taşınmak istenen mesaj bir başka masum görünüşlü ortamda saklanarak, üçüncü şahısların iletilen mesajın varlığından haberdar olması engellenir. [3]. Sayısal steganografi kullanım alanları açısından genel olarak üçe ayrılmaktadır. Bunlar; Metin (text) steganografi, Görüntü (image) steganografi ve Ses (audio) steganografi’dir. Bu yaklaşımda içine bilgi gizlenen ortama örtü verisi (cover-data) veya örtü nesnesi (cover-object), oluşan ortama da stego-metin (stego-text) veya stego-nesnesi (stegoobject) denmektedir [4]. Bir bilgiyi başka bir ortamın içine gizlenerek yeni bir ortam yaratılması işlemi Steganografik Sistem olarak adlandırılmaktadır. Gönderici bir gizleme fonksiyonu kullanarak bir steganogram yaratır. Gizleme fonksiyonu, verinin saklanacağı taşıyıcı ortam ve gizlenecek veri olmak üzere iki parametreye sahiptir [5].
Şekil 1: 24 bitlik renkli sayısal resmin yapısı.
24 bitlik bir görüntüde her renk 0 ile 255 arasında değer alabilen ikili kodlar olarak ifade edilir. Örneğin turkuaz renkli bir pikselin RGB kodu aşağıdaki gibidir.
Herhangi bir steganografik sisteminin temelde şeffaflık (transparency) ve sağlamlık (robustness) şartlarını 133
R = 48 = 00110000 G = 214 = 11010110 B = 200 = 11001000 Görüntü dosyalarının içerisine bir metin gizlenebileceği gibi bir resim dosyasının içine bir başka resmi de gizlemek mümkündür.
Değiştirme işlemi prensibine göre çalışan algoritmalardan Patchwork Algoritması daha çok 256 bitlik gri seviye resimler üzerinde uygulanan ve bilgiyi Gauss dağılımı gösteren bir istatistiğe sahip örtü verisinin içine gizlemeyi amaçlayan bir istatistiksel yönteme dayanmaktadır. Genellikle filigran uygulamaları için kullanılmaktadır [8].
Gizleme Fonksiyonu olarak adlandırılan ve bilgi gizlemede en çok kullanılan algoritma ve programlar kullandıkları yönteme göre aşağıdaki gibi gruplandırılabilir.
Amplitude (Bolluk) Modülasyonu kullanılarak bilgi gizleme algoritması gizlenecek bitleri örtü verisinin mavi renk kanalındaki piksel değerlerini değiştirerek gizlemeyi amaçlar. Bu değişimler ışığın oranına ve bitin değerine bağlı olarak arttırma ya da eksiltme yoluyla yapılmaktadır [9].
− − −
Değiştirmeye dayalı yöntemler İşaret işlemeye dayalı yöntemler Spektrum yayılmasına dayalı yöntemler [7].
Son Bite Ekleme (LSB-Least Significant Bit Insertion) yöntemi ise en yaygın kullanılan bilgi gizleme yöntemlerinden biridir. Taşıyıcı ortamın en az önemli bitlerini insan gözünün fark edemeyeceği şekilde gizli veriyi saklamak amacıyla değiştirmeyi temel alır. Fakat yöntemin dikkatsizce uygulanması durumunda veri kayıpları ortaya çıkmaktadır [10].
Yukarıdaki yöntemleri kullanarak bilgi gizleyen steganografik algoritmalardan en yaygın olarak kullanılanları şunlardır; − − − − − −
Patchwork Algoritması Amplitude (Bolluk) Modülasyonu kullanılarak bilgi gizleme Superposition Algoritması SSIS (Spread Spectrum Image Steganography) Yöntemi Frekans Domaini İçine Veri Saklanması Son Bite Ekleme (LSB-Least Significant Bit Insertion) yöntemi
3.2. İşaret İşlemeye Dayalı Yöntemler İşaret işlemeye dayalı yöntemler çeşitli dönüşümlerin kullanıldığı yöntemlerdir. DCT, DFT gibi dönüşümler kullanılabilir. İşaret işlemeye dayalı yöntemler resim üzerinde yapılan değişikliklere karşı da dayanıklıdırlar fakat resmi bozabilirler. Resimde bozulma olup olmayacağı da ancak işlem sonrası anlaşılabilir. Ayrıca, her 64 adetlik bloklara DCT katsayı matrisinin durumuna göre yaklaşık olarak 1 ya da 2 byte gömülebilmesi, saklanabilecek veri miktarını önemli oranda düşürmektedir. JPEG formatındaki dosyalar üzerinde bilgi gizleme ve filigran ekleme amacıyla sıklıkla kullanılırlar.
Bir steganografik yöntem ya da algoritma değerlendirilirken ise 3 temel kriter göz önünde bulundurulur. Bunlar; − − −
Kapasite Taşıyıcıdaki değişim Dayanıklılık’tır.
Bu kriterlerin bulunmaktadır.
ölçülmesi
içinde
değişik
Bu yönteme göre çalışan algoritmalar Superposition algoritması [11] ve Frekans Domaini İçine Veri Saklanması [12] yöntemidir.
yöntemler
3.3. Spektrum Yayılmasına Dayalı Yöntemler
3. KULLANILAN YÖNTEMLERİN İNCELENMESİ
Bu tür yöntemler ise son yıllarda oldukça fazla kullanılmaya başlanmıştır. Tayf yayılması askeri iletişimde oldukça yoğun kullanılmaktadır.
3.1. Değiştirmeye Dayalı Yöntemler Değiştirmeye dayalı yöntemlerde bilgi gizlemek için renk değerleriyle oynanabilir ya da palet değiştirilebilir.
Bu yöntemde gönderilmek istenen mesaj ihtiyaç duyduğu frekans bandından çok daha fazlasına dağıtılır. Üçüncü bir kişi araya girip bir ya da birden fazla frekans bandında bozulmalara neden olsa bile, alıcı geri kalan frekans bantlarındaki bilgiler ile asıl mesajı elde edebilmektedir. Gizli mesaj birden fazla bantta yayılarak resme gürültü olarak eklenebilir.
Renk değerleriyle oynama en basit yöntemdir. Renk değerlerinin düşük anlamlı bitleri ile gizli verinin bitleri değiştirilir. Değişim, insan gözü tarafından algılanmaz. Gizli veri, “gürültü (noise)” olarak resme eklenir. Bu yöntem yüksek oranda veri gömme şansı verir, fakat resim üzerinde yapılacak değişimlere karşı oldukça hassastır. Renk değeri değiştirme yöntemleri genellikle BMP formatındaki dosyalarda uygulanmaktadır.
Bu yönteme göre çalışan algoritmalara ise SSIS (Spread Spectrum Image Steganography) Yöntemi [13] verilebilir.
4. YÖNTEMLERİN DEĞERLENDİRİLMESİ
Palet ile oynamada ise renk bilgilerinin palet üzerinde tutulduğu resim dosyaları kullanılır. Paletteki sıralama değiştirilir. Bunun sonucunda resim bozulabilir. Ayrıca resim türü değiştirildiğinde tüm yapılanlar yok edilir. Palet sıralaması ile oynama işlemleri ise genellikle GIF formatındaki dosyalar üzerinde yapılmaktadır.
Bir steganografik yöntem ya da algoritma kapasite, taşıyıcıdaki değişim ve dayanıklılık özelliklerine göre değerlendirilmektedir.
134
4.1. Kapasite
nedenle taşıyıcıdaki değişim açısından BMP dosyalar daha iyi sonuç vermektedirler.
Kapasite ölçütü resim dosyalarının yapıları ile ilgilidir. BMP formatındaki 24 bitlik renkli resimlerde her bir piksele 3 bit, 8 bitlik gri seviye resimlerde her piksele 1 bit saklanabilirken, GIF formatındaki resimlerde her bir piksele 1 bit saklanabilmekte ve JPEG formatındaki resimlerde 64 piksellik bir alana DCT katsayı matrisinin değerlerine göre yaklaşık olarak 16 bit bilgi saklanabilmektedir.
4.3. Dayanıklılık Bir steganografik sistemin dayanıklılığını ölçmek için ise steganaliz yöntemleri kullanılmaktadır. Steganaliz, bir örtü verisi (cover data) içerisinde herhangi bir bilgi olup olmadığını bulmayı ve eğer var ise bu bilgiyi elde etmek amacıyla steganografik algoritma kullanılan sisteme karşı yapılan saldırı yöntemleridir. Genelde saldırı yapan kişinin (steganalist) kullanılan steganografik sistemi bildiği varsayılır (Kerchoffs’un prensibi) [15].
Örnek olarak şekil 2’deki 200x200 piksel boyutundaki resim seçilsin.
Her steganografik yöntem için ayrı steganaliz yöntemleri geliştirilmiştir. Bir yöntem için çok iyi sonuçlar veren bir steganaliz yöntemi bir diğeri için doğru sonuç vermemektedir. Görüntü Steganografi’de öncelikle resmin içinde veri gizlenip gizlenmediğini anlamak için sezme (detection) saldırıları yapılır. Bu saldırı yöntemleri; − Histogram Analizi − χ2 Testi − RS Steganalizi − RQP Yöntemi − Görsel Ataklar − JPEG Steganaliz olarak sınıflandırılabilir [16].
Şekil 2: 200x200 piksel boyutundaki örnek resim.
Bu resmin BMP, GIF ve JPEG formatlarına saklanabilecek maksimum veri miktarları Tablo 1’de verilmiştir.
Resmin içinde veri olduğu anlaşılırsa, bu veriyi elde etmek amacıyla çekme (extraction) saldırısı yapılır [17].
Tablo 1. Farklı formattaki resim dosyalarının saklayabilecekleri en yüksek veri miktarları Format
Histogram analizinde renk ya da parlaklık değerlerinin dağılımları bir grafik halinde sunulmaktadır. Bu analiz yönteminde bir sonuca varabilmek için orijinal resme ve bilgi gizlenmiş resme ihtiyaç vardır. Gizlenen veri miktarı arttıkça sezilme olasılığı da artar.
Saklanabilecek En Yüksek Veri Miktarı
24 bit BMP
15 Kbyte
8 bit BMP
5 Kbyte
GIF
5 Kbyte
JPEG
1,25 Kbyte
χ2 Testi genellikle LSB (Son Bite Ekleme) yöntemi ile veri gizlenmiş dosyalarda iyi sonuçlar vermektedir. Değer çiftlerinin dağılımını istatistiksel olarak analiz etmeye yönelik bir istatistikî testtir [5]. RS Steganaliz genellikle 24 bit renkli ve 8 bit gri resimler üzerinde LSB yöntemine göre bilgi gizlenip gizlenmediğini anlamak amacıyla geliştirilmiş bir yöntemdir [16]. RQP Steganaliz de 24 bit renkli resimlerde LSB ile veri gizlemeyi sezme amacıyla geliştirilmiştir [18].
Tablodan da görülebileceği gibi BMP ve GIF formatındaki dosyalara saklanabilecek veri miktarı daha fazladır. Hatta 24 bitlik renkli BMP resmi oluşturan piksellerin sadece son bitinin değil de sondan 2 ya da 3 bitinin bilgi gizleme amacıyla kullanılması durumunda kapasitenin daha da arttırılması olasıdır.
Görsel Ataklar da daha çok BMP dosyalara uygulanan bir yöntemdir. JPEG dosyaların blok blok işlenmesinden dolayı görsel ataklar JPEG resimler üzerinde doğru sonuçlar vermemektedir.
4.2. Taşıyıcıdaki Değişim Taşıyıcıdaki değişimi ya da resimdeki bozulma oranının belirlenmesi için çeşitli ölçme yöntemleri vardır. Bunlar arasında en bilinenleri; MSE, RMSE, PSNR’dır [14].
BMP ve GIF formatındaki dosyalarda özellikle sıralı bir şekilde gizlenmiş verilerin varlığı Histogram Analizi, χ2 Testi, RS Steganalizi, RQP Yöntemi ve Görsel Ataklar ile genellikle sezilebilmektedir.
JPEG ve GIF formatındaki resim dosyaları yapılarından solayı taşıyıcıdaki değişimlere karşı daha hassastır. Bu
Yukarıda anlatılanların ışığında dayanıklılık ölçütünde JPEG formatı için kullanılan steganografik yöntemlerin steganalitik 135
Steganalysis”, Communications of the ACM, vol. 47, no. 10, October 2004. [4] M. Kharrazi, H.T. Sencar, N. Memon, “Image Steganography: Concepts and Practice”, WSPC/Lecture Notes Series, April 22, 2004. [5] A. Westfeld, A. Pfitzmann , “Attacks on Steganographic Systems”, Information Hiding. Third International Workshop, IH’99, Dresden, Germany, September/October, 1999, Proceedings, LNCS 1768, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2000. [6] T. Morkel, J.H.P. Eloff, M.S. Olivier, “An Overview of Image Steganography”, Proceedings of the Fifth Annual Information Security South Africa Conference (ISSA2005), Sandton, South Africa, June/July 2005/ [7] Z. Erkin, B. Örencik, “Steganografik Kütüphane“, Ağ ve Bilgi Güvenliği Ulusal Semp. (ABG 2005) Bildiriler Kitabı, ISBN 975-395-885-4, s. 98-102, İstanbul, 9-11 Haziran, 2005. [8] W. Bender, D. Gruhl, N. Morimoto, A. Lu, “Techniques for data hiding”, IBM Systems Journal, vol. 35, NOS 3&4, 1996. 47.
saldırılar karşısında daha dayanıklı olması sebebiyle BMP ve GIF formatına veri gizleyen yöntemlere göre başarılı olduğu söylenebilmektedir.
5. SONUÇLAR Günümüzde birçok steganografik algoritma ya da yöntem bulunmaktadır. Bu yöntemler değerlendirilirken ele alınması gereken kapasite, taşıyıcıdaki değişim ve dayanıklılık ölçütlerinin hepsini aynı anda sağlayabilmek söz konusu değildir. Dayanıklılık - kapasite ve taşıyıcıdaki değişim kapasite arasında ikilemler söz konusudur. Kapasite arttıkça dayanıklılık azalacaktır. Yine aynı şekilde kapasite miktarı arttıkça taşıyıcı ortamdaki değişimler artacaktır. Taşıyıcıdaki değişim, dayanıklılık ve kapasite özelliklerinden hangisi bizim için daha önemliyse bu duruma göre daha uygun olan yöntem veri gizleme işlemi için kullanılmalıdır. Kapasite bizim için önemliyse yer değiştirmeye ya da spektrum yayılmasına dayanan yöntemlerden birini seçmek ve 24 bitlik renkli BMP formatında bir resim kullanmak daha uygun olacaktır. Yine taşıyıcıda fazla değişiklik olmamasını istiyorsak yer değiştirmeye dayalı bir yöntem seçerek 24 bitlik bir görüntü kullanmamız uygun bir seçim olacaktır.
[9] M. Kutter, F. Jordan, F. Bossen, “Digital Signature of Color Images using Amplitude Modulation”, in Proceedings of SPIE storage and retrieval for image and video databases, San Jose, USA, February 13-14, 1997.
Dayanıklılık en önemli ölçüt ise İşaret işlemeye dayalı yöntemler ve dolayısıyla JPEG formatındaki bir resim uygun seçimler olacaktır.
[10] A. Şahin , “Görüntü Steganografide Kullanılan Yeni Metodlar ve Bu Metodların Güvenilirlikleri”, Doktora Tezi, 2007. [11] I. Pitas, N. Nikolaidis, “Copyright Protection of Images using Robust Digital Signatures”, in IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP-96), vol. 4, pp. 2168-2171, May 1996.
Steganografik yöntemler şifreleme yöntemleri ile birlikte kullanılarak daha güvenli bir sistem oluşturulabilir. Saklanacak verinin miktarı arttırılmak istenirse de gizlenecek verinin gizleme işleminden önce sıkıştırılmasıyla bu sağlanabilmektedir.
[12] M. Barni, F. Bartolini, V. Cappellini, A. Piva, “Robust Watermarking of Stil Images for Copyright Protection”, in Proceedings of DSP’97, International Conference on Digital Signal Processing, Santorini, Greece, pp.499-502, 2-4 July 1997. [13] L.M. Marvel, C.G. Boncelet, C.T. Jr. Retter, “Reliable Blind Information Hiding for Images”, in Proceedings of 2nd Workshop on Information Hiding (D. Aucsmith, editor), Lecture Notes in Computer Science, Springer, 1998. [14] K. Sayood, “Introduction to Data Compression”, Morgan Kauffman Publishers, Inc. 340 Pine Street, Sixth Floor, San Francisco, CA 94104-3205, USA, 1996. 61. [15] A. Kerckhoffs, “La cryptographie militaire”, Journal des Sciences Militaires, Feburary 1883. [16] J. Fridrich, M. Goljan, “Practical Steganalysis of Digital Images – State of the Art”, In Proceedings of SPIE, Security and Watermarking Multimedia Contents IV (San Jose, CA, Jan. 21–24). International Society for Optical Engineering, 2002, 1–13. [17] R.C.W. Phan, H.C. Ling, “Steganalysis of Random LSB Insertion Using Discrete Logarithms Proposed At Cıta03”, M2USIC03, PJ, Malaysia, 2-3 October 2003. [18] J. Fridrich, R. Du, L. Meng, “Steganalysis of LSB Encoding in Color Images”, Proceedings IEEE International Conference on Multimedia and Expo, New York City, NY, July 30–August 2, 2000.
Bir resmin içinde gizli bilgi olduğunun anlaşılmasından sonra yapılacak işlem bu verinin elde edilmesidir. Fakat bunun için bilgi gizlemede kullanılan steganografik yöntemin bilinmesi gerekmektedir. Resmin içindeki bilginin elde edilmesi uğraş gerektiren ve zaman alan bir süreçtir. İnternet üzerinden her gün milyonlarca resim ya da video dosyası gönderildiği düşünülürse gizli bilgilerin sezilmesi bile oldukça zordur. Steganografinin kötü amaçlar için kullanılması durumunda insanlık açısından kötü sonuçlar ortaya çıkabilmektedir. Steganografik yöntemlerin çeşitliliği ve her steganaliz yönteminin gizli verileri yakalayamaması dolayısıyla kötü amaçlı kişiler bu yöntemleri tercih etmeye başlamışlardır. Bu nedenle steganografi ve steganaliz yöntemleri gelişmeye ve ilerlemeye oldukça açık bir konudur.
6. KAYNAKÇA [1] F.A.P. Petitcolas, R.J. Anderson, M.G. Kuhn, “Information Hiding–A Survey”, Proceedings of the IEEE, Special Issue on Protection of Multimedia Content, 87(7):1062-1078, July 1999. [2] A.H. Murray, R.W Burchfiled (eds.), “The Oxford English Dictionary: Being a Corrected Re-issue”, Oxford, England: Clarendon Pres, 1933. [3] H. Wang, S. Wang, “Cyber Warfare: Steganography vs. 136
ÖZGEÇMİŞ
Mühendislik Mimarlık Fakültesi Bilgisayar Mühendisliği Bölümünde Araştırma Görevlisi olarak çalışmaya başladı. Yüksek Lisansını 2001 ve Doktorasını 2007 yılında Trakya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı’nda tamamladı. 2007 yılından itibaren Trakya Üniversitesi Bilgisayar Mühendisliği Bölümü’nde Yardımcı Doçent olarak görev yapmaktadır.
Andaç Şahin MESUT, 2 Temmuz 1978 yılında Kırklareli’nde doğdu. İlk, Orta ve Lise öğrenimini Malkara/Tekirdağ’da tamamladı. 1998 yılında Trakya Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Bilgisayar Mühendisliği bölümünden mezun oldu. 1998 yılı Ekim ayında Trakya Üniversitesi
137
DİŞ KÖK KANAL TEDAVİSİNDE İRİGASYON SIVISININ AKIŞININ SAYISAL ANALİZİ Mehmet Gökhan Gökçen1, Ali Bahadır Olcay2, Özkan Adıgüzel3 Doğuş Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü Acıbadem İstanbul TÜRKİYE Tel: 216 544 55 55 GSM: 535 920 17 98 E-posta:
[email protected] 2 Doğuş Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü Acıbadem İstanbul TÜRKİYE Tel: 216 544 55 55 GSM: 541 378 13 71 98 E-posta:
[email protected] 3 Dicle Üniversitesi, Dişhekimliği Fakültesi, Endodonti Anabilim DalıDiyarbakır TÜRKİYE Tel: 412 248 81 01 GSM: 532 273 94 37 98 E-posta:
[email protected] 1
Özet
kanalının anatomisinin yanı sıra sıvının kanala gönderilme şekli, iğne ucunun kanal içindeki derinliği ve sıvı miktarına da bağlıdır. Ancak diş hekimlerinin dikkat etmesi gereken diğer bir nokta ise oluşabilecek aşırı basıncın, diş kökünün çene kemiğine bağlandığı, apeks adı verilen bölgeden sızarak çene kemiğindeki dokuya zarar vermesi ve hastada uzun sürebilecek ağrılara sebep olmasıdır.
Bu çalışmada, diş hekimlerince oldukça sık karşılaşılan kök kanal tedavisi esnasında kanal içinin anti-bakteriyel bir sıvı ile temizlenmesi yöntemi mühendislik problemi olarak incelenmiştir. Kanal tedavisinin hekimden hekime ve hastanın ağzındaki bir dişten diğer dişe göre farklılık gösterebilmesi tedavinin verimliliğini etkilemektedir. Tedavi esnasında kullanılan temizleyici sıvının ne kadar etkin bir şekilde çalıştığı, oluşturulan hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) modeliyle incelenmiştir.
İrigasyon işlemi 2000’li yıllara kadar basit bir işlem olarak ele alınmaktaydı ve detaylı inceleme gereği duyulmamaktaydı. Ancak Boutsioukis ve ekibi tarafından oluşturulan deneysel düzeneği ile yeni çekilmiş bir diş üzerinde laboratuar ortamında farklı dişhekimlerinin uygulamaları esnasında makroskopik ölçümler yapılarak akış ve basınçta farklılıklar gösterdiğini ve bunun irigasyon işleminin verimliliğini etkileyebileceğini tespit edilmiştir [1] . Benzer şekilde Hockett ve ekibinin çalışmalarında, laboratuar ortamında irigasyon işleminin sonrasında bakteri oluşumları izlenerek temizleme işleminin verimliliği ile bağıntı kurulmaya çalışılmıştır [2].
Kök kanal tedavisinde iltihaplı diş kökündeki kanal içinde bulunan sinir alındıktan sonra, mekanik bir temizlemenin yapılması gerekir. Bu temizleme ile birliktekanalın içinde kalan sinir parçaları, bakteri, enfekte doku gibi organik artıkların kimyasal bir sıvı kullanılarak temizlenmesi gerekmektedir. İçinde düşük miktarda çamaşır suyu da bulunduran kimyasal sıvı kullanılarak yapılan temizlik, kök kanal tedavisinin başarısını etkilemektedir. Temizleme esnasında bu kanallarda kalabilecek maddeler daha sonrasında diş kökünde iltihaplanmaya ve sonrasında ise bu tedavinin tekrar yapılmasına sebep olabilmektedir.
İrigasyon işleminin makroskopik parametrelerinin yanı sıra daha detaylı incelenebilmesi için Boutsioukis ve ekibi hesaplamalı akışkanlar dinamiği tekniklerini kanal irigasyon işlemine uygulamak üzere diş kanal geometrisi ve apeks bölgesini basitleştirerek kesik koni şeklinde modellemiştir [3]. Elde edilen sonlu elemanlar analizin sonuçları tartışılmış ve irigasyon sıvısının hızının ve iğne ucunun derinliğinin etkinliğe etkisi olduğu sayısallaştırılmadan tespit edilmiştir.
Diş kökü kanalı konik olarak modellenmiş, gerçek irigasyon iğnesi boyutlandırılarak katı modeli oluşturulmuştur. Laminer ve türbülanslı akış sağlayan enjeksiyon hızları ve farklı iğne açıları için akış analizi yapılmıştır. Apeks bölgesindeki hız dağılımına bakılarak karışım oranı, apekste oluşan azami basınç ve duvar kesme gerilmeleri hesaplanarak yüzey temizlemesi incelenmiştir.
Gao ve ekibi laboratuar ortamında şeffaf plastik blok içine apeks bölgesini dikkate almadan oluşturdukları kanal içine saf su enjekte ederek hareketsiz kalan sıvı bölgelerini video görüntülerinden tespit etmişlerdir [4]. Kullanılan iğne ve modelin katı modelinden yararlanarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği tekniklerini kullanarak hareketsiz kalan sıvı bölgelerini video görüntüleri ile karşılaştırmışlardır.
Anahtar sözcükler: Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği, kanal tedavisi, irigasyon
1. GİRİŞ Diş kök kanal tedavisinin en önemli kısmı mekanik olarak hazırlanmış kanalın (NaOCl ve benzeri) antibakteriyel solüsyonlar ile temizlenme işlemidir. Bu temizleme işlemine irigasyon ismi verilmektedir. Özellikle mekanik hazırlama esnasında ulaşılamayan derin bölgelerin temizlenmesi için zorunlu bir işlemdir. İrigasyon sıvısının temizleme etkisi kimyasal özelliklerinden daha çok sıvının kanalın bütün yüzeyine erişebilmesi ve buraları tamamen “yıkayabilmesi”ne bağlıdır. İrigasyon sıvısının etkinliği diş
Basitleştirilmiş kesik koni kanal modelleri üzerindeki çalışmalarda irigasyon işleminin verimliliğine farklı iğne tasarımlarının etkisi Shen ve ekibi ile Boutsioukis ve ekibi tarafından bakılmıştır [5], [6]. Diğer taraftan iğnelerin kanal içindeki konumlarının etkisi ve kanal geometrisindeki değişikliklerin etkisi Boutsioukis ve ekibi tarafından sayısallaştırılmadan araştırılmıştır [7], [8], [9], [10]. İğnenin açısının irigasyona olan etkisi şimdiye kadar 139
araştırılmamıştır. Bu çalışmanın amacı iğne açısının kesik koni ile modellenmiş diş kanalı içindeki irigasyon sıvısı akışının HAD ile analizidir. Ayrıca apeks bölgesindeki karışım mekanizması ve diğer parametrelerin kanal tedavisine etkisi incelenmiştir.
Tablo 1: İncelenen farklı durumların özeti Hacimsel Hız(mL/s)
Reynolds Sayısı
Akış Hızı (m/s)
Açı (α)
Akış Tipi
2. YÖNTEM
0.26
1678
8.62
0.0°
Laminer
Diş kök kanalı ve apeks bölgesi şekil 1’de gösterildiği üzere kesik koniler ile modellenmiştir. Kanal tedavisinde yaygın olarak kullanılan 30G tipi yandan açık iğne kullanılmıştır. İğne açısı iğne ekseni ile kanal ekseni arasındaki açıdır. 0.0, 2.5 ve 5.0 derecedir. İğne açısının etkisini incelemek için geniş bir diş kanalı tercih edilmiştir.
0.26
1678
8.62
2.5°
Laminer
0.26
1678
8.62
5.0°
Laminer
0.78
5034
25.86
0.0°
Türbülanslı
0.78
5034
25.86
2.5°
Türbülanslı
0.78
5034
25.86
5.0°
Türbülanslı
Tipik bir şırınga enjeksiyonu işlemindeki akışın simülasyonunu yapmak için 2 mL hacminde akışkan iğnenin giriş kısmından 0.26 mL/s ve 0.78 mL/s hacimsel debi ile gönderildi. Laminer ve türbülanslı akış durumlarını incelemek için bu debiler klinik uygulamalarda kullanılan debiler arasından seçildi. Tablo 1 çalışılan durumları özetlemektedir. Türbülanslı akış analizi [4]’te belirtildiği gibi k-ω modeli kullanılarak yapılmıştır.
İğne girişine sabit bir hız profili uygulanmış, kanal çıkışı ise ortam basıncına maruz bırakılmıştır. Viskozitenin etkisini dikkate almak için iğne ve kanal duvarlarında kaymaya izin verilmemiştir. Yerçekimi ivmesi akış ile aynı yönde alınmıştır. Üç boyutlu, zamana bağlı ve sıkıştırılamaz akış, Navier Stokes denklemleri ile modellenmiştir.
Şekil1. Diş kanal modeli
Reynolds sayısı akışların karakteristiğini belirtmek için kullanılan boyutsuz bir sayıdır. [11]’de belirtildiği gibi düşük Reynolds sayısı laminer akışlara tekabül ederken yüksek Reynolds sayısı türbülanslı akışları karakterize eder. Bu çalışmada ise iğne Reynolds sayısı, Re = (ρVD)/(μ)
Denklemler sonlu hacim yaklaşımı ve sabit zaman aralığı ile çözülmüştür. Denklemlerin sonlu elemanlı yaklaşımı ikinci derece hassaslıkta olup, basınç-hız denklemleri için SIMPLE algoritması kullanılmıştır. Sayısal benzetimler ticari bir yazılım1 kullanılarak analiz için ayrılmış iş istasyonunda koşturulmuştur.
(1)
olarak tanımlanmış olup ρ akışkanın yoğunluğunu, μ akışkanın dinamik viskozitesini, V akışkanın iğne içindeki ortalama hızını, D ise iğnenin çapını göstermektedir. Çalışmada kullanılan irigasyon sıvısı için saf su özellikleri kullanılmıştır. Bu yüzden yoğunluğu 998.2 kg/m3, dinamik viskozitesi 0.001003 kg/m*s, iğne iç çapı 0.196 mm olarak alınmıştır.
Yeterli eleman sayısını bulmak için yakınsama testleri yapılmış. Yüksek hız gradyanlarının beklendiği duvar kenarlarında ve akışın iğneden çıktığı bölgede daha fazla eleman yerleştirilmiştir. Tüm model 3.492 milyon tetrahedral elemandan oluşmaktadır.
3. SONUÇLAR Şekil 2’de y-z ekseninde laminer ve türbülanslı akışlar için 1 140
ANSYS Fluent v13
farklı iğne açıları (0.0°, 2.5° ve 5.0°) için hız büyüklükleri gösterilmektedir. Laminer akışlarda iğne açısının artmasıyla beraber irigasyon sıvısının apeks bölgesine doğru daha fazla ilerlediği görülmektedir. Böylece durgun sıvı miktarı azalmaktadır. Benzer bir şekilde türbülanslı akışlarda da iğne açısının irigasyona katkısı olumludur.
fazla basınç oluşur. Dolayısıyla türbülanslı akışlarda apeks bölgesinde daha fazla basınç oluşmasını beklenir. Şekil 3’te apekste oluşan toplam basınç gösterilmiştir. Laminer akışlarda apeks basıncı düşük kalırken, Türbülanslı akışlarda apeks basıncı çok yüksek ve tehlikeli düzeylere çıkabilmektedir. Türbülanslı akışlar için en düşük basınç 0.0° iğne açısı için bile laminer akışta gözlemlenen değerlerin yaklaşık onbeş
Türbülanslı akışlarda aynı geometri için genellikle daha
Şekil 2. Hız büyüklüğü (m/s) dağılım grafikleri: (a) laminer α = 0.0°, (b) laminer α = 2.5°, (c) laminer α = 5.0°, (d) türbülanslı α = 0.0°, (e) türbülanslı α = 2.5°, (f) türbülanslı α = 5.0°.
katı düzeyindedir. Laminer durumlar için hesaplanan basınç değerleri literatür ile uyumludur [6], [8].
gözlemlenmektedir.
4. TARTIŞMA VE SONUÇ
Duvar kesme gerilimi, τw, bir yüzeyde hız gradyanı oluştuğunda gelişir. ,τw, duvar yüzeyine paralel kuvvet ile ilişkilidir ve aşağıdaki denklem ile ifade edilir:
Birçok makale irigasyon etkinliğine etki eden fiziksel faktörleri incelemiştir; bunlar diş kökünün anatomisi, boyu, hacmi, irigasyon sıvısının basıncı ve hızı, irigasyon iğnesinin tipi, tasarımı, çapı ve iğnenin kanal içindeki konumudur [1], [4], [12], [13], [14], [15], [16]. Bu çalışmada hesaplamalı akışkanlar dinamiği kullanılarak in vitro irigasyon uygulaması modelinin geometri ve fiziksel karakteristikleri dikkate alınarak hazırlanan üç boyutlu sayısal modelinin analizi yapılmıştır.
μ dinamik viskoziteyi, V akış hızını ve n normal yöndeki koordinatı göstermektedir.
Önceki çalışmalarda iğne açısının irigasyona etkisi araştırılmamıştır. Bu çalışmada farklı iğne açılarının irigasyonun verimliliğine etkisi incelenmiştir. İğne açısı 0.0 dereceden 2.5 ve 5.0 dereceye değiştiğinde beklendiği gibi iğneden çıkan irigasyon sıvısı kök kanalına apekse daha yakın bir yerden çarpıp apekse doğru yönelmiş ve durgun sıvının kaplandığı bölgeyi azaltmıştır. Özellikle 0.26 mL/s kullanılıp iğneye 5.0 derecelik açı verildiğinde irigasyon sıvısı apeks bölgesine kadar inebilmiştir. Diğer taraftan akış debisi 0.78
Oluşan duvar kesme gerilimi diş kökü kanalının temizlenmesi ile doğrudan ilişkilendirilebilir. Şekil 4 diş kök kanalı duvarı boyunca duvar kesme gerilmesi dağılımını 0 ve 100 Pa aralığı için göstermektedir. Laminer ve türbülanslı akışlarda hız dağılımında çıkan sonuçlara paralel sonuçlar elde edilmiştir. Türbülanslı akışlarda duvardaki temizlik laminer akışlara göre daha iyidir. Laminer akışlarda iğne eğimi arttıkça duvar temizliği artmaktadır. Türbülanslı akışlar arasında en iyi duvar temizliği 2.5°’lik iğne açısının olduğu durumda 141
mL/s’ye çıkarılınca iğne çıkışı ile apeks bölgesindeki sıvının hızı artmış olup irigasyon işleminin etkinliğini arttırmış gibi gözükse de beraberinde kanala son derece yüksek basınçlar getirmiştir. İrigasyon sıvısının içinde az miktarda temizlik etkisinden dolayı çamaşır suyu kullanıldığı bilindiğinden dolayı bu yüksek basınç dişhekimleri açısından endişe yaratmaktadır. 0.26 mL/s (laminer akış) kullanılıp iğne açısı değiştiğinde apeks bölgesinde herhangi bir basınç artışı gözlemlenmez iken akış debisinin 0.78 mL/s olması durumunda iğne açısı 0.0 derecede kalsa bile basınç 20 kattan fazla artmış olabilmektedir. Hatta tedavi esnasında 0.78 mL/s kullanılırken iğne açısı değiştirildiğinde hali hazırda yüksek olan basınç 4-5 kat daha fazla artarak apeks bölgesini oldukça narin yapabilmektedir.
Toplam Basınç Pa
Şekil 3. Apeks bölgesinde oluşan toplam basınç
Şekil 4. Duvar kesme gerilimi: (0-100 Pa) (a) laminer α = 0.0°, (b) laminer α = 2.5°, (c) laminer α = 5.0°, (d) türbülanslı α = 0.0°, (e) türbülanslı α = 2.5°, (f) türbülanslı α = 5.0°.
142
Duvar kesme gerilimlerinin kök kanalında birikebilecek veya kalabilecek doku artıkları veya bakterilerin temizlenmesinde etkisi olabileceği düşünüldüğünden dolayı hem laminer hem de türbülanslı akışlar için iğne açısının farklı olduğu durumlarda büyüklüğüne bakılmıştır. Duvar kesme gerilmesi hız gradyanı ile doğru orantılı olduğundan dolayı hız gradyanının yüksek olduğu yerlerde duvar kesme gerilmesi de yüksek görülecektir. Bu çalışmada laminer akışta iğne açısı arttıkça kayma gerilmesinde bir artış gözlemlense de türbülanslı akışta en yüksek duvar kayma gerilmesi iğne açısı 2.5 derece olduğunda elde edilmiştir. Bunun nedeni iğneden çıkan irigasyon sıvısının kök kanalına daha dik açıyla çarpıp daha fazla hız gradyanına neden olması olabilir. Dişhekimlerince yapılan kök kanal tedavisi uygulaması esnasında farkedilmesi bile oldukça zor olabilecek bu kadar küçük açı farklılıklarında dahi kök kanalının apeks bölgesine bağlandığı yerdeki akış dinamiğinin ciddi anlamda değişebildiği gözlemlenmiştir. İğne açısının artması da irigasyon sıvısının kök kanal tedavisinin etkinliğini her zaman arttırmayacağı da anlaşılırken irigasyon sıvısının iğneden çıkış açısı ile kök kanal duvarına çarptığı yer bu bölgedeki akış dinamiğini doğrudan etkileyebilmektedir. Sonuç olarak her hastanın diş kök kanalının farklı geometriye sahip olduğu düşünüldüğünde dişhekimi tarafından da hep aynı şekilde püskürtülen irigasyon sıvısı her bir hasta için kök kanal tedavisinin farklı şekilde sonuçlanmasına neden olacaktır. Bu yüzden iğne çıkışında irigasyon sıvısının izlediği yol ve bu bölgedeki hızda oluşabilecek dalgalanmalar hem durgun sıvı bölgesinin büyüklüğünü değiştirebilecek hem de bu bölgede karışımın meydana gelmesini sağlayabilecektir.
5. KAYNAKÇA [1] C Boutsioukis, T Lambrianis, E Kastrinakis ve P Bekiaroglou, “Measurement of Pressure and Flow Rates During Irrigation of a Root Canal Ex Vivo with hree Endodontic Needles”, International Endodontic Journal, 40, New Jersey 2007, 504-513. [2] LT Hockett, JK Dommisch, JD Johnson ve N Cohenca, “Antimicrobial Efficacy of Two Irrigation Techniques in Tapered and Nontapered Canal Preparations: An In Vitro Study”, Journal of Endodontics, 34, New York 2008, 13741377. [3] C Boutsioukis, T Lambrianis ve E Kastrinakis, “Irrigant Flow within a Prepared Root Canal using Various Flow Rates: A Computational Fluid Dynamics Study”, International Endodontic Journal, 42, New Jersey 2009, 144-155. [4] Y Gao, M Haapasalo, Y Shen, H Wu, B Li, ND Ruse, ve X Zhou, “Development and Validation of a Threedimensional Computational Fluid Dynamics Model of Root Canal Irrigation”, Journal of Endodontics, 35, New York 2009, 1282-1287. [5] Y Shen, Y Gao, W Qian, ND Ruse, X Zhou, H Wu ve M Haapasalo, “Three-dimensional Numeric Simulation of Root Canal Irrigant Flow with Different Irrigation Needles”, Journal of Endodontics, 36, New York 2010, 884-889. [6] C Boutsioukis, B Verhaagen, M Versluis, E Kastrinakis, PR Wesselink ve LWM van der Sluis, “Evaluation of Irrigant
Flow in the Root Canal Using Different Needle Types by an Unsteady Computational Fluid Dynamics Model”, Journal of Endodontics, 36, New York 2010, 875-879. [7] C Boutsioukis, C Gogos, B Verhaagen, M Versluis, E Kastrinakis ve LWM van der Sluis, “The Effect of Root Canal Taper on the Irrigant Flow Evaluation using an Unsteady Computational Fluid Dynamics Model”, International Endodontic Journal, 43, New Jersey 2010, 909-916. [8] C Boutsioukis, T Lambrianis, B Verhaagen, M Versluis, E Kastrinakis, PR Wesselink ve LWM van der Sluis, “The Effect of Needle-insertion Depth on the Irrigant Flow in the Root Canal Evaluation Using an Unsteady Computational Fluid Dynamics Model”, Journal of Endodontics, 36, New York 2010, 1664-1668. [9] C Boutsioukis, C Gogos, B Verhaagen, M Versluis, E Kastrinakis ve LWM van der Sluis, “The Effect of Apical Preparation Size on Irrigant Flow in Root Canals Evaluated using an Unsteady Computational Fluid Dynamics Model”, International Endodontic Journal, 43, New Jersey 2010, 874-881. [10] C Boutsioukis, C Gogos, B Verhaagen, M Versluis, E Kastrinakis ve LWM van der Sluis, “The effect of root canal taper on the irrigant flow evaluation using an unsteady Computational Fluid Dynamics model”, International Endodontic Journal, 43, New Jersey 2010, 909-916. [11] K Gulabivala, Y-L Ng, M Gilbertson ve I Eames, “The fluid mechanics of root canal irrigation”, Physiological Measurements, 31, Bristol 2010, R49–R84. [12] A Khademi, M Yazdizadeh, M Feizianfard, “Determination of the minimum instrumentation size for penetration of irrigants to the apical third of root canal systems”, Journal of Endodontics, 32, New York 2006, 417– 20. [13] TS Vinothkumar, S Kavitha, L Lakshminarayanan, et al, “Influence of irrigating needle-tip designs in removing bacteria inoculated into instrumented root canals measured using single-tube luminometer”, Journal of Endodontics, 33, New York 2007, 746–8. [14] KW Falk, CM Sedgley, “The influence of preparation size on the mechanical efficacy of root canal irrigation in vitro”, Journal of Endodontics, 31, New York 2005,742–5. [15] N Usman, JC Baumgartner, JG Marshall, “Influence of instrument size on root canal debridement”, Journal of Endodontics, 30, New York 2004,110–2. [16] D Nguy, C Sedgley, “The influence of canal curvature on the mechanical efficacy of root canal irrigation in vitro using real-time imaging of bioluminescent bacteria”, Journal of Endodontics, 32, New York 2006, 1077–80.
143
ÖZGEÇMİŞ
geliştirme mühendisi olarak çalışmıştır. 2010 Eylül ayında Doğuş Üniversitesi’ne katılan Dr. Olcay’ın yüksek lisans çalışması bilgisayar hard disk sistemlerinin modellenerek ısı taşınım katsayılarının iyileştirilmesiyle ilgiliyken doktora çalışması ise denizanası, kalamar ve mürekkep balığı gibi canlıların hareketleri için kullandıkları düzensiz jetlerin anlaşılması ve bunların uygulamaları üzerinedir. Dr. Olcay’ın üzerinde çalıştığı projeler kalp kapakçık kusurlarının hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) ile modellenmesi (Dr. Yalçın ile birlikte) ve diş kanal tedavilerinin etkinliğini arttırmak için diş kanallarının HAD ile modellenmesi (Dr. Gökçen ile birlikte) olarak özetlenebilir.
Doğuş Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü öğretim üyelerinden Dr. M. Gökhan Gökçen, Boğaziçi Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü’nden 1996 yılında mezun olduktan sonra, yüksek lisans ve doktora çalışmalarını yine Boğaziçi Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü’nde yapmıştır. Yüksek lisans çalışması tabakalı kompozit malzemelerin kırılma mekaniği analizinin sonlu elemanlar yöntemi yapılmasıdır. Doktora çalışması ise özellikle uçak yapılarında tekrar eden yükler altında ilerleyen yorulma çatlağının kapanması ile ilgilidir. Dr. Gökçen yüksek Lisans ve doktora esnasında Boğaziçi Üniversitesi Makine Mühendisliği lisans ve lisans üstü laboratuarlarının kurulması ve geliştirilmesinde etkin olarak yer almıştır. 2009 ekim ayında Doğuş Üniversitesi’nin yeni açılan Makine Mühendisliği bölümüne katılarak laboratuarların kurulması çalışmalarına başlamıştır. Dr. Gökçen’in çalışma konusu diş kanal tedavilerinin etkinliğini arttırmak için diş kanallarının HAD ile modellenmesi (Dr. Olcay ile birlikte) olarak özetlenebilir.
Dicle Üniversitesi, Dişhekimliği Fakültesi, Endodonti Anabilim Dalı öğretim üyelerinden olan Yrd. Doç. Dr. Özkan Adıgüzel, 1999 yılında Dicle Üniversitesi, Dişhekimliği Fakültesinden lisans ve yine aynı fakültenin Endodonti bölümünden 2004 yılında doktora derecesini almıştır. Doktora çalışması dişlerin beyazlatılması üzerinedir. 2006 yılında Yrd. Doç. Dr. ünvanını almıştır. 2008 yılında Dicle Üniversitesi bilimsel araştırma projeleri koordinasyon ofisine BAP koordinatör yardımcısı ve 2010 yılında dişhekimliği fakültesine dekan yardımcısı olarak atanmış olup halen aynı görevleri yürütmektedir. Dr. Adıgüzel’in üzerinde çalıştığı projeler (Dr. Gökçen ve Dr. Olcay ile birlikte) diş kök kanal tedavilerinde kullanılan irrigasyon ajanlarının hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) ile modellenmesi ve dişhekimliğinde kullanılan restorasyon maddelerinin çiğneme kuvvetleri altındaki kuvvet dağılımlarının sonlu elemanlar analizi kullanılarak hesaplanması olarak özetlenebilir.
Doğuş Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü öğretim üyelerinden Yrd. Doç Dr. A. Bahadır Olcay, 1999 yılında ODTÜ Makine Mühendisliği Bölümü’nden lisans derecesini, 2001 yılında ABD’de bulunan Southern Illiniois Üniversitesi’nden yüksek lisans derecesini ve 2007 yılında da Southern Methodist Üniversitesinden doktora derecesini almıştır. 2007-2009 yılları arası Wisconsin Üniversitesi’nde yardımcı doçent olarak çalışan Dr. Olcay, 2008-2009 arasında da Fortune 500 şirketlerinden olan The Shaw Group’un FEA/CFD proje danışmanlığını yapmıştır. 2010 yılı başı itibariyle Türkiye’ye dönen Dr. Olcay, 2010’un Eylül ayına kadar TÜBİTAK Teknoloji Geliştirme Bölgesinde araştırma
144
GETEK giris:AYDIN_ACEMI.qxp 14.10.2011 14:27 Page 15
VII. OTURUM OTURUM BAŞKANI: Orhan Tevfik OKUDUCU > Sempozyum Düzenleme Kurulu Üyesi GELECEĞİN MALZEMELERİNDEN BİRİ: BİYOMALZEMELER . . . . . . . . . . . . . . . . .147 Ayşegül AKDOĞAN EKER (Yıldız Teknik Üniversitesi) TARIMDA GELECEĞİN TEKNOLOJİLERİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151 Mehmet Cumhur EROĞLU (Bozok Üniversitesi) Tanzer ERYILMAZ (Bozok Üniversitesi) Tamer UÇAR (Bozok Üniversitesi) TARIMDA KULLANILAN SENSÖR TEKNOLOJİLERİNİN GELECEĞİ . . . . . . . . . . . . . .161 Uğur YEGÜL (Ankara Üniversitesi) Ufuk TÜRKER (Ankara Üniversitesi) GELECEĞİN KONUTUNDA YENİ TEKNOLOJİLER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .167 Seza FİLİZ (Gediz Üniversitesi) Selim SOLMAZ (Gediz Üniversitesi)
15
GELECEĞİN MALZEMELERİNDEN BİRİ: BİYOMALZEMELER Ayşegül Akdoğan Yıldız Teknik Üniversitesi, Makine Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü E-Posta:
[email protected] olarak kullanılarak büyük katkı yapmıştır. Özde bakıldığında bu malzemeler, canlı dokuların işlevlerini yerine getirmek ya da desteklemek için kullanılan doğal yapıda yada sentetik özelliklerde malzemelerdir. Bu malzemelerin başarısı biyouyumlulukla açıklanabilmektedir.
Özet Malzeme bilimindeki akıl almaz gelişim son yıllarda biyomalzemelerin üzerinde yoğunlaşmaktadır. Özellikle bu tip malzemeler doğal olabildiği gibi yapay yolla da elde edilebilen malzemelerdir. Her malzemede olduğu gibi bu tip malzemelerde de biyouyumluluk, toksik ve kanserojen olmaması, kimyasal inert ve kararlı olmaması, uygun mekanik dayanıklılık, uygun yorulma ömrü, uygun ağırlık ve yoğunluk, ucuzluk, tekrar kullanılabilirlik, geniş ölçekli fabrikasyon ve işlemeye uygun olması aranılan özellikler içinde yer almaktadır. Bu tip malzemeler her sektörde artık öncelikle kullanım alanı olma eğilimi göstermektedir.
Malzeme ve vücut sıvılarının kimyasal etkileşimi ve bu etkileşimin fizyolojik sonuçlarının vücuda ne kadar zarar verip vermediği biyouyumluluk içinde tanımlanmaktadır. Bir malzemenin biyouyumlu olması için bulunduğu canlıdaki fizyolojik ortam tarafından kabul edilmesi gerekir. Bu yaklaşımlara rağmen biyouyumluluğun çok kesin bir tanımı yoktur. Çünkü kullanılan malzemenin vücudun neresinde ve ne amaçla kullanılacağı bu tanımı belirler. Direkt kanla temas edecek malzemeyle, direkt kemikle temas edecek malzemenin biyouyumluluk tanımları birbirinden çok farklıdır.
Bilindiği gibi insan yaşantısında önemli olan hususlardan ikisi sağlık ve beslenmedir. Sağlık alanında özellikle biyolojik ortamda çalışmayan dokuları, hasar görmüş organları tedavi etmek ya da onlara destek vermek amacıyla vücuda giren malzemelerin hepsine biyomalzeme adı altında toplanmaktadır.
Aslında temeline bakıldığında biyomalzemeler, yaşayan sistemlerin içerisinde veya onlarla ilişkide olan sistematik ve farmakolojik olarak reaksiyona girmeyen malzemelerdir. Bazı araştırmacılar, biyouyumluluk terimini biraz genişleterek, biyomalzemenin yapısal ve yüzey uyumluluğunu ayrı ayrı tanımlamışlardır. Yüzey uyumluluğu, bir biyomalzemenin vücut dokularına fiziksel, kimyasal ve biyolojik olarak uygun olmasıdır. Yapısal uyumluluk ise, malzemenin vücut dokularının mekanik davranışına sağladığı optimum uyumdur.
Aynı şekilde beslenme alanında özellikle ambalaj sektöründe çevre kirliliğine neden olmayacak ve gıda maddelerinin fiziksel, kimyasal ve duyusal özelliklerine katkıda bulunacak alternatif ambalaj malzemelerinin biyomalzemelerden oluşturulması çabaları giderek artmaktadır. Hal böyle iken geleceğin malzemeleri arasında yer alan biyomalzemelerin gerek oluşumu gerekse kullanımı konusunda bilgilenmenin oluşturulacak tasarımlarda büyük katkısı düşünülebilir. Bu hangi sektör olursa olsun mutlaka biyo kaynaklı malzemelere olabildiğince yer verilmesi daha doğal tasarımların oluşmasına neden olabilecektir. Bu bildiride günümüzde biyomalzemelerin temel özellikleri kullanım alanları ve gelecekte beklenilen boyutları her yönü ile açıklanmıştır.
Diğer uygulamalarda olduğu gibi biyomalzemelerin kullanımında da malzemeler den bazıları biyolojik yapı ile uyumu en üst noktada olabilmektedir. Bu tip uygulamalr içinde yer alan klasik malzemeler metaller, seramikler, polimerler ve kompozit malzemelerdir. Yine bu malzemelere örnek olarak alüminyum oksit, biyoaktif cam, karbon ve hidroksiapatit (HA) biyouyumlu seramik malzemelere örnek olarak verilebilir.
Anahtar Kelimeler: malzeme, biyomalzeme
Biyomalzeme olarak kullanılan metaller ve alaşımlar ise genelde altın, tantal, paslanmaz çelik ve titanyum alaşımlarıdır. Bunun yanında polietilen (PE), poliüretan (PU), politetrafloroetilen (PTFE), poliasetal (PA), polimetilmetakrilat (PMMA), polietilenteraftalat (PET), silikon kauçuk (SR), polisülfon (PS), polilaktik asit (PLA) ve poliglikolik asit (PGA) gibi çok say›da polimerlere tıbbi uygulamalarda rastlanmaktadır.
1. GİRİŞ Çeşitli amaçlarla daha önceleri farklı bir yapı içinde kullanılan ancak güncel gereksinmeler karşısında değişik formlarda karşımıza çıkan malzemeler günümüzde malzeme biliminin çok işlevli boyutunu göstermesi açısından önemlidir. Bu önem özellikle bu malzemelerden biri olan biyomalzemelerin canlı dokuları ile birlikte kullanılması ile daha da artmaktadır. Aslında biyomalzemelere yıllar öncesinde de rastlanmış olması insanın nereden nereye geldiğinin bir kanıtıdır.
Genelde bakıldığında biyomalzemelerin sağlık alanında uygulamaları şu şekilde sıralanabilir. 1. Hastalıklı veya hasar görmüş kısımların yerine (diyaliz, protezler) 2. İyileşmeye yardımcı olmak (ameliyat ipliği (kat-küt,
Önceleri doğal olan gereksinmelerini karşılamaya yönelik araç ve gereç yapımında kullanılan malzemeler daha sonraları insan vücudunun canlılığının devamı için bir eklenti parçası 147
Fonksiyonel performans örneğin diz protezi uygulamasında yükün transferi ve basıncın dağılımı yanında hareketin hızı dikkate alınmalıdır (Şekil 2).
vidalar teller) 3. Fonksiyonelliği artırmak (lens kalp pili işitme cihazı) 4. Kozmetik problemleri düzeltmek (diş teli, deri implantasyonu, silikon) 5. Tedaviye yardımcı olmak (katater,direnaj) 6. Teşhise yardımcı olmak (biyoalgılayıcılar, endoskopi,enjektör) 7. Fonksiyon bozukluklarını düzeltmek(omuga fixatörleri) Bu malzemelerin yapılarına bakıldığında da aslında biyo malzemelerin; 1.Metalik özelliklerdeki biyomalzemeler, 2.Polimer yapılı biyomalzemeler, 3.Seramik yapılı biyomalzemeler, 4.Kompozit yapılı biyomalzemeler
Şekil 2 Diz protezlerinde kullanılan biyomalzemeye etki eden parametreler
şeklinde gruplandırılabilirler.
Bir başka fonksiyonel performans yapay kalp uygulamasında kullanılan biyomalzemelerde aranmaktadır.Burada aranılan kan akışın kontrol edilmesi yanında tüm boşlukların dolu olması gerekir(Şekil 3)
Şüphesiz bu gruplama dışında yer alan bazı biyo malzemeler olsa da bunlar genelde yukarıda sayılan malzeme grupları arasında sayılabilmektedir. Bazı uygulamalarda ise malzemenin elde edildiği kaynak esas alınarak biyomalzemeler adlandırılabilmektedir. Özellikle son yıllarda bu konu ciddi olarak ele alınıp tarımsal ürünlerden yapılmış gerçek anlamdaki biyo malzemeler hemen her sektörde kullanıldığı gibi sağlık alanında da kullanılmaya başlanması sevindiricidir.
2. BİYOMALZEMELERİN SEÇİM KRİTERLERİ Uygulamada diğer malzemelerde olduğu gibi biyomalzemelerin seçiminde bilimsel kurallar yanında pratik uygulamalardan elde edilen deneyimlerden yararlanıldığı bilinmektedir. Ancak bu uygulamalarda tam olarak kullanılacak yerin analizi doğru olarak yapılamadığından seçilen malzemenin uygulamasında bazı sorunlarla karşılaşılmaktadır. Bu sorunların kaçamak çözümüde biyouyumsuzluk olarak adlandırılmaktadır. Ancak doğru biomalzeme seçiminde iki yön söz konusur. İlki kullanılacak biyomalzeme diğeri de uygulanacak yerin istekleridir.
Şekil 3.yapay kalp uygulamasında kullanılan biyomalzeme
Bir başka uygulama olan kulak içine takılan protezlerde de görebiliyoruz.Burada istenilen husus uyarıları algılama,ışık ve ses transmisyonunu gerçekleştirmedir (Şekil 4)
Genelde buna dayanılarak biyomalzemelerin seçiminde iki unsur rol oynar. İlki fonksiyonel performansı diğeride biyouyumluluktur (Şekil 1)
Şekil 4. Kulak içi protez uygulamalarında kullanılan biyomalzeme
Bütün bunlar kullanılacak yerin istemlerine uygun biyomalzemenin kullanılmasını zorunlu hale getirmektedir. Öte yandan biyomalzeme ile kullanılacak organ yada yerin biyouyumuda son derece önemlidir.Burada
Şekil 1.Eklemlere yapılan protez uygulamasında biyomalzeme kullanımı 148
1.Malzemenin yapısı, 2.Statik ve dinamik basıncı, 3.Canlı yapı ile temas alanı, 4.Bulunduğu alandaki diğer organlara , etkileri önemlidir.Unutulmamasıı gereken bir diğer husus biyomalzemeninde bir takım fşiziksel ve kimyasal değişimlerden etkilenmesidir.Bunun sonunda, 1.Korozyon 2.Kimyasal çözülme, 3.Aşınma 4.Hacımsal genleşme vb, birçök oluşumla karşı karşıya kaldığıda bir gerçektir. Biyomalzeme seçiminde önemli olan korozyon konusudur. Oluşan korozyon ürünleri doku içerisine girerek hücrelere zarar vermektedir. İnsan vücudundaki akışkanlar; su, çözünmüş oksijen, protein, klorür ve hidroksit gibi çeşitli iyonlar içermektedir.
Şekil 5.Biyomalzemelerin kullanım yerleri
3. BAZI BİYOMALZEMELERİN GENEL ÖZELLİKLERİ İnsan vücudunun değişik bölgelerinde kullanılan değişik biyomalzemeler değişik kuvvet ve etkilere maruz kalmaktadır. Örneğin günlük aktiviteler sırasında kemiklere 4 MPa, tendonlara ise 40–80 MPa değerinde gerilmeler etki etmektedir. Metalik implantların dayanımı ve elastisite modülü, kemiğin dayanımından daha yüksektir Metalik biyomalzemelerin elastisite modülleri çok yüksek (316L paslanmaz çelikte 200 GPa, titanyumda 110 GPa ) seviyelerde iken, insan kemiğinde bu deger 10-15 GPa ’dır. Bu mekanik uyumsuzluk, implantların yapısal olarak insan kemiğinden daha sert olmasına sebep olmaktadır. Elastisite modülü, insan kemiğine daha yakın olan alaşımlar, daha az gerilme taşır. Metalik biyomalzemelerin rijitligi, elastisite modülleri ile ilgilidir. Paslanmaz çeliğin elastisite modülü titanyuma göre daha yüksek olduğu için, titanyuma göre daha yüksek rijitlige sahiptir. Dayanım ve elastisite açısından metalik biyomalzemeler içinde, özellikle titanyum alaşımlarının önemi büyüktür. Paslanmaz çelikler, daha az çekme dayanımı ve yorulma dayanımı gösterirler ama yüksek sünekliğe sahiptir. Saf titanyum, tantal ve niob düşük yorulma dayanımına ve kırılmada yüksek uzama değerine sahiptir. Zirkonya (ZrO2), kimyasal kararlılık, sertlik ve aşınma dayanımı açısından iyi bir performans göstermektedir. Yüksek çatlama ve bükülme dayanımına sahip olduğu için uyluk kemiği problemlerinde kullanılmaktadır.
Bu nedenle; insan vücudu, biyomalzeme olarak kullanılan metaller için oldukça korozif bir ortam denilmesi hata olmaz .İnsan vücudunda kullanılan metalik implantların yüzeylerinde oluşan pasif filmler, yüzeydeki oksitlenme reaksiyonlarını yavaşlatmakta, vücut sıvısı içinde metalin minimum düzeyde çözünmesini sağlamakta ve vücut içinde kullanım süresini de uzatmış olmaktadır . Vücuttaki metalik bir implantta korozyon oluşursa, metaldeki elektronların akısı, iyonların oluşumu, temasta oldukları doku ve hücrelerde zararlara sebep olmaktadır. Metalik biyomalzemeler için düşük çözünürlük ve yüksek termodinamik denge arzu edilmektedir. İnorganik korozyon reaksiyonları ile açığa çıkan metal iyonları, böbrek ve karaciğer gibi organlara taşınmakta ve orada toplanmaktadır. Bu da çeşitli hastalıklara sebep olmakta ve zehirlilik limitinde artışa yol açmaktadır. Organik reaksiyon proteinleri ile bir metalin teması, metali çevreleyen dokuda alerjik iltihaplı reaksiyonlara sebep olmaktadır. İltihaplı hücreler, hidrojen peroksit üretmekte ve hidroksil radikaller, metalik biyomalzemeyi çevreleyen dokuda ağır zararlara sebep olmaktadır. Onun için kullanılan biyomalzemenin dayanıklılık,kimyasal kararlılık,aşınma direnci vb bir takım özelliklere sahip olması gerekmektedir. Ayrıca, alerjik reaksiyonlara neden olmamaları, zehirli ürünler salgılamamaları, kolay şekillendirilebilir olmaları ve sterilizasyon işlemlerinde özelliklerini bozmamaları da büyük önem arz etmektedir
Kompozit malzemeler, yüksek dayanıma ve düşük elastisite modülüne sahiptirler.Bu nedenle özellikle ortopedik uygulamalar için öngörülmektedir. Ayrıca, kompozit malzemelerin bileşimi değiştirilerek,özel yapılı implantın vücuttaki kullanım alanlarına göre, mekanik ve fizyolojik şartlara uyum sağlamaları kolaylaştırılabilir.
Bütün bunlara dayanılarak genelleme yapıldığında biyomalzemelerin kullanım alanlarını Şekil 5 de olduğu gibi ifade etmek yanlış sayılmaz.
Polimerlerin ortopedik alanda mekanik dayanımları genelde zayıftır.Doku iskelesi yap›m›nda biyomalzeme olarak, biyobozunur polimerler ve biyoseramikler tercih edilmektedir.
149
4. SONUÇ
malzemeler,TÜBİTAK Bilim ve Teknik Dergisi Temmuz sayısı,Ankara [6]GÜVEN, Ş.Y.2010,Ortopedik Malzemelerin Biyouyumluklukları ve Mekanik Özelliklere Göre Seçimi,TİMAK 2.Ulusal Tasarım,İmalat ve Analiz Kongresi,Balıkesir [7]SAVINGY, P., GIROVD, E.,2002., Metallic Biomaterials, Kungl Tekniska Högskolan, 11-15, December .
Günümüzde hızla gelişen bir yapı içinde olan biyomalzemeler giderek önemi artmaktadır.Bunların bilinen malzeme kaynakları dışında özellikle biyo kaynaklı biyomalzemelrin özellikle çevresel uyum içinde olumlu sonuçlara neden olması yanında vucuda uyumdaki yüksek verimlilik nedeniyle ileri dönemde çok alanda yer bulacağı söylenebilir. Ayrıca bu tip malzemeler kullanılarak kendi kendini yenileyebilen canlı hücreler oluşumu da biyomalzemenin önemini arttıracaktır. Bu nedenle, doku yenilenmesi, biyoloji, genetik mühendisliği, hücre ve doku mühendisliği, görüntüleme teknikleri mikro-optik ve mikro-mekanik cerrahideki ilerlemelerin ışığında gerçekleşecektir.
ÖZGEÇMİŞ Prof. Dr. Ayşegül AKDOĞAN EKER 2000 yılında Yıldız Teknik Üniversitesinde Makine Malzemesi ve İmalat Teknolojisi Anabilim Dalında profesör ünvanını almıştır. Malzeme Bilimi, Malzeme Mühendisliği, Malzeme Bilimleri, Korozyon ve Korozyondan Koruma, Döküm Metalurjisi, Akıllı Malzemeler,Polimerler ve Polimer Teknolojisi uzmanlık alanlarında Lisans ve Lisans Üstü dersleri üniversitesinde vermesi yanında başta DPT ve Üniversite Araştırma fonu çerçevesinde birçok projede yürütücülük yapmıştır/yapmaktadır., Halihazırda yurt dışı ve yurt içinde konusu ilgili alanda birçok yayını bulunmaktadır.Yine yurt içi ve yurt dışında çeşitli konferanslara katılarak bilimsel çabasını devam ettirmektedir.Ayrıca MMO bünyesinde Akıllı Malzemeler ve Nanoteknoloji –Nanomalzemeler, Plastik malzemeler konusunda da seminerler vermektedir.Halen YTÜ Makine Fakültesi Makine Mühendisliği Bölüm Başkanlığı yanında YTÜ Üniversite Senatörü olarak görev yapmaktadır.
5. KAYNAKLAR [1] ANONYMOUS,2004,University of Aberden, Metallic Instrumentation, Biomaterials-From Concept to Clinic, [2] CORCES, A.,2004, Metallic alloys, Medicine Instant Access to the Minds of Medicine, Section 1 of 11, [3]COURTESY,,R.Zens.2008, Selection criteria Biomaterials, Biomaterials WS. [4] ÇAKIR, A.,1995,İnsan vücudunda kullanılan metalik implantların dünü ve bugünü, 8th International Metallurgy and Materials Congrees, [5]GÜMÜŞDERELİOĞLU,M.,2002,YeniUfuklara:Biyo
150
TARIMDA GELECEĞİN TEKNOLOJİLERİ M.Cumhur Eroğlu1 Tanzer Eryılmaz1 Tamer Uçar2
Bozok Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Biyosistem Mühendisliği Bölümü, Yozgat. Tel: 354 242 10 01 GSM: 505 652 27 17 E-posta:
[email protected] 1 Bozok Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Biyosistem Mühendisliği Bölümü, Yozgat. Tel: 354 242 10 01 GSM: 530 461 80 55 E-posta:
[email protected] 2 Bozok Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü, Yozgat. Tel: 354 242 10 01 GSM: 530 252 20 46 E-posta:
[email protected]
1
Özet
yeni arayış ve yaklaşımların gelişmesine neden olmuştur. Teknolojik gelişmelerin çok hızlı bir şekilde yaşandığı günümüzde yukarda sayılan faktörlerin de etkisi ile tarımsal açıdan büyük ilerlemeler kaydedilmiştir
İnsanlık tarihi boyunca insanlar, açlık problemini çeşitli şekillerde çözmeye çalışmışlar, bu konudaki en büyük ilerlemeyi ise tarımın keşfi ile sağlamışlardır. Ancak Günümüzde dünya nüfusu 6 milyarı aşmış durumdadır. Özellikle dünya nüfusunun gıda ihtiyacını karşılayabilmek için daha geniş anlamda uluslararası işbirliği, sürdürülebilir tarımsal kalkınma, çevreci yaklaşımlar, tarımsal üretimde ileri teknoloji kullanımı gibi konular üzerinde yoğun bir şekilde durulması gerekmektedir. Bu nedenle bilim adamları, açlıkla mücadele amacıyla tarımda yeni arayışlara yönelmişlerdir. Tarımsal üretimle ilgili bilim adamlarınca dile getirilen kavram; “Sürdürülebilir Tarım” olmuştur.
Gelecekte dünya ülkelerinin tarım yönünden zenginlikleri ve gelişmişlikleri, kendi kendine yeten ülkelerden biri olma kavramı, sadece ellerindeki büyükbaş ve küçükbaş hayvan sayıları yada ürettikleri buğday miktarına göre değil sahip oldukları genetik kodları, insan kaynakları ve doğal zenginliklerine ait envanterlerden oluşan veritabanları ve teknoloji kullanımları ile belirlenecektir. Günümüz dünyası; globalleşen dünya, global ekonomi, yeni ekonomi ve özellikle “Digital Divide” (sanal bölünme) gibi kavramlarla tanımlanmaktadır. Uluslararası Stratejik Araştırmalar Enstitüsü, CIA, Carniege, Rand, Uluslararası Barış Vakfı, diğer akademik düşünce merkezleri ve dev şirketlerce yapılan ciddi araştırmalar, “Global Trends 2015” başlığı altında toplanmaktadır. Bilim ve Teknoloji, Çevre ve Doğal Kaynaklar, Demoğrafik Yapı ve Global Ekonomi konularında orta vadeli görüş sistematiği çerçevesinde yeni bir düzen anlayışından bahsedilmektedir. Bugün olduğu gibi ülkeler, Gelişmiş, Gelişmekte olan yada Geri Kalmış Ülkeler şeklinde değil bilgi toplumu olma yolunda belirlenen eşiği geçenler (1. sınıf ülkeler) ve sınıfta kalanlar (2. sınıf ülkeler) şeklinde anılacaktır. 2. sınıfta olan ülkelerin ekonomide, sanayide, tarımda, ticarette, siyasette hiçbir şansı olmayacaktır [1].
Sürdürülebilir tarımın gereklerini yerine getirebilmek amacıyla son yıllarda tarım dışı alanlarda (sanayi, ulaştırma, haberleşme, tıp, enerji vb.) görülen bazı teknolojik gelişmelerden tarımsal üretimde de yararlanılması düşünülmüştür. Bu teknolojiler kişisel bilgisayarlarda işletim hızı, performans artışı ve boyutsal gelişim, uydular ile küresel konum (koordinat) belirleme sistemlerinin gelişimi, uydu ve hava fotoğrafları yardımı ile uzaktan algılama ve coğrafi bilgi sistemlerinin gelişimi, otokontrol ve robot teknolojilerinin gelişimi, yapay zekâ, uzman sistemler ve patern algılama çalışmalarındaki gelişmeler, uydu haberleşme sistemlerinin gelişimi, enerji verimliliği ve biyoyakıtlar gibi teknolojilerdir.
2. TARIMDA TARİHSEL GELİŞİM
Bu çalışmada adı geçen teknolojilerin tarımsal alanda uygulanmasına yönelik örnekler incelenmiş ve bu teknolojilerin kırsal alanda uygulanmasında Biyosistem Mühendisliğinin rolü ortaya konulmuştur. Anahtar Kelimeler: Mühendisliği
Tarım,
Teknoloji,
1900-1940 yılları arasında çiftçiler güç makinalarını (traktörler, drenaj pompaları, elektrik kümes ekipmanları, vb), yeni kimyasal uygulamaları (sentetik azot gübreler) ve bitkisel ve hayvansal ürünlerin her ikisine biyoloji biliminin yeni uygulamalarını (hibrit mısır, suni tohumlama, vb.) kullanmaya başladılar [2].
Biyosistem
1. GİRİŞ
1930’lardan itibaren, çiftçiler üretimi optimize etme ve tarımdan daha çok kazanç elde etme istekleri nedeniyle uygun teknolojik yeniliklerden yararlanmaya başladılar. Batı Avrupa ülkelerinde traktörün 1950’lerde yaygın kullanımı tarımsal üretimi optimize etmeye yardımcı olmuş fakat aynı zamanda bazı olumsuzlukları da beraberinde getirmiştir.
21. yüzyılda artan dünya nüfusu, iklimde meydana gelen değişmeler, işlenebilir tarım alanlarının daralması, tarımsal sulama suyu rezervlerinde azalma, biyolojik çeşitlerin birçoğunda meydana gelen kayıplar, kırsal alanda nüfusun azalması, çevre kirliliği gibi faktörler tarım alanında 151
Bunlar:
1990’lı yıllara kadar tarımsal üretimde kullanılan alet ve makinalar ve bunların güç kaynaklarına göre mekanizasyon teknolojileri temelde üç farklı yapı ile açıklanmakta idi;
(1) kırsal alanlardan kentsel alanlara işçilerin göçü (2) enerji kaynakları üzerinde tarım bağımlılığının artması (esas olarak fosil yakıtlar) olarak sıralanabilir [3].
1. İnsan gücü ve el aletlerinin kullanımı, 2. Hayvan gücü ve hayvanla çekilen bazı aletlerin kullanımı ve
Tarım 20. yüzyılın ikinci yarısında çok önemli ölçüde değişim göstermiştir. Yeşil devrim olarak adlandırılan bu devrim, bitki biyolojisini ve birçok önemli ürün elde edilen bitkilerin verimlerinde büyük artışlar gerçekleştirecek olan üretim için araçlar sağlayan organik kimyayı anlamaya yardımcı olmuştur. Bazı önemli ürünlerde hibritlerin geliştirilmesi tohum kullanımındaki alışkanlıkları da değiştirmiştir. [4] Tarihin büyük bölümünde, çiftçiler gelecek yıllarda kullanmak için bir hasattan tohumluk ayırırlardı. Tohum satıcılarından temin edilen Hibritler ve iyi kalite kullanıma hazır tohumluklar birçok gelişmiş ülkede bazı önemli ticari ürünler için bu uygulamayı da değiştirdi. Yeşil devrim buğday çeşitlerinin seleksiyon ile geliştirilmesi ve ürün veriminde artış sağlamasıyla 1960 yılında başladı. Bu çeşitler özellikle sulama ve gübrelemeye hassastı [5].
3. Traktör/motor gücü ve uygun makinaların kullanımı. Voss (1975)’a göre mekanizasyon sürecinde aşağıdaki 4 aşama bulunmaktadır; 1. Çok düşük sermaye yatırımları ile el aletlerinin kullanımı, 2. İnsan gücünün, özellikle birincil ve ikincil toprak işleme ve su pompalamada hayvan gücü ile ikamesi 3. Bazı üretim işlemlerinde mekanik güçten yararlanma süreci, 4.Üretim işlemlerinin tümünün tamamen mekanik güç (elektronik hariç) ile gerçekleştirilmesi. Ancak yukarıda sözü edilen mekanizasyon süreçlerinin hiç birisinde ürün ve toprak koşullarında tarla içi değişkenliğin dikkate alınmadığını görüyoruz. Günümüzde ise teknolojik gelişmelerin geldiği nokta önceleri bilinen fakat bir şey yapılamayan bu değişkenliğin ölçülebilmesine, analiz edilmesine ve buna uygun davranılabilmesine olanak vermektedir. Günümüzde özellikle sınırlı toprak kaynaklarına sahip çiftçilerin daha yüksek verim ve daha çok gelir kaygısı bu değişkenliği dikkate alarak üretim yapmalarına neden olmaktadır [7]
Mikroişlemciler ve diğer elektronik donanımlarda yaşanan gelişmeler üreticilerin bu hedeflerine erişebilmelerini olanaklı kılmaktadır. Bu yeni tarımsal üretim yaklaşımına günümüzde “Hassas Tarım” ve bu yaklaşımın gerisindeki teknolojiye de “Değişken Düzeyli uygulama Teknolojisi” adı verilmektedir [8]. Bilişim ve Haberleşme Teknolojilerinde meydana gelen gelişmeler ile bağlantılı olarak tarımsal mekanizasyonun gelişim sürecinde tanımlanmış bulunan 4 aşamasına aşağıda verilen iki aşamayı da eklemek yerinde olacaktır; 5. Bilişim Sistemlerinin ve Teknolojilerinin tarımsal üretimde başlangıç düzeyinde kullanılması. Bu düzeyde; a. Tarım işletmelerinin kişisel bilgisayar sahibi oldukları b. Bu bilgisayarlara yüklenen bazı yazılımlar ile envanter kontrolü, kayıt tutma ve geçmiş kayıtlara erişme ve nedensonuç analizlerinin yapılması c. Traktörlere yerleştirilen elektronik donanım sayesinde ilerleme hızı, kuyruk mili devri, toplam mesafe, yakıt tüketimi ve iş başarısının tespiti ve izlenmesi
Şekil 1. Traktörlerde tarihsel gelişim
d. İlaçlama makinalarında kontrol ve veri depolama olanakları yer almaktadır ancak konumsal herhangi bir veri ihtiyacı veya kullanımı söz konusu değildir.
20. yüzyılda tarımda en büyük ilerleme uygun tohumlukların üretimi için genetik araçların kullanımı ve anlaşılması ile geldi. Aslında tohum, teknoloji transferi, teknolojiye dayalı kalkınma stratejileri için anahtar olan ve tarımsal işlemlerde geniş anlamda göz önünde bulundurulan bir odak noktasıdır [6].
6. İleri düzeyde Bilişim Teknolojilerinin kullanıldığı Hassas Tarım. Bu aşamada önceki düzeyde tanımlanan 152
Bilişim teknolojilerinin unsurlarının tümü uygulamada kullanılmakta ancak bunlara ek olarak işlemlerin konumsal verilerle ilişkilendirilmesi sayesinde;
donatılmış traktörler, d. GPS esaslı ölçüm sistemleri, e. Değişken düzeyli uygulama teknolojileri yer almaktadır.
a. Toprak haritalaması
Verim artışı, girdi kullanımının azaltılması, maliyet azaltımı ve çevreye duyarlılık bu düzeyde mekanizasyon uygulamalarının temel odak noktalarıdır [9].
b. Verim haritalaması c. Tarımsal veri yolları (agricultural bus systems) ile
Şekil 2. Uzaktan algılama uydu fotoğrafları
yer vermektedir. Traktörler ve kendiliğinden hareketli tarım makineleri hala yerleşik bir sürücü ile hareket ettirilmektedir, fakat tam olarak otomatiktir. İnsansız izleyiciler, hasat gibi bazı üretim teknolojilerinde kullanılmaktadır. İlk küçük otonom araçları izleme, çapalama ve tarımsal işlemler için piyasaya sürülmüştür. Belgeleme niyetiyle ve gelişmiş tarım yönetimi için otomatik bilgi toplama, tüm tarım ekipman teknolojilerinde temel bir bileşendir.
3 .GÜNÜMÜZ TARIM TEKNOLOJİLERİ UYGULAMA ALANLARI Son yıllarda tarım teknolojisi saha çalışması ve hayvan yetiştiriciliğinde gelişmeler göstermiştir. Elektronik, otomasyon ve robotlar yaygın olarak kullanılmaktadır. Kablosuz iletişim teknolojileri, çiftlik olanaklarına geniş bir biçimde erişimine ve merkezi olmayan web-tabanlı işlemler ve bilgi kaynakları ile bağlantı kurulmasına olanak sağlamaktadır. Gelişmiş güncel yazılım paketleri, uzman sistemler ve mobil çiftlik teknolojileri çiftçilerin ihtiyaçlarını büyük oranda karşılamaktadır.
Tarım aletleri her zamankinden daha özel ve daha iyi duruma getirilmiştir. Standart elektronik haberleşmeye dayanarak, traktör en uygun şekilde arazi uygulamaları ile toprak ve bitki gereksinimlerine cevap vermesi amacıyla kontrol edilmektedir. Bitki zararlı yönetimi ve bitki koruma önlemleri önemli ölçüde sadece kimyasal uygulamaların yapıldığı alanlardan oldukça hassas fiziksel muamelelerin olduğu alana doğru taşınmıştır. Gübre uygulama teknolojileri, küçük bitkisel alanlara ve hatta tek bitkinin ihtiyacına cevap verebilmektedir.
Tarım güç ve makinelerinde, biyo-tabanlı sentetik yakıtlar, hidrojen ve yakıt hücreleri gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı amacıyla değişiklik yapılmıştır. Yeni güç aktarma sistemleri merkezi olmayan elektrik sürüşlerine
Şekil 3. Değişken düzeyli uygulama teknolojisi
153
Şekil 4. Biçerdöverlerle hasatta ürün verim görüntüleme
Yeni ve gelişmiş ürün yetiştirme sistem teknolojileri geliştirilmiştir ve halen kullanılmaktadır. Bu teknolojiler biyoenerji üretimi için bitki taleplerinin yanı sıra daha çok lif kalitesi, nişasta veya şeker içeriğine odaklanmış yenilenebilir biyomalzeme üretimine katkı sağlamaktadır.
Tüm tarımsal teknoloji, tarım ve ilgili alanlarda yüksek verimli süreçler altında yatan, bir fırsat teknolojisidir. İlgilendiği konular: -sağlıklı gıda ve beslenme ile gerekli kalitede yenilenebilir kaynakların üretimi,
Hasat teknolojileri, tarla ürünlerini (hatta hayvan yem ve beslenmesi de dahil) basit şekilde toplamanın yerine hareket halinde ön işlem veya farklı silolar içinde bağımsız kalite ayırma yöntemine doğru dönüşüm göstermektedir. Bileşenlerinin ölçülmesi hasat işlemi sırasında gerçek zamanlı olarak yapılmaktadır [10].
-tarımsal süreçlerin her alanında insan iş yükünün azaltılması -tarımsal makineler ve süreçlerde yüksek randıman -uygun şekilde hayvan yetiştiriciliği -doğal kaynakların sürdürülebilir kullanımı -peyzaj ve biyolojik çeşitliliğin devam ettirilmesi
Hatta sığır, süt ve kümes hayvancılığı ağ tabanlı sisteme geçiş yapmıştır. Etolojik parametrelerin sensör tabanlı izlenmesinin yanında sağlık ve gübre ölçümleri de yapılmaktadır. Bireysel hayvan besleme otomatik besin dağıtıcıları tarafından yapılmaktadır. Süt sağımı ya geleneksel bir mandırada ya da merada taşınabilir bir ortamda gün boyu sağım robotlarının kullanımı ile yapılmaktadır. Robotik çoban köpekleri yönetim görevlerinin yanı sıra sığır ve koyun yetiştiriciliğinde önderlik etme işlemlerinden de sorumludur.
Gelişmiş ülkelerin tarım makineleri endüstrisinin teknoloji ve ihracatta dünya çapındaki liderliği sağım ekipmanları, sera ve hayvansal üretim için iklim kontrol mühendisliği, akılcı çiftlik binaları ve gübreler, hayvan gübreleri ve kimyasal püskürtücülerin hassas uygulamaları gibi özel sektörlerde traktörler ve kendinden hareketli iş makinelerinin ötesinde genişlemiştir. Tüm bunlar, sektördeki yüksek düzeyli teknik işgücü ve dünya konumunu devam ettirmek için süregelen yenilenme ve gelişmeye bağlıdır. Tarım teknolojisi işletmeleri tarım ve gıda endüstrisinde gelişmiş ülkelerin ekonomisinin önemli bir bileşeni olmak için olanaklar sağlamasının yanında enerji ve malzeme üretiminde biyokütle kullanımı için gelişen sektörlere de birçok imkan sağlamaktadır.
Yeni lojistik teknolojileri kullanılabilir durumdadır. Akıllı RFID etiketleri (Radio Frequency Identification) teknolojisi, bir canlıyı ya da objeyi radyo frekansı iletişimi yoluyla tanımak ve/veya takip etmeye ve gıda zincirinin izlenmesinin yanında üretim süreçleri ve tesislerinin yönetimine de olanak sağlamaktadır.
Tarımsal alanda bu önemli katkıları sağlamak, çevresel zorlukların üstesinden gelmek ve artan dünya nüfusunun yeterli gıda ihtiyacını karşılayabilmek için uygun eylemler gerçekleştirilmiştir. Bunlar bitkisel üretim ve hayvan yetiştiriciliğinde yaygın olarak kullanılan ve aşağıda konuda yer alan teknolojiler ile açıklanmıştır.
2020’de tarımsal mühendislik teknolojilerindeki rekabet, o ülkedeki üreticileri dünya çapında bir numara haline getirecektir. Bu üreticiler, dünya tarımsal teknoloji ihracatında en büyük orana sahip olacak ve geleceğe yönelik yeni teknolojilerin gelişimine öncülük edeceklerdir. Kobiler de yenilenebilir enerji ve biyomalzemeler için çevresel ve üretim teknolojilerinde üretim portföylerini genişletmişlerdir. Bu yeni ve ileriye dönük mühendislik alanını hayata geçirmek için, büyük üreticiler yenilikçilik ve gelişimde tüm dünyaya öncülük etmektedir.
4. TARIMDA GELECEĞİN TEKNOLOJİLERİ Tarımsal alanda teknolojik gelişmeler aşağıda belirtilen konularda yoğunlaşmaktadır: Kalite ve ürün güvenliği, Sürdürülebilir bitki üretimi, Sürdürülebilir hayvansal üretim, Biyoenerji ve yenilenebilir malzemeler [11].
154
4.1. Kalite ve Ürün Güvenliği:
biyosensörlere dayalı yeni algılama yöntemlerinin, biyogüvenliği geliştirmesi ve hastalıkla ilgili endişeleri ele alması beklenebilir.
Tarım ve gıda üretiminde kalite güvencesi giderek halk açısından önemli bir konu haline gelmektedir ve gıda güvenliği ve yem hijyeni üzerine birçok düzenlemelere tabidir. Bu yaklaşım kalite ve hijyen yönetiminin yanı sıra ürünün kendi belirli nitelikleri dahil olmak üzere, tarladan çatala uzanan kalite kapsamlı bir konsept oluşturur.
Dokümantasyon ve bilgi yönetimi. İş ve ürün uygulamaları ile ilgili otomatik veri yakalama (gübreleme ve bitki koruma gibi) bilgi ve bir kerelik belgeleri oluşturmak için sensör veri işlemeye odaklanması gerekmektedir. İş süreçleri ve otomatik veri aktarımı sırasında otomatik veri yakalamak, örneğin tarımsal işte merkezi bir yönetim sistemine kablosuz iletim yoluyla, bir defalık belgelerin oluşturulmasının ve izlenebilirliğin temellerini atabilir. Verilerin de iç optimizasyon için bilgi üretmek amacıyla, kontrol süreçleri ya da uzman sistemler, ya da dış uzmanların müdahalesi yoluyla işlenmesi gerekir. Dış kuruluşlara iş zamanında ve sonrasında tüm veri akışı için uygun veri formatlarının geliştirilmesi gerekmektedir.
Tarımda, proses kalite kontrolü, üretim yeri ve tohum seçimi ile başlar ve en az risk ile tüketicinin istediği anahtar özellikleri koruyacak şekilde tarladan tüketiciye çıktıların elde edilmesi olanağına kadar uzanır. Gelecek vizyonu tüketici özelliklerini sağlayan kapsamlı kalite yönetimidir. Gıda üretiminde kalite yönetimi için organizasyon çözümleri teknik yapılabilirlik ve ekonomik verimlilik göz önüne alınarak verilmelidir. Sensör geliştirme ve uygulama. Sensörler otomatik kontrol fonksiyonları ve dokümantasyon için veri toplamayı sağlarlar. Gelecek kalite güvence görevleri ve işlemleri için merkezi öneme sahiptirler. Bitki üretim süreci zincirinde, sensör kullanımı büyüme, hasat, taşıma ve lojistik, depolama, hazırlama ve seçim ve işleme ile ilgili süreç ve kalite parametrelerini yakalamak için özellikle önemlidir. Lazer, radar ya da lidar tabanlı yoğunluk ve ürün kitle ölçümleri hastalıklar için risk değerlendirmesinde de yardımcı olabilir ya da ürün kalitesi veya son ürünün beklenen kalitesi öngörü modelleri için girdi olarak hizmet verebilir.
Bu tür tarım ara ve nihai ürünlerinin kayıt izleme ve takibi için bireysel işlem düzeyde yürütülen işlemlerinin sistemin diğer bölümlerine ulaşabilir şekilde yapılması gerekir. Burada entegre veri yönetimi ve ürün tanımlayıcı donanım konusunda araştırma gereklidir. Entegre veri yönetimi elde etmek için, bireysel işlem adımları içindeki ve ötesindeki gerekli bilgileri tanımlamak gereklidir. Veri formatları tüm donanım sistemleri için standart olmalıdır, böylece bu bilgi akışı düzgün akabilir. Birçok tarım makineleri sistemleri arasındaki protokolleri bütünleştirmek, operasyonel veri yakalama için ve gelecekteki telekomünikasyon sistemlerine bağlantı için makine ve çiftlik yönetimi uygulamaları arasındaki standart iletişimi kurmak gerekli olacaktır. Bitkisel üretim sırasındaki tüm işlemlerin belgelenmesi ayrıntılı düzeyde üretim süreçlerini daha iyi anlamak için tarım sektörüne yardımcı olacaktır. Bu tür belgeler ve izleme sistemlerinin var olduğu sektörlerde, sağlıklı bir ürün korunurken kimyasal kullanımını azaltmanın kesinlikle mümkün olduğu zaten dikkat çekmektedir.
Büyüme sırasında, gelecek ürün kalitesini etkileyen parametreleri yakalamak gerekir. “Konuşan bitkiler” geliştirme amaçlı bu yaklaşımda, büyüme dönemindeki kitle ve bileşenlerdeki değişiklikler önemli göstergeler sunar. Büyüme şartları (örneğin su sıkıntısı veya besin eksiklikleri) ve bitki sağlığı (örneğin mikotoksin riski)’ne ilişkin bitki bilgisi sonraki ürünlerin yönetim tedbirlerine ve hasatlarına ilişkin önemli kararlar sağlayabilir.
Bireysel düzeyde işleme ve ötesinde tanımlama, özellikle yığın malların durumunda önemli zorluklara sebep olacaktır. Minyatür radyo frekansı tanımlama (RFID) etiketleri ve izotopik ve genetik işaretçiler gibi ilk yaklaşımlar umut verici görünüyor ve teknik fizibilite, maliyet ve kullanım kolaylığı bakımından daha fazla analiz edilmeli ve geliştirilmelidir.
Hasadın en uygun zamanlaması için, sensörler ürünün olgunluğunu belirlemek için gereklidir. Kayıt edilen bitkisel ürün parametreleri, örneğin yakın kızılötesi (NIR) ölçümleri kullanılarak hasat makinesinde veya sonraki taşıma veya depolama zincirinde farklı kalite seviyelerine ayırma imkanı verecektir. Kalite verilerinin kayıt altına alınması işlemleri kolaylaştırır ve yeni fırsatlar sağlar örneğin pazarlama kontrolü için veya pazara ürünü en iyi kalitede getirmek için. Ek olarak tüketicilerin öznel kalite algılarına karşılık gelen ölçülebilir parametreler, örnek olarak salatalığın canlılığı ve kuşkonmazın hassasiyetinin bulunması ya da daha fazla geliştirilmesi. Daha fazla işlem için, bitkisel tarım ürünleri açıkça sınıflandırılmalıdır. Gelecekte, kayıtlı kalite özellikleri ile birlikte “biyolojik parmak izi” kullanarak ürün tanımlama, işleme ötesine kadar uzanan ürün odaklı izlenebilirliğini sağlamak mümkün olacaktır. Hızlı analitik sistemlere bağlı yeni sensör ve sensör uygulamalarının yaygın kullanımı üretim süreci boyunca kalite değerlendirmesini destekleyebilir.
4.2. Sürdürülebilir Bitkisel Üretim Sürdürülebilir bitkisel üretim, piyasanın ihtiyaç duyduğu ürünleri rekabetçi fiyatlarla üretirken çevreyi, biyolojik çeşitliliği ve manzarayı korumak ya da arttırmak için, modern tarımsal bilgi ışığında doğal kaynakların yönetimini ve kullanımını gerektirmektedir. Bu, sürdürülebilirliğin her zaman ekolojik, ekonomik ve sosyal yönleri dikkate alması gerektiği anlamına gelir. Üretim süreçleri ve tarım alanlarının kullanımını toprak verimliliğini ve kalitesini artırmaya katkıda bulunmalıdır ve çiftçi için yıldan yıla yeterli ürün verimini ve kalitesini sağlaması gerekir. Üretim süreçlerinin de geliştirilmesi ve tüketicilerin ve toplumun sosyal ihtiyaçlarına adapte edilmesi gerekir. Toprak koruma, erozyonun ortadan kaldırılması, kentsel alanlarda ya da nehirlere karışmasını sel riskleri veya kentsel alanlarda ya da nehirlere çamur akışının karışmasının azaltılması mühendislik ve teknolojinin cevap
Hayvansal üretim için, benzer sensör gelişmeleri, hayvan beslemeden hayvan ürün dağıtım zincirine kadar koşulların ve ürün kalitesinin bileşenlerini yakalayabilir. Özellikle 155
Şekil 5. GPS kullanımı ve 0tomatik dümenleme sistemleri
Gerekli ileri mühendislik teknolojileri; robot sistemleri, gelişmiş motor ve tahrik sistemleri ve otomatik yönlendirme kavramlarını içerecektir. Verimli enerji kullanımı stateof-the-art sürücü yönetimi, gelişmiş ve daha güvenli bir kasa tasarımı ile çevre dostu ve akıllı tahrik sistemlerinin geliştirilmesi yoluyla geliştirilebilir. Özellikle de yeni cihazlar düşünüldüğünde (örneğin on-board bilgisayarlar gibi) daha ergonomik ve verimli insan-makine arayüzlerine ihtiyaç vardır. Bu bilgiye dayalı çözümleri ile traktör, kendinden hareketli iş makineleri ve çok çeşitli uygulamaları da dâhil olmak üzere yeni tarım makineleri uluslararası pazarda başarıyla rekabet edebilir hale gelecektir. Otomasyon ve robotik; kesin hedef ve uygulama ile girdi kullanımındaki etkinliğe; saha operasyonları yönetimi ile otomatik rehberliği birleştirerek sistemlerin operasyonuna katkıda bulunabilir.
vermesi gereken sorunlardır. Bu konum, iklim bölgeleri ve arazi şartlarına bağlı olarak farklı yaklaşımlar gerektirir. Yenilikçi tarım mühendisliği ve teknolojileri bu talepleri karşılamak için teknik ve iş çözümleri sağlamak zorundadır. Gelecekteki çiftlik konsepti üretim katma değer zinciri boyunca entegre sistemlere dayalı olacaktır. Ağ kurulumu için teknik, operasyonel ve organizasyonel çözümlerin sürekli bir sistem olarak geliştirilmiş olması gerekir. Yönetim, üretim teknolojisi ve kalite güvencesinden lojistik, bakım, servis ve danışmanlığa kadar tüm paydaşlar dâhil edilmelidir. Toprak kalitesini korumak ve geliştirmeyi sağlayan üretim süreçlerini sağlamak amacıyla, bir dizi bütünleşmiş araştırma yaklaşımları gerekir. Bitki rotasyon ve toprak yönetiminin, toprağı koruyan ve enerji kullanımını en aza indiren toprak işleme yöntemlerinin yanında toprak koşullarını iyileştirebilecek yüksek performanslı ürünleri kullanarak, birlikte çalışması gerekir. Sıkıştırma ve hasarı azaltmak için, makine tasarımındaki gelişmeler ile makine kütlesini en aza indirebilecek yeni hafif malzemelerin kullanımını bağlamak önemli olacaktır. Yeni makine konsepti ve yürüyen aksam çözümleri gerekecektir. Tarımsal ve teknik değişiklikler için uzun vadeli toprak gerekliliklerinin araştırılması gerekir. Ortaya çıkan anlayışın, konuma ve özel ürüne adapte edilmiş toprak işleme sistemi için karar algoritmaları ve karar destek sistemleri içinde yapılandırılması gerekir.
Sensörlerdeki ve yönetim bilgisine veri çevirisindeki gelişmeler, yeni bilim kavramlarını pratiğe çevirmede önemli olacaktır. Matematiksel modelleme ve karar destek sistemleri içine aktarma son kullanıcılar tarafından yeni teknolojilerin sürdürülebilirliğine destek olacaktır. Algılama kalitesi, hasat için hazır olma ve haşere ve hastalıkların varlığı, üretimin sürdürülebilirliğini hem ekonomik ve hem de çevresel açıdan geliştirebilecek başarılı ürün yönetimine yönlendirecektir. Aynı zamanda su tasarrufu için iklim değişikliğinin olası etkilerine azaltmak amacıyla hem mevcut baskılara cevap vermek hem de üretim yöntemlerinde değişikliklerin yapılması gerekli hale gelecektir. Üretim süreçleri ve su buharlaşmasına karşı ilgili makine sistemleri, düşük basınç gereksinimli damla sulama sistemleri, optimize edilmiş otomatik kontrol sistemleri ve üretim sistemleri sağlayan güneş enerjili pompalar da dâhil olmak üzere ekonomik sulama ve drenaj sistemleri geliştirmek gelecekteki iklim ve talepler ile daha uyumludur.
Ürün giriş ve çıkışı olmadığında malzeme akışı için yeni yönetimlere ihtiyaç duyulacaktır. Bunun anahtarı, ürünü, çevresini ve ürün yönetimi süreçleri karakterize eden, algılama ve yorumlama ve verileri kullanma metotlarının yenilikçi yöntemleri olacaktır. Bu bilgiler daha sonra gıda zinciri için ürün izlenebilirliğinin ve kalite güvencesinin ayrılmaz bir parçası olabilir. Mevcut operasyonel makineleri bir parçası olarak veya göreve özgü mikro robotlar geliştirilmesi yoluyla, yönetim amaçlı bilgi kullanabilecek gelişmiş makine sistemlerine ihtiyaç duyulacaktır. Özellikle, yerel ürün ve çevre ihtiyaçları ile bağlantılı girişi ayarlama yeteneğine sahip sistemler, gübre uygulama ve bitki koruma gibi ürün yönetiminde hassasiyet kavramında başarılı olacaktır. Bu, çevre kirliliğinin en aza indirilmesi ve biyolojik çeşitlilik ile ekilmemiş ekosistemlerin sürdürülmesi için, bütün bir çiftlik ve peyzaj yaklaşımının bir parçası olacaktır.
4.3. Sürdürülebilir Hayvansal Üretim Hayvancılık için zorluk; hayvanlara uygun ve insan ve çevre için kabul edilebilir sistemler geliştirmektir- bu farklı gereksinimler genellikle karşılıklı olarak çelişkilidir. Araştırma ve geliştirme bu nedenle karmaşık sistem sorunları çözmek ve inşaat ve süreç teknolojisi açısından en uygun uzlaşmayı önermek zorundadır. Verimlilikte genel bir 156
Şekil 6. Sürü yönetim sistemi
gelişimi, yenilenebilir hammaddelerin yerini neredeyse tamamen fosil hammaddeler almış anlamına gelmektedir. Sera gazına bağlı iklim değişikliği üzerindeki endişeleri bizim hem enerji kaynağı hem de inşaat malzemeleri olarak biyolojik malzemeleri beslemenin yeni ve daha iyi yollarını bulmamızı gerektirmektedir.
sürdürülebilir artış elde etmek için (hem ekonomik hem de çevresel), doğal kaynak kullanımı (örneğin enerji ve inşaat malzemeleri) azaltılmalıdır ve hayvan sağlığı ve ergonomik ve çalışma koşulları ile birlikte faydalı ömür geliştirilmelidir. Çevreye salınan gazların, açık ve kısmen açık binalar için optimize edilmeden önce daha doğru olarak tanımlanması gerekir. Her alanda, hem hayvan durumunu hem de çevresini algılamadaki gelişmeler aynı zamanda izleme, bilgi yönetimi ve otomatik kontrol için temel olarak gereklidir.
Fosil enerji kaynaklarının yenilenebilir enerjiler ile değiştirilmesi gerekir. Hidroelektrik, rüzgâr enerjisi ve güneş enerjisinin kullanımı artmaktadır ve bunun yanında enerji üretimi için biyokütle kullanımı ele alınmalıdır. Malzeme üretimi için yenilenebilir hammadde kullanımının da önemi artmaktadır. Daha uygun sera gazı dengesinin yanı sıra, biyokütle-bazlı ürünlerin biyobozunurluğu ve insan sağlığına yönelik risklerin azlığı onları cazip kılmaktadır. Yenilenebilir ham madde ekimi ve kullanımının diğer olumlu yönleri çok fonksiyonlu tarımın gelişimine katkıda bulunması, kırsal alanlarda yeni istihdam yaratması ve kültürel peyzajın korunmasıdır.
Genel hedefler şunlardır: - Üretim maliyeti düşürmek - Artan rekabet - Ürün ve süreç kalitesinin geliştirilmesi, türler için hayvan sağlığı ve uygunluğu - Emisyonların azaltılması - Artan ürün güvenliği ve izlenebilirlik - İnsanlar için çalışma koşullarının iyileştirilmesi Algılama, veri toplama ve yönetimdeki gelişmeler hem üretim rejimleri hem de çevresel etkileri kontrol etmek için bilim tabanlı yenilikler açısından temel hedef olacaktır. Bu yaklaşımlar daha sonra, emisyon sorunları ve kaynakların korunması için çözümlere işaret eden bina sistemlerinin daha da geliştirilmesi için uygulanabilir. Hayvan büyüme performansının matematiksel modelleri ile sensörleri ilişkilendirmek yem temini ve besleme tekniklerinin optimize edilmiş üretimin ayrılmaz bir parçası olduğunu kesinleştirir. Ayrıca, ürün kalitesi ve özelliklerinin sürekli kaydı hem kalite güvencesi ve hem de hayvan sağlığı izlemesi (süt üretimindeki gibi) açısından büyük önem taşımaktadır. Hayvan tanıma tekniklerini ve davranışlarını izleyerek hayvanlar için en uygun koşulların belirlenmesindeki gelişmeler optimum bireysel alanlar ve ortamlar yaratılmasına öncülük edebilir. Yeni süreç teknolojileri ve kapalı hayvancılık sistemlerinin ergonomisindeki gelişmeler 2020 hayvansal üretim sistemleri için de önemli olacaktır. Küçük ve orta ölçekli şirketler bu alanda çözümler sunma konusunda önemlidir.
Çiftlikte biyoenerji üretiminin geliştirilmesi ülkelerin enerji politikasına bağlı olacaktır. Yakıt fiyatlarındaki olası devam eden dalgalanma, yüksek verimli üretim ve dönüşüm teknolojisi odaklı sürekli araştırma ve geliştirmeyi gerekli kılmaktadır. Endüstri için sürdürülebilir bir enerji ekonomisi vizyonuna ve gıda dışı üretim ve kullanım teknolojilerine öncülük etme ve ulusal enerji sistemlerine biyoenerji besleme sorunun bir kısmının çözülmesine katkıda bulunacaktır. Yenilenebilir hammaddenin tarımsal üretimi gıda ve bitkisel üretim teknolojilerindeki gelişmelerden özellikle bitki-toprak sistemlerinin algılama ve yönetim iyileştirmeleri ile ilgili olanlardan yararlanabilir. Ancak tamamen farklı bitki türleri, yetiştirme, hasat ve hasat sonrası teknikler çoğu zaman istenmektedir. Neyin yığıntılı ve birim değeri düşük mal olacağı konusunda optimal üretim, işleme ve yönetim için sistem mühendisliği özel araştırma ve geliştirme gerektirir. Daha da önemlisi ham maddeden enerji ve malzeme üretimi için yeni teknolojilere ihtiyaç vardır. Diğer taraftan araştırma amacıyla, endüstri tarafından yenilikçi teknik çözümler geliştirilmesine temel sağlamak için ve ekonomik fizibilite göstermek ve çevresel ve sosyal etkilerini değerlendirmek için de önemli bir ihtiyaç vardır.
4.4. Biyoenerji ve Yenilenebilir Malzemeler Tarım ve ormancılıktan yenilenebilir malzeme üretimi ve bu malzemelerden enerji üretimi ve uzun süreçli işlem gerektirmesi petrol ve doğal gazın ulaşılabilirliği ile son iki yüzyıl içinde birçok sektörde kullanılmaz hale gelmiştir. İçten yanmalı motorların ve petrokimya kontrolünün dramatik
Yenilenebilir enerji üretimi için hedefler; enerji için biyokütle, biyodizel, bitkisel yağ, biyo-etanol, elyaf üretimi 157
ve yeşil kimya (kimyasal ürünlerde tehlikeli maddelerin kullanımı ya da üretimi azaltmak veya ortadan kaldırmak yenilikçi kimyasal teknolojiler)’yı kapsar. Enerji bitkileri ve yenilenebilir malzemelerin geliştirilmesinde bu sistemlerin sorunlarına işaret etmek ve entegre çözümler aramak büyük önem taşıyacaktır. Biyokütle sağlayabilir tarım ürünlerinin endüstriyel kullanım için lif sağlamaları mümkün olabilir. Değeri yüksek lif veya diğer endüstriyel ürün akışını optimize etme ile bazı çiftlik biyokütle ürünlerini uygun hale getirmenin ayrılmaz bir parçası olması muhtemeldir. Bu, üretici ve araştırma ve geliştirme programları kullanıcılarının katılımını gerektirir ve malzemenin işleme, ayırma ve depolanmasında mühendislik teknolojilerinin gelişimi için özellikle önemli olacaktır.
Bu gelişmelerin odağında gelişmekte olan ülkelerde eğitim, öğretim ve araştırmalar yapan biyosistem mühendisliği bölümleri bulunmaktadır [14]. Biyosistem mühendisliği, tarım, gıda ve biyomas üretimi gibi biyolojik tabanlı sistemlere ait problemlerin çözümünde, mühendislik prensiplerinin uygulanmasıdır. Biyosistem mühendisliği, mühendislik bilimi ve tasarımının biyoloji, çevre ve tarım bilimleriyle bütünleştirildiği bir mühendislik disiplinidir. Biyosistem Mühendisliği” teriminin İngilizce’deki karşılığı “Biological Systems Engineering” ya da ilk iki sözcük kısaltılarak “Biosystems Engineering” şeklindedir ve “sistem” sözcüğü çoğul olarak “sistemler” şeklinde kullanılmaktadır [15]. “Biyosistem Mühendisliği” teriminin içerdiği “Biyo” eki “Biyolojik Sistemleri”, “Biyolojik Sistemler” kavramı ise, “canlı ile makina, yapı ve kullanılan teknolojilerin etkileşim halinde olduğu bileşenler kümesini” ifade etmektedir.
5. TARIMDA TEKNOLOJİK GELİŞMELER VE BİYOSİSTEM MÜHENDİSLİĞİ Mühendislik, çözümlerinin yeni ve daha sürdürülebilir üretim sistemlerine yayılmasını istiyorsa, tarım ve diğer karmaşık biyolojik sistemler ile (biyosistemler) irdelenmek zorunda olan karmaşık birçok bilimsel ve mühendislik sorunlar ortaya konulmalıdır [12]. Avrupa’da tarım ve biyosistem mühendisliği araştırma üssü çözümün dağıtımı amacıyla gelişimi destekleme ve sanayi ile birlikte çalışma kapasitesine sahiptir. Tarım mühendisliği ve teknoloji topluluğunun görevi, bilgiye dayalı ekonomide etkili üretim sistemleri ile (çiğ ve işlenmiş ürünler) yüksek katma değerli istihdamı garanti ederek tarımsal dönüşüm hızını artırabilecek mühendislik araştırma ve yeniliklerini önermektir [13].
Örneğin; tarımsal üretimin temel işlemlerinden biri olan ekim işlemi biyosistemin başlıca girdisi tohum (küresellik, boyutlar, bin dane ağırlığı, doğal yığılma açısı gibi fiziksel özellikler), çıktısı ise kaliteli ekimdir (tohumların zedelenmeden tarlaya düzgün bir şekilde bırakılması) [16]. Kaliteli ekimin başarısı ise, tohum yatağı hazırlığı (toprak koşulları), traktör, ekim makinası, ekim normu, ekim zamanı, operatör deneyimi, sürücü ile titreşim, gürültü, zehirli gaz ve tozlar gibi çevre koşulları arasındaki etkileşimler gibi birçok faktörlerin optimum özelliklerde tasarlanması ve seçilmesiyle olanaklıdır [17].
Bu sorunların özellikleri ise şunlardır:
Yukarda bahsedilen tarımsal teknolojilerin merkezinde şekil de görüldüğü gibi biyosistem mühendisliği bulunmaktadır. Biyosistem mühendisliği kırsal kalkınma adına kırsal alanda aşağıda şekil de de görülen bütün konuları mühendislik dallarını ve teknolojileri uygulayacak ve kırsal alanın ihtiyaçlarına cevap verecek mühendislik adına yenilikleri ortaya koyacak bir mühendislik koludur [18].
-zamansal ve mekânsal olarak farklı ölçeklerde işletilen biyolojik nesne ve sistemlerin karmaşıklığı -bu sistemlerin zaman değişkenli doğası ve dinamikleri -çoğunlukla doğrusal olmayan süreçler -yüksek dereceli değişkenlik ve karışıklık -temel süreçleri belirleyen büyük etkileşimler, örneğin, makine, toprak, bitki ve hava arasındaki Bu sorunların birçoğunu irdelemek için şu an 21. yüzyılın başındaki bir konumdayız ve hayata geçirilebilir çözümler üretebiliriz. Önemli gelişmeler arasında;
GÜÇ ve İŞ MAKİNALARI
OTOMASYON ve YENİ GELİŞEN TEKNOLOJİLER
-belirsiz (bulanık) sistemlerin üstesinden gelebilecek matematiksel tekniklerin geliştirilmesi ve bunları yönetmek için olasılıksal yaklaşımların belirlenmesi
HASSAS TARIM
BİLİŞİM TEKNOLOJİSİ ve İNSAN ETKİLEŞİMİ
-bilgiyi hızlı bir şekilde işlemek ve en uygun kararların belirlenmesi için yüksek hızlı ve düşük maliyetli cihazların elde edilmesi
BİYOSİSTEM MÜHENDİSLİĞİ
HAYVANSAL ÜRETİM TEKNOLOJİLERİ
YAPILAR ve ÇEVRE
-karmaşık karar süreçlerinde kullanılmak için bilginin tarla makineleri, uzaktan algılayıcılar ve veritabanlarından alınımına izin veren hızlı iletişim sistemleri
HASAT SONRASI TEKNOLOJİLERİ
TOPRAK ve SU
KIRSAL KALKINMA 0
-sistem performansının izlenmesinde ve gerçek zamanlı kontrol ile kapının açılmasında ilk adım olan yeni fiziksel ve biyolojik algılayıcıların (biyo senrör) artan kullanılabilirliği
Şekil 7. Biyosistem mühendisliği
-biyolojik sistemlerin performansının ve en iyi ölçeklerdeki malzemelerin (nanoteknoloji ve moleküler bilim) daha iyi anlaşılması
Otomasyonu bu fırsatların birçoğundan faydalanan örnek bir alan olarak değerlendirebiliriz ve gelecekte sürdürülebilir 158
arazi tabanlı sanayiler için yeni mühendislik sistemlerinin sağlamasında oldukça önemli olacaktır. Halen çoğu tarım sistemi düşük beceri düzeylerinde (ve dolayısıyla düşük ücretli) ve zor çevresel koşullarda önemli el emeği gerektirmektedir. Bu üretim sistemlerinin Avrupa’da sürdürülebilir olması isteniyorsa otomasyon önemli bir amaçtır. Meyve ve sebze hasadının hassas doğası ve elle yapılan işlemlerle ilişkili tekrarlayan zorlanma yaralanmaları riski önemli örneklerdendir. Diğerleri hayvansal veya mantar üretim ortamlarında yüksek düzeyde hava kirleticilerin olduğu yerlerde meydana gelmektedir. Yeni makinelerin yönetimi ile ilgili yüksek vasıflı istihdamın kazandırılması ile otomasyon ve yeni teknoloji, ortamları yeniden tanımlayabilir ve işgücü üzerindeki yükleri azaltabilir.
gereken teknolojiyi doğru olarak belirlemek gerekmektedir. Tarımda teknolojiden yararlanma anlamında, ülkemizde yavaş seyreden bu süreç içinde, özgün gelişim yerine ithal teknolojinin ön planda yer aldığını görmekteyiz. Çiftçilerimizin % 85’nin 50 dekar ve daha az arazi sahibi oluşu, ithal teknolojinin kendi koşullarımıza uygun olmayışı da durağan kapasiteyi oluşturan unsurların başında gelmektedir. Bu bağlamda üniversite, sivil toplum, kamu kuruluşları ve sanayi sektörü beraber çalışarak, tarımsal alanda gelişmiş dünya ülkelerinde üretilmekte olan bütün tarımsal teknoloji üretimine en kısa zamanda ülkemizde de geçilmelidir.
7. KAYNAKÇA
Bu sorunları irdelemek aşağıda bahsedilen bazı sorunların da ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Bunlar:
[1]Gürlük, S.,. “Dünya’da ve Türkiye’de Kırsal Kalkınma Politikaları ve Sürdürülebilir Kalkınma”, Uludağ Üniversitesi İktisat Fakültesi Dergisi, Bursa, Aralık 2001, Cilt:19, sayı:4.
-Güvenlik ve kalite talepleri: tek bir bitki düzeyinde (veya hayvan) veya alandaki küçük bir bölgeyi izlemek için büyüme ve gelişmenin yanı sıra iyileştirme ihtiyacının izlenmesi ve kontrolü
[2]Term coined by William Gaud, Director of the US Agency for International Development, in March 1968. [3]McMullen, “Seeds and World Agricultural Progress”, Washington D.C., National Planning Association Report No 227. ISBN 978-0890680889 (1987).
-Büyüme süreci boyunca ölçme ve kalite kontrolü (kimyasal/ fiziksel durum, fizyolojik gelişme, hastalık oluş sıklığı, gelecek konu/tat)
[4]Maxted et al., “Plant Genetic Conservation: The in Situ Approach”, London, 1997, Chapman Hall.
-Esnek ölçme zincir yönetim araçları: sadece üretim odaklı değil bunun yanında tüketici gereksinimlerini karşılamak için büyüme ve hasat sırasında en uygun süreç kontrolü
[5]European Commission. “Ethics of Modern Developments in Agricultural Technologies”, Office for Official Publications of the European Communities, ISBN 978-92-79 10646-0 ,Luxembourg, 2008.
Yeni ve önemli bir talep veri toplama ve matematiksel modelleme için olacaktır. Sistem modelleri, karar modellerine öncü olan süreçlerin pratik olarak yönetilmesi için uygun olmalıdır. Modelleme yöntemleri karar alma sürecinde bir girdi olarak değişken ve belirsiz verileri yorumlamaya ihtiyaç duyacaktır. Otomasyon ve yeni hassas sistemlerin kullanılmasına dayalı güçlü çözümler elde etmek istiyorsak bu durum çok önemli bir sorundur. Yenilikler burada yeni kontrol olanaklarına imkan sağlayacak ve buna ek olarak yoğun kullanım, erişebilirlik ve ayrıntılı olarak kayıt altına alma gıda zincirinde gelişmiş izlenebilirlik ve iletişim yollarının oluşmasına sebep olacaktır.
[6]Ronald L. McAllister, “Resource Engineering & Technology for a Sustainable World”, Published by; Amerıcan Society of Agrıcultural And Biological Engineer, Special issues,USA, January-Fabruary 2011 vol 18 no.1. [ 7 ] h t t p : / / w w w. g i d a t a r i m . c o m / k o n g r e s u n u m / Tar%C4%B1mda%20Yeni%20Teknolojiler_Adana.ppt [8]Kirişçi,V., Keskin, M., Say, S., Keskin,S., “Hassas Uygulamalı Tarım Teknolojisi”, Nobel Yayımcılık, 1. Baskı, Adana, 1999. [9]Tekin, A., Sındır, K.O., “Tarımsal Üretimde Hassas Tarım Uygulamaları, XI. Türkiye’de Internet Konferansı, TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi, Ankara, 21-23 Aralık 2006.
Eğitim teknolojileri ile tarım ve arazi kullanımında işletimsel sistemlere katkıda bulunan diğer birçok disiplini güçlendirecek olan malzeme bilimindeki gelişmelere paralel olarak bu alanlardaki yeni bilimler sonucu ortaya çıkacak fırsatlar, tarım teknolojisinin temel çalışma alanları içindeki araştırma konularının tanımlanmasını sağlayacaktır.
[10]Eroğlu, M.C., “Konya Bölgesinde Kullanılan Biçerdöverlerde Hassas Tarım Teknolojileri Yardımıyla Dane Kayıplarının Denetlenmesi İmkânlarının Araştırılması”, Doktora Tezi, S.Ü.Fen bilimleri Enstitüsü, Konya, 2010.
6. SONUÇ
[11] http://www.fp7.org.tr/tubitak_content_files//270/ETP/ AET/AETVisionandSRA1.pdf
Bilginin hızla paylaşıldığı çağımızda, tarım toplumundan, sanayi toplumuna geçiş sürecinde çağımızın gelişen teknolojilerinin tarım alanında da uygulanmakta olduğunu görmekteyiz. Bilgisayar teknolojisinin de tüm alanlarda yerini almasıyla teknolojinin yetenekleri her geçen gün artmakta ve diğer bütün alanlarda olduğu gibi tarım alanında da teknolojiden yararlanmayı daha cazip hale getirmektedir. Teknolojinin yardımına başvurmak için, tüm sektörlerde olduğu gibi, uzun, orta ve kısa vadeli üretim planlama ve kontrolü yapılarak, kapasite ihtiyacı belirlenerek, üretim programı çıkarılarak ve malzeme ihtiyacı tespit edilip,
[12]Krutz, G.W. and J.K. Schueller, “Advanced Engineering: Future Directions for The Agricultural and Biological Engineering Profession”, Journal of Agricultural Engineering Research, 2000, 76:251-265. [13]Fridley, J.L., J.H. Dooley, G.W. Isaacs, J.B. Hunter, P.N. Walker, R.E. Young, G.E. Kaiser, B.J. Stokes, H.T. Wiedemann, “Fostering New Tools at The Intersection Of Biology and Engineering”, Integrating Biological Engineering into ASAE (Special insert), Agricultural 159
Yrd. Doç. Dr. Tanzer ERYILMAZ
Engineering Technology for Food and Agriculture, 1993, 74(6): insert pages 11-14.
1970 yılında Nevşehir’de doğdu. 1988 yılında Nevşehir Teknik Lisesi Makina Bölümü’nden mezun oldu. 1995 yılında girdiği Selçuk Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü’nden 1999 yılında mezun oldu. Aynı yıl Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü’nde Araştırma Görevlisi olarak göreve başladı. 2004 yılında Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü’nde yüksek lisansını, 2009 yılında Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü’nde doktorasını tamamlayarak doktor unvanını aldı. 1999-2010 yılları arasında Selçuk Üniversitesi’nde Araştırma Görevlisi olarak görev yaptı. 2010 yılında Bozok Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Biyosistem Mühendisliği Bölümü Tarımsal Enerji Sistemleri Anabilim Dalı’na Yardımcı Doçent olarak atandı. 01.06.2011 tarihinden itibaren Bozok Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Biyosistem Mühendisliği Bölüm Başkanı V. olan Yrd. Doç. Dr. Tanzer ERYILMAZ’ın ulusal ve uluslararası atıflı dergilerde, kongrelerde, çalıştaylarda yayınlanmış ve sunulmuş yayınları, bildirileri ve görev aldığı tamamlanan TÜBİTAK, DPT ve BAP projeleri bulunmaktadır. Çalışma alanları; enerji kullanımı, alternatif yakıtlar (biyoyakıtlar: biyodizel ve biyoetanol)’dır. Evli ve 2 çocuk sahibidir.
[14]Eriş, A., “Değişik Ülkelerdeki Tarımsal Yüksek Öğretim Örnekleri”, Tarım ve Mühendislik Uluslararası Sempozyumu, Ziraat Mühendisleri Odası, Ankara, 12-16. Ocak.2004. [15]Uçar,T., Yumak., H., “Biyosistem Mühendisliği ve Tarım Makinaları Öğretimi”, Selçuk Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü, Tarımsal Mekanizasyon 21. Ulusal Kongresi, Konya, 3-5 Eylül 2003, S.92-98. [16]Uçar,T., Yumak., H., “Tarım Mühendisliğinden Biyosistem Mühendisliğine”, Selçuk Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü, Tarımsal Mekanizasyon 21. Ulusal Kongresi, Konya, 3-5 Eylül 2003, S.85-91. [17]Ülger, P., Gönülol, E., “Biyosistem Mühendisliği”, Namık Kemal Üniversitesi, Tekirdağ Ziraat Fakültesi Dergisi, Tekirdağ, .2006, Cilt:3, Sayı:3 315-321. [18] http://www.slidefinder.net/b/biyosistem_m%C3%BChe ndisli%C4%9Fi_prof_ali_ihsan/20305819
ÖZGEÇMİŞ Prof.Dr. Tamer UÇAR
Yrd. Doç. Dr Mehmet Cumhur EROĞLU
1967 Yılında Aksaray’da doğdu. İlk ve orta öğrenimini Aksaray’da tamamladı. 1984 yılında Aksaray Endüstri Meslek Lisesi Motor Bölümünü, 1988 yılında Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarımsal Mekanizasyon Bölümünü bitirdi. 1989 Yılında askerlik hizmetini tamamlamasının ardından Yüzüncü Yıl Üniversitesi’nde Araştırma Görevlisi olarak akademik hayata başladı. Aynı Üniversitede 1992’de yüksek lisans öğrenimini tamamladı. 1993-1997 yılları arasında Amerika Birleşik Devletleri’nde The Ohio State University’de doktora öğrenimi gördü. 19981999 yılları arasında ABD’de doktora sonrası araştırmalar yaptı. 1999 yılında Yüzüncü Yıl Üniversitesi’nde Yardımcı Doçent, 2004 yılında Doçent, 2009 yılında Profesör oldu. 2007-2011 yılları arasında Bozok Üniversitesinde Bölüm Başkanlığı ve Dekanlık görevleri yaptı. 2011 Mayıs ayından itibaren Bozok Üniversitesi Rektörlüğü görevini devralan Prof.Dr. Tamer Uçar, evli ve iki çocuk babasıdır.
1973 yılında Karamanda doğdu. İlk ve orta öğrenimini Karamanda tamamladı. 1991 yılında Çumra Ziraat Meslek Lisesini, 1996 yılında Selçuk Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümünü bitirdi. 1997 yılında Tarım Bakanlığında ziraat mühendisi olarak çalışmaya başladı. Bu arada 1999 yılında Selçuk Üniversitesinde yüksek lisans, 2010 yılında doktora eğitimini tamamladı. Bu süre içerisinde Bakanlık taşra teşkilatının çeşitli kademelerinde idareci ve teknik personel olarak görev yaptı. 2010 yılında Bozok Üniversitesinde Yardımcı Doçent olarak akademik hayatına başladı. 2010 aralık ayından itibaren Bozok Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Biyosistem Mühendisliği Bölümünde Yardımcı Doçent olarak görev yapan Mehmet Cumhur EROĞLU evli ve iki çocuk babasıdır.
160
TARIMDA KULLANILAN SENSÖR TEKNOLOJİLERİNİN GELECEĞİ Uğur Yegül1, Ufuk Türker2 Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü, TÜRKİYE Tel: 312 596 16 98 GSM: 541 258 19 83 E-Posta:
[email protected] 2 Ankara Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü, TÜRKİYE Tel: 312 596 16 10 GSM: 533 556 55 89 E-Posta:
[email protected] 1
Özet
Manyetik : Alan yoğunluğu, akı yoğunluğu, manyetik moment, geçirgenlik.
Günümüzde kullanılmakta olan uzaktan algılama (remote sensing) yöntemleri gelecekte hassas tarım uygulamalarında çok önemli bir yer edinecektir. Toprağın elektriksel iletkenliğinin ölçülmesi esasına dayanan sensörlerin kullanımı günümüz tarım uygulamalarında kullanılmaya başlamış bulunmaktadır. Toprağın elektrik akımını iletmesinin bir ölçüsü olan EC (elektriksel iletkenlik); toprak tekstürü, toprak tuzluluğu, toprak nem içeriği ve toprak derinliği gibi toprak özelliklerinin belirlenmesinde kullanılabilmektedir. Toprağın elektriksel iletkenliği sensörlerle hızlı bir şekilde ölçülebilmekte ve bazı toprak özellikleri de bu yolla örnekleme yapmaya gerek kalmadan belirlenebilmektedir. Toprağın elektriksel iletkenliği, ürün verimi üzerinde, toprağın fiziksel ve kimyasal özellikleriyle ilişkili olabilmektedir. Tarımda EM (elektromanyetik) sensörlerin kullanım alanları: Eriyebilir tuzlar, toprak nemi, toprak bileşenlerinin belirlenmesi, toprağın üst yüzeye yakın kısmındaki killi toprak miktarının tahmini, sel baskınlarından sonra biriken kum derinliğinin tahmini, herbisit miktarı ve ürünler için verimlilik gibi konuları içermektedir. EC değeri, arazide, ya toprağa yerleştirilen elektrotlar yardımıyla ya da elektromanyetik dalgalar yayan cihazlar yardımı ile uzaktan algılamayla yoluyla ölçülebilmektedir. Son elektriksel iletkenlik ölçme tekniği olan EMI (elektromanyetik tetikleme) yöntemleri ise toprağın yapısına zarar vermeyen ve yoğun bir iş gücü gerektirmeyen hızlı bir metottur. Sondalara ihtiyaç duyulmayan bu yöntemde ölçümler az masraflı ve hızlı bir şekilde yapılabilmektedir.
Işıma : Yoğunluk, dalga boyu, polarizasyon, faz, yansıtma, gönderme. Kimyasal : Yoğunlaşma, içerik, oksidasyon/redaksiyon, reaksiyon hızı, pH miktarı. 1.1.2 Çıkış büyüklüklerine göre Analog Dijital 1.1.3 Besleme ihtiyacına göre Pasif sensörler Aktif sensörler 1.2 Tarımda kullanılabilen aktif toprak sensör çeşitleri Elektromanyetik sensörler Optik ve radyometrik sensörler Mekanik sensörler Akustik sensörler Pnömatik sensörler Elektrokimyasal sensörler [1] 1.3 Tarımda kullanılan elektriksel iletkenlik (EC) sensörleri
Anahtar sözcükler: EMI, sensör, sensör teknolojileri, uzaktan algılama
1.3.1 Toprak elektriksel iletkenlik (EC) sensörleri
1. SENSÖR ÇEŞİTLERİ VE TARIMDA KULLANILAN SENSÖRLER
1.3.1.1 Uzaktan algılama (remote sensing) yöntemi ile çalışan sensörler
1.1 Sensör çeşitleri 1.1.1 Giriş büyüklüklerine göre
EM-38 :
Mekanik : Uzunluk, alan, miktar, kütlesel akış, kuvvet, moment, basınç, hız, ivme, pozisyon, ses dalga boyu ve yoğunluğu.
Elektriksel iletkenlik ölçümleri topraktaki nem ve tuz miktarının belirlenmesi amacıyla yıllardır kullanılmaktadır. Toprağa yerleştirilen sondalar aracılığı ile toprağın elektrik akımını ne kadar iyi ilettiği belirlenmektedir. Bu işlem oldukça yavaştır, yoğun bir iş gücü ve ayrıca bilimsel çalışmalarda gerektirmektedir. Son elektriksel iletkenlik ölçme tekniği olan EM ise toprağın yapısına zarar vermeyen ve yoğun bir iş gücü gerektirmeyen bir metottur. Sondalara
Termal : Sıcaklık, ısı akısı. Elektriksel : Voltaj, akım, direnç, endüktans, kapasitans, dielektrik katsayısı, polarizasyon, elektrik alanı ve frekans. 161
2001 yılında yapılan ölçümlerin EC ile olan ilişkisinin daha az olduğu belirlenmiştir. [2]
ihtiyaç duyulmayan bu yöntemde ölçümler az masraflı ve hızlı bir şekilde yapılabilmektedir. EM38 sensörünün genel özellikleri şu şekilde sıralanabilir: Yaklaşık olarak 1 metre uzunluğunda ve tek elle taşınabilecek hafifliğe sahiptir. 9 voltluk bir güç kaynağı (pil) ile yaklaşık olarak 16 ile 20 saat arasında kullanılabilmektedir. Toprak yüzeyinin belirli bir kısmında sarmal şekilde oluşturulan manyetik alan EM38 de okunarak, çalışma yapılan yerin koordinatları ile beraber kaydedilmektedir. Toprak yüzeyinden itibaren aşağı doğru 38,1 cm kadar bir mesafede güçlü bir manyetik alan yaratır. Ancak verimli olduğu algılama derinliği 12,7 cm kadardır. Oluşturulan manyetik alanın okumaları gönderilen ve alınan olarak ayrılmaktadır. Bu iki okuma toprağın elektriksel iletkenlik ölçümünü vermektedir.
Şekil 1. EM-38 sensörü ve dikey (1), yatay (2) konumları
Lahoche vd. (2002), yaptıkları çalışma, toprağa temas etmeden kullanılan ve toprağın yapısını bozmayan elektriksel iletkenlik ölçüm cihazları ile ilgilidir. Bunlardan birincisi EM38 sensörü, diğeri ise MUCEP adı verilen ve 50 cm, 100 cm ve 150 cm derinlikten EC değeri ölçebilen bir cihazdır. Her iki cihaz ile toprağın kimyasal ve fiziksel özellikleri tahmin edilebilmektedir. Her iki cihazla da yapılan çalışmalar değerlendirilmiş ve ölçüm sonuçlarının doğruluğu belirlenmeye çalışılmıştır. Ayrıca bu çalışma sonucunda bazı önemli sonuçlar elde edilmiştir. İki farklı deneme alanında yapılan çalışmalarda, EM38 ve MUCEP sensörlerinin birbirlerine yakın sonuçlar verdiği gözlenmiştir. Ancak ikinci araziden elde edilen sonuçlarda MUCEP adlı cihazın, toprağın çok kuru olduğu koşullarda ölçüm değerleri elde etmede zorlandığı gözlenmiştir. EM38 sensörü ise her iki arazide de ve kuru ortamlarda bile iyi bir hassasiyet gösterdiği saptanmıştır. pH ve MgO gibi toprak özelliklerinin tahmini açısından iyi bir sonuç elde edilmiştir. Tahmin edilen değerler ve test verilerinin arasındaki ilişki katsayısı 0.7 ile 0.9 arasında değişmektedir. [3]
Elektriksel iletkenlik ölçüm yöntemi ilk olarak madencilik sektörü için geliştirilmiştir. Mineral, gaz, petrol ve yer altı suyu araştırmaları ve arkeolojide kullanılmıştır. Tarımda ise ilk olarak toprak tuzluluğu ve toprak nemi ölçümleri için kullanılmıştır. Diğer tarımsal uygulamalar ise toprak bileşenlerinin belirlenerek haritalanması, killi toprak katmanının derinliğinin tahmini, nehir taşmalarından sonra biriken kumun derinliğinin tahmini, kullanılan herbisit miktarının azaltılması ve ürün verimliliğinin tahmini gibi konulardır. Anlatılan her bir uygulama için elektriksel iletkenlik okumaları ile toprak özellikleri arasında ilişki kurularak okumalar hızla yapılabilir. Elektriksek iletkenlik okumalarının istenilen şekilde yapılması ve kaydedilmesi için bir bilgisayar ile bir GPS konum bilgileri alıcısı gerekmektedir. Yapılan okumaların haritalandırılabilmesi için kaydedilen okumalarla beraber çalışılan arazi ya da tarlanın koordinatları da eş zamanlı olarak kaydedilir. Bilgisayar, GPS ve EM38 cihazları birbirine bağlı olarak kullanılır.
MD Bilal Hossain (2008), bitki kök bölgesinde bulunan toprak nem içeriğinin mekansal olarak ve miktar olarak sürekli farklılıklar gösterdiğini belirtmiştir. Bu bölgedeki nem, bitki gelişimi ve sağlığı açısından çok önemlidir. Bitkiden en iyi şekilde faydalanabilmek için bu değişiklikleri ve dağılımı anlamamız gerektiğini belirtmiştir. EM38 sensörü, toprak nemi de dahil olmak üzere toprak özelliklerini tahmin etmek amacı ile kullanılmıştır. Bu nedenle EC değerleri, tarımsal arazilerin yönetimi amacı ile haritalara dönüştürülerek kullanılabildiği belirtilmiştir. Bu çalışma etrafı çevrili bir çayırda yapılmıştır ve üç ana bileşenden oluşmaktadır. Birincisi; iki geleneksel toprak nem sondasının değerlendirilmesi, ikincisi; toprak neminin dikey dağılımı ile olan ilişkisi, üçüncüsü ise; EM38 sensörü ile toprak nemi dağılımı araştırmasının değerlendirilmesidir. [4]
Bu cihaz el ile taşınabileceği gibi bir taşıyıcı çatı üzerinde de çekilerek kullanılabilir. Burada önemli olan taşıyıcı çatının, kaydedilen okumaların manyetik alandan etkilenmemeleri için kesinlikle metal olmamalarıdır. Bir saat içinde yaklaşık olarak 20 hektarlık bir araziden veri toplanabilir. EM38 iki ayrı modda kullanılabilmektedir. Birincisi yatay mod, ikincisi ise dikey moddur. Yatay modda 0,75 m mesafeye kadar güvenilir okuma yapılabilir. Diğer mod olan dikey modda ise 1,5 m’ye kadar mesafede güvenilir okuma yapılabilir. Her iki moddada cihazı yerden yüksekliği 20 cm olmalıdır. Weiterman (2002), 2001 ilkbaharında 1998 sonbaharında ve 1999 ilkbaharında EM38 sensörü ile araştırmalar yapmıştır. Yapılan bu araştırmaların amacı toprak tuzluluğuna ilişkin haritaların elde edilmesidir. Tarladaki küçük bir alanda tuzluluğun meydana geldiği belirlenmiştir. 14000 den fazla EM38 tuzluluk okumaları alınmış ve haritalar elde edilmiştir.
GEM300 GEM-300 sensörü 330 Hz ile 20,000 Hz arasında kullanıcı tarafından seçilerek kullanılabilmektedir. Elektriksel ölçüm değeri mS/m dir. Elde edilen tüm veriler hafızasında 162
olarak Veris 3100 modeline bağlı olan GPS konum bilgileri alıcısından gelen bilgiler bir diskette kaydedilir ve bu veriler değişik yazılımlar yardımı ile haritalara dönüştürülür.
saklanmaktadır. Ve çeşitli yazılımlar yardımı ile bu veriler haritalara dönüştürülebilmektedir. GEM-300 sensörü hafif, taşınabilir ve kulanımı oldukça kolaydır. Tarımsal faaliyetlerin dışında GEM-300 sensörü
0 ile 30 cm arasındaki ölçüm nasıl gerçekleşmektedir?
Jeoloji, çevresel değerlendirme, mühendislik ve arkeolojide de kullanılabilmektedir
Bu ölçüm derinliğinde 2, 3, 4 ve 5 numaraları elektrotlar kullanılmaktadır. Burada 2 ve 5 numaralı elektrotlar yardımı ile toprağa elektrik akımı verilmekte ve içerde bulanan 3 ve 4 numaralı elektrotlar arasındaki gerilim okunmaktadır.
Ölçüm değerleri: mS/m veya ppm Çalışma frekansı: 330 ile 20,000 Hz arasında
0 ile 90 cm arasındaki ölçüm nasıl gerçekleşmektedir?
Hafıza: 112,000 ölçüm
Bu ölçüm derinliğinde ise 1, 2, 5 ve 6 numaralı elektrotlar kullanılmaktadır. Burada 1 ve 6 numaralı elektrotlar yardımı ile toprağa elektrik akımı verilir ve içeride bulunan 2 ve 5 numaralı elektrotlar arasındaki gerilim okunmaktadır.
Ölçüm aralığı: 0.1 ile 1000 mS/m arasında Uzunluk: 190 cm Genişlik: 20 cm
Veris 3100 sensörlerinde GPS alıcısından gelen konum bilgileri ile iki farklı ölçüm derinliğinden alınan veriler bir diskette saklanmaktadır.
Yükseklik: 15 cm Ağırlık: 6.4 kg
Şekil 3. Veris-3100 sensörü
Hartsock vd. (2001), halihazırda bulunan ticari EC sensörlerinin, arazinin hızlı bir şekilde EC haritasının çıkarılmasını sağladığını belirtmişlerdir. Fakat ne var ki bu konuda çok az yayınlanmış makale bulunmaktadır. Bu araştırma Veris 3100 EC sensörü ile bir yıl boyunca Kentucky’nin Pennyroyal ve Bluegrass bölgelerinde yapılmıştır. Her bir araziden toprak verimliliği ölçümleri (pH, BpH, P, K, Ca, Mg ve organik karbon), toprak yüzey nemi, toprak yüzey sıcaklığı, toprak üst katman kalınlığı ölçümleri alınmıştır. EC’nin, Ca (r2=0.59; Shelby Co.), Mg (r2=0.56; Shelby Co.) ve toprak nemi (r2=0.72) ile pozitif yönde ilişkisi olduğu belirlenmiştir. Bunun yanında kil içeriğindeki artış ile negatif yönde ilişkisi olduğu belirlenmiştir. (r2=0.38, Hardin Co.; r2=0.27, r2=0.66 Shelby Co.). [6]
Şekil 2. GEM-300 sensörü
Petersen (2001), elektromanyetik indüksiyon (EMI) yöntemlerinin oldukça ucuz, hızlı bir ölçme ve değerlendirme yöntemi olduğunu belirtmiştir. Toprak tuzluluğunun belirlenmesi amacı ile EM38 ve GEM300 sensörleri ile iki çalışma yapmıştır. Bir çalışma 54 hektarlık bir arazide iki sensörün karşılaştırılması amacı ile diğer çalışma ise 323 hektarlık bir arazide yalnızca EM38 sensörü ile yapılmıştır. Bu çalışmalardan elde edilen veriler çeşitli yazılımlar yardımı ile haritalara dönüştürülmüştür. Bu iki sensörün ölçümleri arasındaki ilişki katsayısı 0.8039 ile 0.8617 arasında değişmektedir. Fakat GEM300 sensörünün tahminlerinin EM38 sensörü ile karşılaştırıldığında doğruluğunun daha az olduğu belirlenmiştir. [5]
Sudduth vd. (2003), ticari olarak mevcut olan EC sensörlerinin etkili ve az masraflı olarak toprağın fiziksel ve kimyasal özelliklerinin tahmininde kullanılabildiğini belirtmişlerdir. Bu çalışmada toprağa temas etmeden kullanılan EC sensörleri EM38 ve Veris 3100 sensörlerinin karşılaştırılması amaçlanmıştır. Illinois’de iki arazide; Argiudoll ve Endoaquoll, iki tane arazide Missouri Aqualfs’ta olmak üzere çalışmalar yapılmıştır. Her bir araziden 12 ile 21 örnekleme konumundan ve 120 cm derinliğe kadar mesafeden ölçümler alınmıştır. 100 cm derinliğe kadar olan
1.3.1.2 Toprağa temas ederek çalışan sensörler Veris 3100 Alternatif akımla çalışan bu modelde disk şeklindeki elektrotlar toprağın içinde 6 cm derinlikte tarlada ya da arazide çekilmektedir. Bu modelde iki tip ölçme derinliği bulunmaktadır. Bunlar, 0 ile 30 cm ve 0 ile 90 cm arasındadır. Bu ölçme derinliklerinden alınan veriler ile eş zamanlı 163
kısımda ilişki katsayıları 0.74 ile 0.88 arasında bulunmuştur. Elden edilen en yüksek ilişki değerleri de bunlardır. İki sensör arasındaki farklılıklar genellikle Missouri’de elde edilmiştir. Kil içeriği ve pozitif yüklü iyonların EC ile ilişkisi genellikle yüksek ve tutarlı olduğu saptanmıştır. Ayrıca Missouri’de silt ve karbon içeriği ile EC arasındaki ilişkinin de yüksek olduğu belirlenmiştir. [7] 1.4 Tarımda kullanılan yeni sensör teknolojileri Gerçek zamanlı karar verme sistemleri Avantajlar anlık ölçümler gerçek zamanlı temassız algılama aktif algılama, gündüz veya gece ön hazırlık yapılmaya ihtiyaç duyulmaması her türlü ışık koşulunda çalışma imkanı Şekil 4. Üzüm kalitesinin saptanması amacıyla yapılan analizler
Uygulamalar Gübreleme denetimi Yabancı ot denetimi Patojenlerin teşhisi Ürün kalitesi Işık, su, bitki besin maddesi eksikliği stresi Ürün kalitesinin arttırılması Çeşitli iklim şartlarına karşı koruma Polifenolik antioksidan tahmini Nutrasotik özelliklerin (gıda maddeleri) tayini Bitki klorofil içeriğinin tahmini Bitki polifenol içeriğinin tahmini Girdi kontrolü
Şekil 5. Tahıl kalitesinin saptanması amacıyla yapılan analizler
Tohum seçimi Pülverizasyonun kontrolü Kalite parametrelerinin ölçümü Üzümün kalitesini ölçülmesi
belirleyen
antosiyanin
miktarının
Buğdayda protein miktarının ölçülmesi
Şekil 6. Tahıl kalitesinin yönetimi amacıyla yapılan istatistiksel analizler
164
2. KAYNAKÇA
ÖZGEÇMİŞ
[1] V.I. Adamchuka, J.W. Hummel, M.T. Morgan, S.K. Upadhyaya, “On-the-go soil sensors for precision agriculture“, Computers and Electronics in Agriculture, 44 (2004), 71–91
Ufuk Türker 1966 yılında Ankara’da doğdu. İlk, orta ve lise eğitimini Ankara’da tamamladı. 1984 yılında Ankara Üniversitesi, Ziraat Fakültesi, Tarım Makinaları Bölümüne girdi ve 1988 yılında aynı bölümden mezun oldu. 19901992 yılları arasında aynı bölümde yüksek lisans Eğitimini tamamladı. 1993-1998 yılları arasında İngiltere, Cranfield Üniversitesinde doktora eğitimini tamamladı. Daha sonra Almanya ve Belçika da doktora sonrası çalışmalarda bulundu. 2004 yılından beri Ankara Üniversitesi, Ziraat Fakültesi, Tarım Makinaları Bölümünde Yardımcı Doçent olarak görev yapmaktadır. Aynı zamanda bölüm başkan yardımcılığı görevini de sürdürmektedir. Ayrıca, Tubitak’ta Teknoloji Platformu üyeliği ile Tarım Makinaları Derneği üyeliği bulunmaktadır.
[2] Weiterman, G, “EM38 Study for IHARF Precision Farm”, P. Ag., Supervisor, Agro Environmental Unit, Sask Water, Box 1000, Outlook, Sask. S0L 2N0, Şubat 8, 2002. [3] Lahoche F., Godard C., Fourty T., Lelandais V., Lepoutre D, “A Multi Sensor Approach for Generating In field Pedological Variability Maps”. 6. International Conference on Precision Agriculture and Other Precision Resources Management; 2002/07/14, 2002/07/17; Minneapolis (EtatsUnis). [4] Hossain B. 2008. “EM38 For Measuring and Mapping Soil Moisture in Cracking Clay Soil”. Department of Geography and Planning University of New England, Armidale New South Wales, Australia. [5] Petersen M. L. 2001. “Use of Electromagnetic Induction Tools In Salinity Assessment/Appraisals in Eastern Colorado”, USDA-Natural Resources Conservation Service, Greeley, CO, 2001. [6] Hartsock, N. J., Mueller T. G., Thomas G. W., Barnhisel R. I., Wells K. L. and Shearer S. A., Robert P.C. et al. 2001. “Soil Electrical Conductivity Variability”, Proc. 5th International Conference on Precision Agriculture. ASA Misc. Publ., ASA, CSSA, and SSSA, Madison,WI, 2001. [7] Sudduth K.A., Kitchen N. R., Bollero G.A., Bullock D. G., and Wiebold W. J. 2003. “Comparison of Electromagnetic Induction and Direct Sensing of Soil Electrical Conductivity”, Agronomy Journal, vol. 95, May–June 2003.
165
Uğur Yegül 1983 yılında Ankara’da doğdu. İlk, orta ve lise eğitimini Ankara’da tamamladı. 2002 yılında Ankara Üniversitesi, Ziraat Fakültesi, Tarım Makinaları Bölümüne girdi ve 2007 yılında aynı bölümden mezun oldu. 20072010 yılları arasında aynı bölümde yüksek lisans eğitimini tamamladı. 2010 yılında doktora eğitimine ve aynı yıl Ankara Üniversitesi, Ziraat Fakültesi, Tarım Makinaları Bölümünde Araştırma Görevlisi olarak göreve başladı. TMMOB Ziraat Mühendisleri Odası Üyeliği bulunmaktadır.
GELECEĞİN KONUTUNDA YENİ TEKNOLOJİLER Seza Fı̇ li1, Selim Solmaz2 Gediz Universitesi, Seyrek Yerleşkesi, Menemen 35665 İzmir, TÜRKİYE
1
Tel: 232 355 0000/2316 GSM: 538 550 3439 E-Posta:
[email protected] 2 Gediz Universitesi, Seyrek Yerleşkesi, Menemen 35665 İzmir, TÜRKİYE Tel: 232 355 0000/2317 GSM: 533 418 2842 E-posta:
[email protected] Özet
algılanması, bununla birlikte fırsat ve yeniliklerin ortaya çıkarılması olanağını sağlayacaktır.
Bu çalışma kapsamında, akıllı konut teknolojileri olarak adlandırılan yeni gelişmeler geleceğin konutunu tanımlayan özellikleri ile ele alınacaktır. Akıllı konut, kullanıcıları ile interaktif bir ilişki içerisinde bulunmakta, insanların isteklerini ve gereksinmelerini yerine getirebilmekte; konfor, güvenlik ve bina yönetimi hizmetleri verebilmektedirler. Akıllı konut, enerji tasarrufu sağlayan sistemler, “homeoffice” teknolojileri, engelli ve yaşlılar için yaşamı kolaylaştırabilecek yeni teknolojiler, deprem anında önlemler alan sistemler ve benzeri uygulamaları içermektedir. Bu çerçevede tasarlanan ve geliştirilen yenilikçi projelerin konuttaki kullanımına dair örnekler incelenecektir.
2. KAVRAMSAL ÇERÇEVE İncelenen örneklere dayanarak geleceğin konutunda karşımıza çıkan yeni teknolojiler, aşağıdaki başlıklar altında sınıflandırılabilir:
Anahtar sözcükler: Geleceğin konutu, akıllı konut, teknoloji, sürdürülebilirlik.
otomasyon, bilgi ve iletişim teknolojileri;
sağlık sistemini destekleyen teknolojiler;
güvenlik sistemleri;
enerji teknolojileri;
çevreci ve yenilikçi malzeme teknolojileri.
Konutta sürdürülebilirliğin sağlanması açısından, minimum enerji ile maksimum konforun sağlanmasını amaç edinen ‘yeşil teknolojilerin’ geliştirilmesi gerekmektedir. Bu konuda günümüzde rüzgâr ve güneş enerjisinden faydalanan, yağmur suyunu değerlendiren, vb. çeşitli teknolojiler geliştirilmektedir.
1. GİRİŞ Yüzyıllar boyunca doğayı değiştirme amacı ile hareket eden insanlık, günümüzde teknolojiyi, doğanın kaybedilmek üzere olan kaynaklarını korumak ve sürdürmek için kullanma çabası içindedir. Dolayısıyla “sürdürülebilirlik” kavramı ile bütünleşik bir biçimde kullanılabilecek “yeşil teknolojiler”in geliştirilmesi zorunlu olmuştur. Sürdürülebilir bir dünya ve evren için bu teknolojilerin önemi günümüzde giderek artmakta olup geleceğin konut mimarisini de şekillendiren önemli bir kavram olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu da konutta “az enerji harcanarak, maksimum konfor sağlama” felsefesine temellenen akıllı konut teknolojilerini zorunlu kılmaktadır.
21. yüzyılda iş alanlarının, geleneksel ofis yaşamından konuta taşınması, bilgi ve iletişim teknolojilerinin daha da hızlanarak konutta yer almasını beraberinde getirmektedir (Coates ve Mahaffie, 1996). Bu teknolojiler kullanıcının dış dünyayla, konuttaki diğer kişilerle ve gerektiğinde konutla iletişimini sağlayan gelişmiş teknolojilerdir (Şekil 1).
Dijital teknolojilerin yaygın olarak benimsenmesi; birbirimizle iletişim kurma, alışveriş yapma, iletişim kurma, bilgi edinme, tıbbi destek alma, işimizi organize etme, kaynaklarımızı yönetme ve eğlenme biçimimizde bizleri keskin ve derin değişikliklere doğru yöneltmektedir. Bu aktiviteler gün geçtikçe artarak, direkt olarak konutlarımızda yer almaya başlayacaktır. Yapılar, toplumlar ve kentlerin nosyonu yeni teknolojilerle birlikte değişirken, konut sıradışı şekilde yeni bir önem kazanacaktır. (Url-4). Bu makalede, yukarıda belirtilen çerçeve dahilinde tasarlanan ve geliştirilen yenilikçi projelerin konuttaki kullanımına dair örnekler incelenecektir. Ayrıca, mevcut akıllı konut teknolojilerinin analizi ve yakın gelecekteki eğilimlerin belirlenmesi amaçlanmaktadır. Eğilimlerden elde edilecek çıkarımlar, gelecekte karşılaşılabilecek sorun ve tehditlerin
Şekil 1: Binalarda Teknolojik Değişimi Etkileyen Faktörler (Coates ve Mahaffie, 1996). 167
Güvenlik teknolojileri ise, kentleşme eğilimi dolayısıyla, gelecekte daha da önem kazanacaktır. Güvenlik kameraları, alarm sistemleri, konut dışından da takip edilebilen, günümüzde konutta yer almaya başlamış, gelecekte daha da geliştirilecek olan yeni teknolojilerdir.
özellikler sunacak, gerektiğinde enformasyon sağlayıcı elektronik bilgi panoları olarak hizmet edecektir. Güneşten gelen ultraviyole ışınlar aracılığıyla, yüzeyindeki titanyum dioksit nanoteknolojik parçacıkları harekete geçirerek kiri yok eden “kendi kendini temizleyen” camlar bilim adamları tarafından daha da geliştirilerek, evin ışık almayan diğer yüzeylerinin de nanoteknolojiler sayesinde bu özelliğe kavuşması sağlanmaya çalışılmaktadır (Morgenstern, 2006). Malzeme teknolojisindeki gelişmeler, kendi kendini yenileyebilen bu malzemelerin üretilmesini desteklemektedir. Bu noktada, konuta girecek yeni teknolojilerin, sürdürülebilirlik çerçevesinde geliştirilmesi gerektiğinin altı tekrar çizilebilir.
Bunun dışında konuttaki fiziksel çevre kontrolünü sağlayan, havalandırma, ısıtma-soğutma sistemlerine gelecekte, sürdürülebilirlik ilkeleri çerçevesinde minimum derecede ihtiyaç duyulması beklenmektedir (Uluengin, 2009). Günümüzde özellikle Amerika ve Avrupa’da nüfusun yaşlanması ile birlikte, sadece yaşlı ve engelli kişilerin kullanımına yönelik tasarlanan ve ileri teknolojiler içeren akıllı konutlar geliştirilmektedir. Akıllı konutların bu bağlamda içermesi gereken bazı teknolojiler, “dışarıdaki sağlık kurumları ile bir network aracılığıyla iletişime geçen acil destek sistemleri, kullanıcıyı konut içindeki engeller konusunda uyaran sesli ve ışıklı sistemler, ergonomik mobilya ve tasarımlari vb.” olarak açıklanabilir (Coates ve Mahaffie, 1996; Url-4).
3. KONUTTA SÜRDÜRÜLEBİLİRLİK VE
TEKNOLOJİ İLİŞKİSİ Günümüzde enerji ve doğal kaynakların korunmasının giderek önem kazandığı göz önünde bulundurulduğunda, geleceğin konutlarının, sürdürülebilirlik kavramını destekleyen “yeşil teknolojileri” barındırması zorunlu görünmektedir. Bu açıdan konutta teknolojinin kullanılması söz konusu olduğunda, teknoloji ve sürdürülebilirlik ilişkisi son derece önem taşımaktadır.
Gillespie ve Rutherford, teknolojinin hızlı değişen yapısından ve bu alanda söz sahibi olan güç ortaklarının zıt kutuplarda (“technophiles” ve “technophobes”) gruplaşmasından dolayı, konuttaki teknolojik gelişmelerin geleceği için tek bir sonuç önermemektedir. Bilgi ve iletişim teknolojilerindeki arz ve talep dengelerinin neredeyse gün bazında değiştiğini ifade etmektedir. Kablosuz ve kablolu iletişim teknolojisinin her ikisinin de konutta birlikte var olacağını öngörmektedir. Ayrıca, gelecekte, teknolojiye erişimdeki bölgesel parçalanmaları azaltmak için daha fazla halk katılımı sağlanmaya çalışılmasını ve yakın gelecekteki (özellikle geniş çaptaki) altyapı ve hizmetlerin hızlandırılmasını önermektedir.
Güneş ışığını elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik güneş pilleri, rüzgâr gülleri, hidrojen yakıt pilleri henüz kısmen de olsa günümüzde kullanılmaya başlanmıştır. Yine bu noktada, çevreye etkileri minimumda olan, geri dönüştürülmüş malzemeler içeren ve kullanım sonrasında geri dönüştürülebilecek malzemelerin seçilmesi gerekmektedir. Tüm bu gelişmelerin yanısıra, enerji korunumu ve kaynakların dengeli kullanılması açısından, konutun tasarımında dikkat edilecek noktalar güneş ışığından yararlanma olanakları düşünülerek konutun yönlendirilmesi, bulunulan iklim koşullarına göre bahçe, kış bahçesi, avlu vb. mikro iklim oluşturacak çözümlere yönelinmesi, havalandırmanın doğru konumda doğru açıklıklar belirlenerek, mümkün olduğu ölçüde doğal yollarla sağlanması gibi doğru tasarım kriterlerinin belirlenmesi, teknoloji ve sürdürülebilirlik kavramlarının ortak paydalara sahip olabilmesi açısından oldukça önemlidir.
Konut donatımının yenilenmesi ve genişletilmesi politikası, genişletilmiş bir teknolojik unsuru da içermeli; bu sayede, yeni herhangi bir yapım veya yenileme, konutların geniş ana yollar boyunca döşenecek, ana arter niteliğinde geniş çaplı, tercihen fiber malzemeden bir altyapıyı oluşturulabilecektir (Gillespie ve Rutherford). Konutlardaki duvar, döşeme gibi elemanlar ilerideki donatım değişikliklerine adapte olabilecek nitelikte esnek olmalıdır (Sev, 2009).
4. GELECEĞİN KONUT ÖRNEKLERİ
Konutlar, gündeme gelebilecek yeni veya iyileştirilmiş herhangi bir sistemi bünyesine dâhil edebilmek üzere esnek tasarlanmalıdır. Konutla ilgili araştırma ve geliştirme yapan uzmanların, telekomünikasyon sağlayıcı firmalarla daha yakın ilişkiler içerisinde çalışmaları teşvik edilmesi ve teknolojik gelişmelerin farkında olan sürdürülebilir, bu tip bir strateji, yalnızca kentsel alanlardaki gelişmeler için değil, tüm alanlarda izlenmelidir (Gillespie ve Rutherford).
Bu bölümde geleceğin konutuna ilişkin çeşitli projeler incelenmiştir. Bu projelerin seçilmesinde tasarıma ve uygulamaya dair bazı özellikleri etkili olmuştur. Özellikle ‘teknoloji’ bağlamında incelenen, ‘Gökyüzündeki ev’, ‘OfftheRoad_5speed’ gibi, örneklerde yapım teknolojisi, malzeme teknolojisi ve esnek tasarımın teknoloji tarafından sağlanması konusunda yenilikçi ve geleceğe dönük öngörülerin yer alması önem taşımaktadır.
Geleceğin konutunda yer alacağı düşünülen bir diğer özellik de, gelişen malzeme teknolojilerinin sağladığı akıllı malzemelerdir. Elektrik veya ısıya maruz kaldıklarında şekil ve özelliklerini yeniden kazanan, değiştiren hafızalı malzemeler, binaları depreme karşı koruyabilme özelliğine sahip olacaklardır. “Organik ışık yayan diyotlar” (OIYD) aracılığıyla konutun duvarları kullanıcıya farklı görsel
Konutlara girecek yeni teknolojilerin gözlemlendiği deneysel proje örnekleri, geleceğin konutundaki yaşam biçimine ve tasarım eğilimlerine dair ipuçları verecektir. Günümüzde ortaya çıkan teknolojiler bu ipuçlarını barındırmaktadır, bunların bazılarının protipleri hâlihazırda mevcut olup, sadece bazı revizyonlar gerektirmekte 168
ve yaygınlaşmsı için gerekli zamanı beklemektedir (Morgenstern, 2006). 4.1 Gökyüzündeki cam ev (New York) Bernard Tschumi tarafından 2000 yılında tasarlanan konut projesinde, geleceğin teknolojileri esnek, dolayısıyla gelecekte de ‘sürdürülebilir’ bir tasarım için kullanılmaktadır. Mimar, bu konut önerisi ile, kentleşme, esneklik, ileri teknolojiler gibi kavramların geleceğin konutunda yer alacağını ön görmektedir. Konut, çağımızda, yoğun metropolde boş alana duyulan ihtiyaca cevap vermektedir. Yeniden ortaya çıkan ‘banliyö’ hayaline karşı bir tepkidir; kenti terk etmek ve kent dışında yapay bir kent deneyimi yaratmaktansa, konut hem içinde hem üzerinde var olarak kente hitap etmektedir. Varolan binaların çatılarında yapılacak minimal uyarlamalarla, bu çatı konutları, yüksek-katlı ya da alçak-katlı binaların üzerinde, neredeyse her yerde konumlanabilir (Şekil 2). Konutlar aynı zamanda aşağıdaki kent manzarası için gözlem noktaları oluşturacaklardır (Tschumi, 2000).
Şekil 3: Eğrisel kütleyi saran cam kabuk, (Broyer ve Simonot, 2002).
Çatının ek yükü taşıyamadığı bir durumda, mevcut binanın kolonları ve yük taşıyan duvarlarına ek destek sağlanacaktır. Konutun ara katı, yalıtımlı çift katmanlı duvarın içinden konsol olarak çıkmaktadır. Servisler (su, elektrik, vb.) var olan tesisata bağlanabilmektedir (Broyer ve Simonot, 2002). 4.2 OfftheRoad_5speed konut projesi OfftheRoad_5speed, A58 otoyolu (Eindhoven, Hollanda) boyunca konumlanan, prefabrike, standart dışı bir konuttur (Şekil 4). Proje, standardize konut arzı ile gittikçe artan ve çeşitlenen talep arasındaki genişleyen boşluğu farkeden, müstakil konut üreticisi ‘Trudo Konut Kooperatifi’nin ortaya koyduğu bir çalışmadır. Seri üretime ve geniş tipolojik çeşitliliğe duyulan ihtiyaç ikilemine cevap vermesi ile OfftheRoad_5speed büyük ölçekte, standart-dışı, prefabrike konut üretimi için bütüncül bir sistem önermektedir.
Şekil 2: Mevcut binaların üzerinde konumlanan ev, (Broyer ve Simonot, 2002).
Servis ve sirkülasyon alanları, aynı zamanda yaşama mekanlarını tanımlamaya yardımcı olan, yalıtımlı bir ‘sandviç’ duvarın içinde yer almaktadır. Duvar, uzayıp daha sonra kendine doğru kıvrılmaktadır; yani odaların ve koridorların birbiri içine akmasına izin vermek için açılır, mahremiyet sağlamak için mekânları çevreler ve kapanır. Eğrisel kütleyi saran cam kabuk, iç-dış mekân ilişkisini kurmaktadır (Şekil 3).
Aktif bir süreç olarak tasarlanan proje, soruya her aşamada ve her yönüyle (kent planlama, mimari, teknik, vb.) cevap vermek ve dahil olmak amacındadır. Lars Spuybroek, ‘OfftheRoad_5speed’i birbirinden bağımsız farklı aşamalarda işlev görebilen ve tıpkı aracın hızına adapte olan bir arabanın vites kutusu gibi problemi algılayarak her türlü değişime uyum sağlayan bir konut üretim makinesi ile karşılaştırmaktadır. Her aşama, projenin entegre olması gereken bireysel bir “hareket” ile tanımlanmaktadır. OfftheRoad_5speed’in beş aşamasından birincisi olan ‘birinci vites’, ‘dahil olma” (kentsel planlama seviyesi)’ olarak adlandırılır ve konut örüntüsünü ve hatta düzenlemesini tanımlamaktadır. NOX, dik açılı
Kayan bölmeler ve servis duvarının dışındaki perdeler ile mekânlar birbirinden ayrılabilir, böylece daha fazla mahremiyet sağlanabilir. Banyolar, konutun içine doğru uzayan, geniş bir ‘akışkan’ ya da ‘ıslak’ duvar içinde yer almaktadır. Cam ve teknelerdekine benzer bir reçineden yapılan bu kompozit ıslak duvar yüzeyi, saydam/yarı saydam ve opak arasında değişebilmektedir. Diğer yüzü, yumuşak, bükülebilir elektronik imajlardan meydana gelen bir medya enstalasyonu gibi görünen ‘dijital’ bir duvardır. 169
2000’lere gelindiğinde ise, hızla gelişen teknolojinin, bu ütopyaların hayata geçirilmesi ve uygulanabilir olması açısından yeni fırsatlar sunduğu görülmektedir. 2008’de MIT ve Danimarkalı tasarım firması N55’in kollektif çalışması ile, altı ayak üzerinde yürüyebilen yeni bir prototip ev inşa edilmiştir. (Url-1). Yürüyen konut, şehirde ya da kırsal alanda yavaşça yürüyerek göçebe bir yaşam stili sunan, çevreye minimum zarar veren, modüler bir yaşam ünitesidir (Url-2). İngiltere’de Cambridgeshire bölgesinde bir sanat projesi kapsamında yürüyüşü test edilen proje, 3.5 metre yüksekliğinde olup, bir mutfak, tuvalet ve yatak ile donatılmıştır (Url-1).
rijit bir ızgara sistemini reddederken, otoyola dik giden 100 parametrik çizgi serisinin dahil edilmesiyle oluşturulan hareli bir örüntü önermektedir. Projenin ‘kıvrılma (tipoloji seviyesi)’ olarak adlandırılan ‘ikinci vitesi’, konutların zemin üzerindeki izinin ve arazi üzerindeki konumlanmalarının formülize edildiği noktadır. Herbirine tahsis edilen temel 23 x 6 metrelik dikdörtgen modül, ilk aşamada oluşturulan kuvvet alanı ile temas sonucu deforme olacaktır. Böylece sonsuz sayıda varyasyonun oluşmasına olanak verecektir. ‘Tünel açma (program seviyesi)’, olarak adlandırılan ‘üçüncü vites’e gelindiğinde, tipolojilerin geliştirilmesi gerekmektedir. Her modül üç farklı kuvvet serisine; konutun programla ilgili üç farklı yönüne karşılık gelen üç açıdan (kollektif, kişisel ve çok özel) ‘derinleştirilme’sine ayrılmaktadır. Bu aşama, programı geliştirirken, 3,600 farklı konfigürasyon oluşturmaktadır. ‘Dördüncü vites’ ya da ‘panel oluşturma (üretim seviyesi)’ aşaması ile bilgisayar-destekli prefabrike panel üretimi başlamaktadır. Son olarak, ‘beşinci vites’, ‘yaşam tarzı oluşturma (yaşam seviyesi)’ konutun iç mekanlarını donatmayı içermektedir (Şekil 4).
Güneş paneli ve küçük ölçekli rüzgar mili ile enerjisini sağlamakta, rağmur suyu toplama ve sıcak su sağlama sistemi barındırmaktadır. Kullanıcıların temel yiyecek ihtiyaçlarını sağlamak için küçük bir yeşil-konut ünitesi daha modüle eklenebilir. Tuvalet sistemi ise, kullanıcıların kanalizasyon atıklarını gübre olarak geridönüşümünü sağlamaktadır. Ayrıca, CO2 salınımı olmadan ısıtmayı gerçekleştiren bir odun sobası eklenmiştir. Birden çok modülün biraraya gelmesi ile yürüyen konut, farklı ölçeklerde yürüyen köy veya yürüyen topluluklar oluşturabilmektedir (Şekil 6) Konut, yalnızca kenttteki mevcut yol ağı üzerinde değil, tüm arazi şartlarında hareket edebilecek özellikte tasarlanmıştır (Url-2).
Şekil 4: OfftheRoad_5speed iç mekan tasarımı, (Broyer ve Simonot, 2002).
NOX’a göre, konut donatılarının üretimi, konutun kendisinde olduğu gibi, standart-dışı bir yaklaşımla gerçekleştirilebilir (Broyer ve Simonot, 2002) 4.3 Yürüyen Konut Şekil 6: Bir araya gelebilen modül sistemi (Url-2).
Konutlar genelde oldukça durağan nesneler olarak kabul edilse de, ilk olarak 1960’larda “Archigram” gibi avangard mimari grupların ütopik konut ve kent projeleri ile “yürüyen konut” kavramı gündeme gelmiştir (Şekil 5).
MIT öğrencisi Samuel Kronick, konutun bacaklarının insan kasının hızında hareket edebilmesini sağlayacak bir yazılım tasarlamıştır. Böylece konut, kampüs çevresinde saatte 60 metre hızla yürüyebilmektedir. Kronick’in aktardığına göre konutun bacak sisteminin ayağın istenen konumuna bağlı olarak mafsal le birleştirilen her elemanın pozisyonunu hesaplamak için bir yazılım algoritmasına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu işlem “ters kinematik” (inverse kinematics -IK) olarak adlandırılmaktadır. Bu algoritmalar dört ayaklı aygıtlarda bulunan dairesel eklem sistemleri için geliştirilmiş olup, altı ayaklı bu örnek için ise yeni bir IK algoritması yazılmıştır. Altı bacaklı bu sistem, öngörülemeyen zemin üzerinde bile yüksek stabilite sağlamıştır. Yüksek motor kapasitesi ile konut sola ve sağa dönebilmekte, ileri ve geri hareket edebilmekte ve istendiğinde yüksekliği değişebilmektedir (Şekil 7).
Şekil 5: Archigram, Walking Cities, 1964, (Url-3).
170
18 servo motor, ve 12 fan kullanılmış ve bu ekipmanlar 60 m2 boyutundaki uygulama konutunda döşeme altı ve duvar arkalarına yerleştirilmiştir. Eyleyicilerden TES nem denetimi, fan ve akış kapıları ise FDM ler etrafında akış düzenleyici olarak görev yapmaktadır (Şekil 8). Algılayıcılar ise tetikleyici olarak kullanılmakta ve ışık, nem ve sıcaklık algılayıcılarından oluşmaktadır (Şekil9). Ayrıca bu sistemin internet ortamından denetimi ve kontrolünü sağlayacak bir kullanıcı arabirimi tasarlanmıştır.
Şekil 7: Yürüyen Konut (Url-1).
Karada olduğu gibi su yüzeyinde de hareket edebilecek bir yapının geliştirilmesi için testler yapılması planlanmaktadır. Ön panelde yer alan bir bilgisayar aracılığıyla GPS koordinatlarının programlanabilmesi, Google Maps ya da benzeri bir arayüz aracılığıyla internet ya da iPhone üzerinden konutun uzaktan kumanda edilerek, belirlenen güzergâh üzerinde güvenli bir şekilde yürüyebilmesi amaçlanmaktadır (Url-1). 4.4 Bioklimatik Konut Bu deneysel çalışmada, akıllı konut teknolojileri kapsamında binaların belirli sensör elemanları ve otomatik açılıp kapanabilen paneller ile ideal sıcaklığının pasif ısı transferi ile sağlanması amaçlanmıştır. Uygulamada asıl amacın binaların ısıl ataletinin korunması olduğu belirtilmiş, geleneksel olarak kalın seramik, taş veya dolgu toprak yapı malzelmeri ile sağlanan bu ataletin modern mimarinin gerektirdiği ucuz ve hafif yapı malzemeleri ile mümkün olmadığı açıklanmıştır. Bioklimatik mimari sürdürülebilir malzemeler, ekolojik yapısal elemanlar ile beraber aktif ve pasif enerji üretim ve korunum yöntemlerinin kullanıldığı mimari olarak tanımlanabilir. Yapının tasarımcıları termodinamiğin temel kavramlarından hareketle, bir maddenin faz değişimi sırasında sıcaklığının sabit kalması prensibine dayanarak tasarlanabilecek uygun yapı elemanlarının bir binanın ısısının ideal düzeylerde korunabileceğini ifade etmişlerdir. Bu tür yapı malzemeleri Faz Değiştiren Malzemeler (FDM) olarak tanımlanmış ve bu malzemelerin yapılarda kullanımı motive edilmiştir. Bu tür mazemeler ile beraber birbiri ile bağlantılı algılayıcı ve eyleyicilerden oluşan bir ağ deneysel bir konutta uygulanmış ve sonuçları analiz edilmiştir.
Şekil 8: Yaz aylarında gece ve gündüz saatleri için hava akış kontrolünün illüstrasyonu
Entegre sistemin deneysel tecrübesinde, aktif akış kontrol elemanları ile pasif soğutma prensibine dayanan sistemin, düşük sıcaklık farklarında, ısıl dengeyi belirli bir aralıkta tutmayı başardığı gösterilmiştir. Ancak geleceğin konutunda tasarlanan sistemin uygulanabiliriliğinin ve etkinliğinin ısı pompaları ve aktif ısıtma-soğutma ekipmanları ile arttırılabileceği belirtilmektedir.
Bu uygulamada FDM’leri destekleyen kontrol eyleyicileri sırasıyla fanlar, termo-elektrik soğutucular (TES yada Peltier) ve hava akımını düzenleyici akış kapıları olmakla beraber bunların hava koşullarına göre denetimi bir merkezi mikrodenetimci tarafından yapılacak şekilde tasarlanmıştır. Dizayn edilen sistemde eyleyici ve algılayıcıların sayılarında belirli bir sınır olmayıp merkezi bir yapıdan bağımsız olarak yerleştirilebilmekte fakat bunların entegre koordinasyonu merkezi mikrodentimci tarafından yapılmaktadır. Uygulama kapsamında eyleyici olarak 150 adet FDM kapsülü, 6 TES,
Şekil 9: Uygulama konutunda algılayıcı ve eyleyicilerin konumları 171
4.5 Hidrojen yakıt hücresi ile çalışan akıllı konut Bu örnekte Hidrojen Yakıt Hücresi (HYH) adı verilen ve Hidrojenin kimyasal enerjisini faydalı ısı ve elektrik enerjisine çevirebilen cihazların mimari yapılara entegrasyonuna yönelik oldukça kavramsal ve deneme niteliğinde bir çalışma yapılmıştır (Şekil 10). Fosil yakıtların aşırı kullanımı ve bunun doğurduğu çevresel etkilere karşı Hidrojen yakıtını kullanan konutlar alternatif bir yaklaşım olarak önerilmiştir. Evsel enerji kullanımının toplam enerji talebindeki azımsanamayacak oranı düşünüldüğünde bu tür teknolojilerin yaygınlaşması çevre korunumu ve sera gazlarının azaltılması açısından oldukça faydalı olacağı belirtilmekte ve bunun nedeninin HYH kullanımı veya Hidrojenin doğrudan yakılmasının yan ürünü olarak sadece su açığa çıktığına işaret edilmektedir.
Şekil 11: Hidrojen Evi (Malezya)
Son olarak HYH ne dayanan akıllı ev teknolojilerinin sürdürülebilir enerjiye dayanan bir gelecek için çok önemli bir ilk adım teşkil edeceği belirtilmiş ve çevreye zararlı olmayan, verimli ve tutumlu konutların bu bağlamda önemine dikkat çekilmiştir.
HYH ve bununla ilgili teknolojilerin hali hazırda oldukça pahalı olması bu alanda yeni teknikler ve malzemelere dayanan yaklaşımlar gerektirmekte olduğu belirtilmektedir ve bu kapsamda yapılacak gerçekçi ve olurlu yeniliklerin HYH dayanan akıllı ev teknolojilerinin daha geniş bir taban yayılmasını sağlayacağı belirtilmiştir.
5. UZMAN GÖRÜŞLERİ VE ÖRNEKLERİN DEĞERLENDİRİLMESİ Uzman görüşleri ve proje örneklerinden ortaya çıkarılan anahtar kavramlar aşağıdaki gibi özetlenebilir: Teknoloji, tasarım ve konstrüksüyon entegrasyonu Enerji korunumu Çevresine ve kullanıcıya yanıt veren mekanlar ve yapı malzemeleri. Varyasyon Esnek Tasarım Kentleşme Mobilizasyon İş ev yaşam alanlarının birleşmesi
Şekil 10: Taslak hidrojen evi (Golding, R., Blyton, P., 2007.)
Teknoloji kavramının artan bir hızla konutta yer alacağı birçok mimar tarafından belirtilirken, bu gelişimin iş ve yaşam alanı ayırımını tamamen ortadan kaldıracağı öngörülmektedir. 1970’lerde ortaya atılan, gelişen teknolojilerin konutta esnek tasarımı ve yeni yapım teknolojilerini destekleyeceği fikri, 21. yüzyıl başında da geçerliliğini korumaktadır. Bu kez farklı olarak, tasarımda varyasyonu sağlayacak dijital üretim teknolojilerinin ve enerji korunumunu destekleyen ‘yeşil teknolojilerin’ üzerinde durulmaktadır.
Makalede HYH teknolojilerinden Proton Değişim Membranı (PDM) ve Katı Oksit Yakıt Hücreleri (KOYH) bu alandaki güncel teknolojiler olup Hidrojenin sürdürülebilir bir alternatif enerji kaynağı olarak kullanımına dikkat çeken başlıca yaklaşımlar olduğu belirtilmiştir. Bunlardan özellikle PDM, saf Hidrojenin elektrik enerjisine dönüştürülmesini sağlayan bir teknoloji olup, bir konutta çatıya monteli güneş panelleri ve bunlara bağlı bir su elektroliz ünitesiyle Hidrojen gazı üreten bir sistemle beraber entegre edildiğinde kendi elektriğini üretebilecek konutları olurlu kılabilecek bir teknoloji olarak öne çıkacağı belirtilmektedir. KOYH teknolojisine dayanan sistemin PDM den farklı olarak doğal gazın başkalaşması ile hidrojen gazı üreten bir sistem olup bu işlem sonucunda çok yüksek saflıkta su ve ısı açığa çıkacağı açıklanmıştır. Tasarımcılar bu ve benzer yaklaşımlara yönelik bir uygulama konutunu kavramsal olarak planlamışlardır. Benzer amaçlarla bir Hidrojen Konutu Malezya Kebangsaan Üniversitesi tarafından inşa edilmiştir (Şekil 11) .
Ayrıca, bu örnekler ve uzman görüşlerinin incelenmesi sonucunda geleceğin konutunda yer alacak teknolojilere yönelik öngörüler ve beklentiler aşağıdaki gibi tespit edilmiştir: •
172
Konut teknolojilerinin “sağlık”, “güvenlik”, “iletişim”, “iklimlendirme”, “ısı ve güneş kontrolü”, “malzeme” alanlarında geliştirileceği ve bu yeni teknolojilerin hızla konuta gireceği öngörülmektedir.
•
•
•
•
•
•
•
•
Alternatif enerjilerin (rüzgâr, güneş, biokütle, vb) üretilmesine yönelik teknolojilerin konut tasarımında yer alacağı öngörülmektedir. Konuttaki yeni malzemelerin, tasarımın, çevrenin ve kaynakların sürdürülebilirliği açısından kendi kendini yenileyebilen ve yerel malzemeler olacağı öngörülmektedir. Bu yöndeki araştırma-geliştirme çalışmaları nanoteknolojik malzemelerin de konutta kullanımını gündeme getirecektir. Bu malzemelerin mümkün olduğu kadar, çevreye zarar veren petrol ve türevleri yerine yerel olarak sağlanabilecek doğal veya kompozit malzemeler olması, malzeme teknolojilerinin de bu yönde geliştirilmesi beklenmektedir. Hızla gelişen iletişim teknolojilerinin konuta girmesi ile (bir ağ aracılığıyla dış dünyayla iletişim kurabilen LCD yüzeyler, vb) kullanıcının yaşamını kolaylaştıracak yenilikler söz konusu olacaktır. Özellikle yaşlı nüfusunun ülke nüfusunun belirli bir payını oluşturduğu, genç nüfus artışının daha az olduğu Avrupa ülkelerinde, yaşlıların konutta tek başına yaşamalarını sağlayacak yaşam destek ünitelerine ilişkin teknolojiler konuta girecektir. İş ve yaşam alanlarının birleşeceği ve konutların “home-office” olarak kullanımının yaygınlaşacağı öngörülmektedir. Buna bağlı olarak esnek ve yeni teknolojilere uyarlanabilir tesisat sistemleri ve konut tasarımları gerekecektir. Buna bağlı olarak yeni yapım teknolojilerinin geliştirilmesi, hafif ama dayanıklı taşıyıcı sistemlerin tercih edilmesi söz konusu olacaktır. Ancak, tüm yeni teknolojilerin sürdürülebilirlik ilkelerini (kaynakların etkin kullanımı, alternatif enerji kaynakları, çevreye minimum zarar, vb) gözeterek geliştirilmesi beklenmektedir.
[8] Rambert, F., 2005. Architecture Tomorrow, Edigroup, Paris. [9] Sev, A., 2009. Sürdürülebilir Mimarlık, YEM Yayın, İstanbul. [10] Tschumi, B., 2000. ‘What will our houses look like?’, Time, Vol. 155, Iss. 7, pp. 86, New York. [11] Uluengin, M. B., 2009. Sürdürülebilir Mimarlık Konferansı, YEM, İstanbul
12] Dobbs, D. 2000. ‘At home in the new millennium’, Today’s Homeowner, Vol. 95, Iss. 841; pages 47-51. p-gadgets/article/2008-11/house-walks>, 2011.
alındığı
tarih
Url -2: , alındığı tarih 2011. Url- 3: , alındığı tarih 2009. Url-4: , alındığı tarih 2009.
ÖZGEÇMİŞ
Dr. Seza Filiz– Dr. Filiz 1974 Denizli doğumludur. 1999 yılında, İstanbul Teknik Üniversitesi Mimarlık Bölümünden Lisans diplomasını, 2002’de ise Marmara Üniversitesi Güzel Sanatlar Enstitüsü İç Mimarlık Bölümünden Yüksek Lisans diplomasını almıştır. Dr. Filiz, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Mimari Tasarım programından, 2010 yılında Doktora diplomasını almıştır. Yüksek Lisans tezi, mutfak tasarım organizasyonunda işlev-kültür bağıntısının etkileri üzerine bir incelemeden oluşmaktadır. Doktora tez çalışması ise, sürdürülebilirlik ve teknoloji bağlamında geleceğin konut tasarımına ilişkin bir gelecek tahmin modeli oluşturulması üzerinedir. Dolayısıyla, araştırma alanları, iç mimari tasarım problemlerinin yanı sıra, sürdürülebilir mimari ve özellikle konut tasarımını kapsamaktadır.
6. KAYNAKÇA
Dr. Filiz, 1999-2008 yılları arasında mimarlık ve iç mimarlık mesleki pratik alanlarında tasarımcı, proje uzmanı ve uygulamacı olarak çalışmıştır. 2008-2010 yılları arasında İstanbul Aydın Üniversitesi Mimarlık Fakültesinde öğretim görevlisi ve program başkanı olarak görev yapmıştır. Lisans mezuniyetinden sonraki süreçte, farklı ölçekte çeşitli tasarım yarışmalarına katılmış, 2002 yılında Siemens Dış Cephe ve Vitrin Tasarımı yarışmasında “Jüri Özel Ödülü” ne layık görülmüştür. Dr. Filiz, 2010 yılından bu yana, Gediz Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesine bağlı olan İç Mimarlık Bölümünde, “Yardımcı Doçent Doktor” olarak görev yapmaktadır. Halen vermekte olduğu “Mimari İletişim Teknikleri” ve “Mimari Tasarım” derslerinin yanı sıra; sürdürülebilir mimarlık, iç mimari ve geleceğin konutu üzerine araştırma çalışmalarını yürütmektedir.
[1] Á. Gutierréz, J. Jiménez-Leube, and L. Magdalene, A distributed sensor network for the control of bioclimatic house in Spain, Sensors, Vol. 9, pages 8197-8214, 2009. [2] Broyer M., and Simonot, B., 2002. Archilab’s Future House, Radical Experiments in Living Space, Thames & Hudson, London. [3] Coates, J.F. and Mahaffie, J. B., 1996. Technology and the Future of Apartment Living, The Journal of Urban Technology, Vol. 3, no. 3. [4] Gillespie A., Rutherford J., 2004. Kentsel ve Bölgesel Gelişme Çalışmaları, University of NewCastle. [5] Golding, R., Blyton, P., 2007. Materials and Devices for Hydrogen Fuel Cell Smart House, Advances in Appllied Ceramics, Vol. 106, pages 6-8.
Dr. Selim Solmaz- Dr. Solmaz 1978 İzmir doğumludur. 1995 yılında İzmir Atatürk Lisesinden, ve 2001 senesinde ise Orta Doğu Teknik Üniversitesi Havacılık Mühendisliği Bölümünden mezun olmuştur. Yüksek lisansını 2003 senesinde Purdue University, West Lafayette’de Havacılık ve Uzay Mühendisliği alanında tamamlamıştır. Selim Solmaz
[6] Levett, R., 2004. Housing in a changed climate, Housing Futures 2024 Conference, RIBA, London. [7] Morgenstern, S., 2006. Our High-Tech Dream House, Popular Science, Vol. 269, Iss. 5, pp. 62. 173
doktorasını National University of Ireland-Maynooth’da bir disiplinler arası uygulamalı matematik araştırma merkezi olan Hamilton Enstitüsü bünyesinde icra etmiş ve derecesini 2007 senesinde Elektronik Mühendisliği Bölümünden almıştır. 2007-2010 seneleri arasında yine Hamilton Enstitüsünde doktora sonrası araştırmacı olarak çalışan Dr. Solmaz, 2010 senesinde Türkiye’ye kesin dönüş yapmış ve Eylül 2010 itibariyle Gediz Üniversitesi Makine Mühendisliği bölümü öğretim üyesi kadrosuna katılmıştır.
Doktora uzmanlığı otomotiv taşıt dinamiği ve aktif taşıt güvenlik kontrol sistemleri üzerine olan Dr. Solmaz halen aynı konuda çalışmalarını sürdürmekle beraber akıllı sensör teknolojileri bunların binalara uygulanması üzerine çeşitli çalışmalar yürütmektedir. Dr. Solmaz ayrıca alternatif ve yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılmasına yönelik yeni çalışmalara da başlamıştır.
174
GETEK giris:AYDIN_ACEMI.qxp 14.10.2011 14:28 Page 16
VIII. OTURUM OTURUM BAŞKANI: Özgür MÜFTÜOĞLU > Sempozyum Danışmanlar Kurulu Üyesi TEKNO-LOGİC-TEKNİK AKLIN ELEŞTİRİSİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .177 Sinan ALÇIN (Maltepe Üniversitesi) YENİ TEKNOLOJİLER VE EMEK SÜRECİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183 Özgür NARİN (Ordu Üniversitesi) YENİ TEKNOLOJİLER VE KRİZ: BİLEŞENLER SEKTÖRÜ ÖRNEĞİ . . . . . . . . . . . . . .189 Kurtar TANYILMAZ (Marmara Üniversitesi)
16
TEKNO-LOGIC Sinan ALÇIN Maltepe Üniversitesi, İİBF, İktisat Bölümü, 34857, Maltepe-İstanbul/ TÜRKİYE Tel: 216 626 10 50/2374 GSM: 532 718 15 23 E-posta:
[email protected]
Özet
Deterministik olma tanımı gereği, nomolojik1 olmayı, dolayısıyla beşeri irade, beşeri özgürlük ve bireyi “dışsal” olarak ele almak anlamına gelecektir. Deterministik olma, öte yandan, “geçmiş” ile “gelecek”i “şimdi” dolayımında ilişkilendirmek, bağlantılandırmak demektir. Üstelik, bu ilişki ve bağlantıların “zorunlu”, “kaçınılmaz” gibi nitelikle donanmış olması beklenecektir. Diğer bir ifadeyle, tarihteki bütün zamanlar ve bütün mekânlar için geçerli önermeler biçiminde ifade edilmelidir bu bağlantı ve ilişkiler. Böyle bir anlayış teknolojiyi “doğal”, teknolojik değişmeyi de “doğal olay” şeklinde sunabilme becerisini göstermelidir.
Teknolojinin bilim, sosyal gruplar ve toplumsal yaşayış içerisindeki/üzerindeki rol ve etkisi tarihin hiçbir döneminde olmadığı kadar başat durumdadır. Bu baskın hal, -bugün durduğumuz yerden bakınca her ne kadar organik bir görünüm sunsa da- toplumsal emeğin ürünü olan teknolojinin hayatın neredeyse tüm alanlarına yayılışı çok eskilere dayanmamaktadır. Teknolojinin farklı biçimlerde ortaya çıkışı beraberinde o’nun determinist bir yaklaşımla içselleştirilmesine yol açmaktadır. Teknolojinin bu içerilme hali yeni bir tür mantık yaratmaktadır: Tekno-Logic. Tekno-Logic, bir anlamda teknik aklı betimlemektedir. Bu çalışmada teknik aklın ya da Tekno-Logic’in eleştirel bir persfektifle ile ele alınması amaçlanmaktadır.
Böylece teknolojik determinizmde teknoloji, “bağımsız değişken” haline gelir ve teknolojideki değişmeler de toplumsal değişmeleri belirler. Nedensellik ilişkisi, teknolojiden topluma doğrudur, tersi değil (Üşür, 2001: 23). Teknolojik gelişimlerin üretim ilişkilerine “koşulsuz” uyarlanması konusunda birçok “eleştirel”(?) düşünür de vazife çıkarmıştır. Er Kund’un (1975: 176) şu ifadesi durumu özetler nitelikte:
Anahtar sözcükler: Teknoloji, Determinizm, Denetim 1.
GİRİŞ
Teknoloji kavramı, genel olarak endüstriyel faaliyetlere ilişkin bilgilerin ya da daha genel olarak mal ve hizmetlerin üretimine uygulanan bilgilerin tümü olarak tanımlanabilir. Bu tanımı, mal ve hizmet üretiminin yöntem ve tekniklerini dağılım, bölüşüm şekil ve ilişkilerini, yani üretimin örgütlenme biçimini kapsayacak şekilde genişletmek mümkün. Bu noktada dikkat edilmesi gereken şey, teknoloji kavramının bir üretim biriminde, girdileri çıktılara dönüştüren süreçte uygulanan üretim tekniklerinden daha farklı ve geniş bir anlam taşıyor olmasıdır. Üretim teknikleri, üretimde kullanılan sermaye ve emek oranı ve ürünün niteliğinin belirleyeni iken, teknoloji, bu belirlenimi emeğin ve üretimin toplumsal örgütlenişi düzeyinde belirleyen durumundadır. Yani teknoloji, bilginin üretime içerildiği toplumsal bir süreçtir (Gülsever, 1989:2).
“Bugünkü şartlar içinde bu değişmeyi [Bilimsel ve teknolojik] görmek değil, ona sahip olmak ve üstesinden gelmek önemlidir. Nasıl endüstri devrimi olurken Osmanlılar, merkezi derebeylik düzeni olan padişahlıkla bu devrime sahip olamamış, üstesinden gelemeyip, geri kalmışlığa düşmüşlerse, bu günde birçok ülkeyle birlikte bizde de bilimsel-teknik devrimi köstekleyen tutucu düzen içinde, bir kere daha büyük bir gelişmeye seyirci kalmaktayız” İçinde yaşadığımız verili toplum (kapitalizm) içerisinde bilimsel ve/veya teknik gelişimi sınıf temelinden yoksun bir biçimde değerlendirmek ve “kaçınılmaz bir süreç” olarak yorumlamak, kavram ve anlam düzleminin tamamen bağlamından koptuğunu göstermektedir.
2. TEKNOLOJİK DETERMİNİZMİN KÖKENLERİ
Teknoloji konusunda çalışan bilim insanı, politikacı ve yatırımcıların neredeyse tamamı, -bilerek veya bilmedenteknolojinin deterministik (belirlenimci) yanına büyük bir inanç beslemektedir. Kimilerine göre; mevcut toplumsal gelişmenin momentusu, kimine göre ise toplumsal deformasyonun temel sorumlusudur teknolojik yenilik. Teknolojiye yüklenen bu uhrevi anlam, özellikle üretim ilişkileri içerisinde sınıfsal çelişkilerinde –en azından algılama düzeyinde- “normalleştiği” bir zemin oluşturmaktadır.
Bilim ve teknoloji, toplum tarafından inşa edilen kültürler olarak kabul edilir. Bu durumda teknoloji insanların, becerilerin ve aletlerin özellikli bir karmasıdır. Önemi fazla ve sosyal yönü çok ön planda olduğu için, belirli bir teknolojik çerçeve 19. yüzyılda sosyal kalkınmanın belirleyici vektörü olarak kabul edilmekteydi. Teknolojinin sosyal ve kültürel güçleri belirlediği şeklindeki bu inanç, teknolojik determinizm 1
Teknolojik olanın aynı zamanda deterministik olması, daha başlangıçta, bir kavram sınırlamasını beraberinde getirir.
177
Max Weber’in sosyoloji anlayışına ait bir kavramdır. Bilimsel yöntem kullanılmadan tesadüfi olarak tecrübeyle edinilen bilgilerin bilinmesidir. Bu bilgiler önbilimsel bilgilerdir. Weber’e göre pozitivizmin en büyük yanılgısı nomolojik bilgileri yorumlamadan olduğu gibi bilimsel bilgi olarak kabul etmesidir.
olarak bilinir. Bugün modern hayatın her yönünün teknoloji
mevcuttur ve üretkenlik artırır.
ile kesiştiği genelde kabul edilmektedir. Teknoloji toplumun dışında bir şey değil, aksine sosyal yapının bir boyutudur., sosyal sistemin bir katmanıdır (Fernandes ve Mendes, 2003: 153). Teknoloji ve toplum arasındaki ilişkiye dair en tesirli teori olan teknolojik determinizme göre, teknoloji aslında bağımsız bir faktördür ve ondaki değişiklikler sosyal değişikliklere yol açar. Bu tespit teknolojik determinizmin iki versiyonunu işaret etmektedir: (1) Teknolojik değişim sosyal değişimi belirler; (2) teknolojik gelişme sosyal etkilerden özerktir ya da bağımsızdır (Misa, 1988: 309).
Oysa ki, durum determinist bakış açısının tanımladığından çok daha farklıdır. Ne teknolojik yenilik ne de onun nasıl kullanıldığı veya kullanılmadığı doğrudan toplumun kültürel ve siyasal yapısıyla ilintilidir. Biz ancak mevcut teknolojiler ve onların kullanım alanlarından hareket ederek ilgili toplumun sos-kültürel yapılanması hakkında fikir edinebiliriz. Teknoloji bir toplumu tanımlamada önemli bir dizi ipucunu içinde taşır. Childe’ın oldukça açıklayıcı anlatımına başvuracak olursak; “bir kayığın üretiminde kullanılan aletler, tüm bir ekonomik ve sosyal yöntemi simgelemektedir”. Taş Çağı’ndaki tek bir ağaç gövdesinden oyularak yapılan kayık aslında bir çok şeyi bize anlatıyor; “Bugünkü geminin doğrusal atası olan kayık belirli bir ekonomiyi/sosyal örgütlenmeyi simgeler, ama bu düzen bugünkünden çok başka ve çok çok daha basittir. Gerekli olan tek araç taş bir baltadır, işçi bunu evinde, yanı başındaki derede bulduğu bir çakıl taşından yapabilir. Kayık için gerekli olan tahta, en yakın ağaçtan sağlanır. Ağacın kesimi, yontulması ve üretilen kerestenin kıyıya taşınması, birçok işçinin işbirliğini gereksindirebilir. Ama gerekli işçi sayısı küçüktür ve bir ailenin üyeleri bu işi üstlenebilir. Üstelik kayık, kendilerini ve ailelerini beslemek gibi temel görevlerinin yanı sıra, boş vakitlerinde balıkçılar ve işçiler tarafından yapılabilir. Bu uğraşı için başka yerlerden yiyecek ithal etmek hatta toplumsal üretim artığı bile gerekmez; bu, kendi kendine yeterli toplumların ya da ailelerin simgesidir”. Diğer yandan günümüzdeki “Modern bir tekne çeşitli yerlerden, çoğunlukla uzaklardan getirilen ham maddelerin belirli bir özete toplanmasını gerektirir; geniş kapsamlı, verimli bir haberleşme ve ulaşım yöntemi zorunludur. Üretim için, tümü ayrı dallarda uzmanlaşmış, ortak bir plan ve merkezi yönetim altında çalışan büyük işçi grupları gereklidir. Üstelik, bu işçilerin hiçbiri avlanma, balık tutma ve tarımcılık yoluyla kendi besinlerini kendileri sağlayamazlar. Bunlar yalnızca besin üretimi ile uğraşan ve gene çok uzaklarda yaşayan başka uzmanların üretim artıklarıyla beslenirler” (Childe, 1979: 15; Ercan, 2006: 48-9).
Teknolojik determinizm, teknolojinin toplumsal referanslara başvurmadan açıklayabileceğimiz ‘otonom’ ya da bağımsız bir mantığı, bir ‘özü’ bulunduğu kabulüne dayanır. Teknoloji yalnızca hizmet ettiği amaç açısından toplumsal addedilebilir. Bu tavrın iki temel bileşeni; •
Teknik değişimin basit tasarımlardan karmaşıklara doğru lineer bir gelişme çizgisi izlediği, ve bu gelişme boyunca belirgin aşamalardan geçtiği,
•
Toplumsal kurumların teknik değişimin dayattığı biçimleri aldığı,
savlarıdır. Modern sanayi teknolojisi ve onun ürünleri kendilerine karşılık gelen toplumsal kurumları şekillendirmişler ve deyim yerindeyse, evrensel bir uygarlık yaratmışlardır. Farklı feodaliteler, hatta erken kapitalizmler olabilir ama modernite tektir (Kuban, 1999: 1). Determinizmin yaygın kabul gören bir iddiası teknolojinin araçsallığıdır. Yani teknolojiler, onları kullananların elinde yararlı ya da zararlı olurlar, kendiliklerinden bir değer taşımazlar. Bir araç olarak teknolojinin dört temel özelliği olduğu savlanır: 1) Saf bir araçsallığın ifadesi olarak teknoloji, kendisi kullanılarak başarılmak istenen işe ilgisizdir, o işin özündeki değerin özelliğini üstlenir.
Bu noktada, teknolojinin ontolojik ve morfolojik yapısını birbirinden ayırmamız gerekmektedir. Böylelikle görünüm ile varoluş arasındaki tülü aralamamız mümkün olabilir. Teknolojinin felsefesi ile teknolojinin görünümü gündelik hayatta birbirinden kopuk iki faklı alan olarak görünmektedir (Alçın, 2010).
2) Teknoloji siyasetten de bağımsızdır. Bir çekiç, buhar kazanı ya da otoyol, kullanıldığı toplumsal içerikten bağımsızdır. Her türlü rejimde aynı işi görür. Bu yanıyla diğer toplumsal kurumlardan, örneğin geleneksel hukuki ya da dini örgütlenmelerden farklıdır. Bu yapılar içinde doğup büyüdükleri toplumların özelliklerini taşımaları nedeniyle kolayca diğer toplumlara aktarılamazlar. Halbuki teknoloji her topluma kolaylıkla transfer edilebilir, tek kaygı transfer maliyetidir.
Skolimowski’ye göre (1966’dan aktaran Üşür, 2001: 12) teknoloji felsefesi epistemolojik alana aittir; dolayısıyla teknolojiyi beşeri bilgi (human knowledge) çerçevesine yerleştirmeye çalışır; buna karşılık teknolojiye ait felsefe, geniş anlamıyla algılandığında sosyoloji veya toplum felsefesi alanına aittir ve toplumun geleceği ile ilintilidir. Sınırlarına götürüldüğünde bu görüş dünyaya teknoloji gözlüğü ile bakar ve yeni bir tür monizmi, teknolojik monizmi kurar. Böyle bir teknolojik monizm içinde “teknolojik düzen” ilk hareket ettirici ve diğer bütün “düzen’’ lerin, örneğin estetiğin, toplumsal ve politik düzenin nihai meşrulaştırması (justification) biçiminde sunulur. Bu bakış açısı bir adım daha ileriye götürüldüğünde teknolojinin tiranlığına ya da toplumal/tarihsel peygamberlik rolüne dönüşür.
3) Teknolojinin sosyo-politik tarafsızlığı onun akılcı doğasına, evrensel gerçeğin onda vücut bulmasına dayanır. Bilimsel kuramlara da yaygın olarak atfedilen gözlemlenebilir ve kanıtlanabilir olma statüsü, teknoloji için de aynen geçerlidir. 4) Bu savların doğal sonucu olarak, içerikten bağımsız ölçümleme ve standartlar teknolojilere uygulanabilir. Örneğin üretkenlik artırıcı otomasyon ülkelerden, tarihi dönemlerden, uygarlık farklılıklarından bağımsız olarak
Acaba teknoloji, basitçe, “fiziki” bir şey midir? Bir otomobil, 178
bir çekiç, bir tarak gibi bir “şey” midir? Yoksa teknoloji, bu “şey” ile birlikte bu “şey”i yapan beşeri (humain) faaliyete, dolayısıyla beşerin kendine de işaret ediyor mu? Yoksa teknoloji bilmek (to know) midir? Bu “bilme” (know)nin referansı nedir? Kurumlaşmış mıdır? (Mesela üniversiteler veya Ar-Ge kuruluşları). Bu bilme (know) yapmaya (how) nasıl, hangi yollar ile ulaşıyor (know-how)? (Üşür, 2001: 10).
Böylelikle, düşünme tarihi içerisinde aydınlatılmaya çalışılan varlık ve insan ilişkisi birbirlerinden koparılmış bir durumda insanın hükmü altındaymış gibi yorumlanmaktadır. Heidegger’e göre “metafizik düşünmenin tamamlandığı yer olarak teknoloji” olanı belirleyerek onu insanın denetimine sunmaktadır ( Hodge, 1995: 20). Heidegger, insanın varlığı unutup salt olana yönelmesi aracılığıyla metafizik düşünmeyi gelenekleştiğini ve geleneğin, süreç içerisinde teknolojik düşünmeyi açtığını belirtir. O’na göre, “Kendi özünde teknoloji, varlık tarihinde ve unutulmuşlukta duran varlığın hakikatinde bir yazgıdır” (Heidegger, 1998: 259).
Pratik bir faaliyet olarak teknoloji çok önemli ölçüde ampirik malümata (information) dayanırken felsefi bir problem olarak teknoloji anlamaya, anlamlandırmaya ve akla dayanır (Üşür, 2001: 11).
Olanın bilinmesi ve denetim altına alınması, irdelendiği gibi teknolojiyi beraberinde getirmiştir. Heidegger, varlığın unutulmasının insanın salt olanlara yönelik olarak etkinlikte bulunmasında kendisini gösterdiğini düşünmektedir. Onun için, teknolojik düşünme böyle bir temel üzerinde gelişip yaygınlaşarak düşünmenin tek biçimi olma yolunda ilerler. Heidegger teknolojinin, varlığın kendini açma biçiminin tarihsel alanında yine bu açma biçiminin yönünü belirleyen geri çekilme döneminin somut bir ürünü olduğunu düşünmektedir. Bu durumda teknoloji, insan yapımı olmakla birlikte varlığın yazgısıdır. Heidegger’e göre, varlık öne çıkma ve geri çekilme arasında yazgısını gerçekleştirirken, geri çekilerek olanların kendilerini göstermesine izin vermektedir.
Teknoloji felsefesi konusunda önde gelen isimlerden birisi Heidegger’dir. Heidegger, kendisini ortaya koyan her şeyin, bir şeylerin gizini kaldırırken aynı zamanda da bir şeyleri gizlediğini düşünmektedir (Heidegger, 1977: 293’den aktaran Dikmen, 2001: 163). Bize ışıldayan her şey, ışığının arkasında bir şeyleri gizlemektedir. Her ışıldama belirli bir zamanı üzerinde geçireceğimiz bir körleşme anıdır; oyalanacağımız bir oyun alanı (Heidegger, 1991’den aktaran Dikmen, 2001: 163)... Oyun kendisini oynar, biz oyunun oyununa geliriz çoğu zaman. Teknoloji de Heiddegger için bir hakikat olarak parıldamaktadır, ama her hakikat gibi bir şeyleri gizleyerek parıldar. Heiddegger, “The Qestion Concerning Technology” (1977) isimli makalesinde teknolojiyi “en büyük tehlike” (supreme danger) olarak görmektedir, çünkü teknoloji ve atom çağı egemenliğini kurarken bütün diğer insanlık ve varlık biçimlerini geçersiz kılacak oranda üst bir söylem (veya ideoloji) üretmektedir ve başka her şey bu üst söylemlerin altında kalmakta, kendisini ifade edememektedir. Teknolojinin kurduğu çerçeve içsel olarak yayılmacıdır ve ancak yüksek düzeyde bir indirgemecilikle kendisini açığa vurmaktadır. Teknoloji egemen bir varoluş biçimi olarak kendisini kurarken belli bir iddiayı üretir ve bu iddianın altında bütün diğer varoluşları geçersiz kılmak için çabalar (Dikmen, 2001: 163-4).
İhtiyaçları gidermek için başvurulan kaynaklar ve kaynakların tanımladığı toplum biçimleri “dayandığı bir geçim biçimi, beraberinde kendine özgü bir “yaşam biçimi” ve bu yaşam biçimiyle uyumlu bir “düşün biçimi” oluşturur (Şenel, 1982: 6). Bugün açısından teknoloji konusunda nasıl bir algılayışa sahip olduğumuz onun bize görünüş biçimi üzerinden bir yorumlama faaliyeti midir? Yoksa teknoloji konusunda bizde a priori bir “bilgi” var mıdır? Bu konuda sağlıklı bir ayırım için teknolojiyi salt teknikler bütünü olarak değil aynı zamanda bir yöneliş olarak anlamlandırmak gerekmektedir. Yönelişin biçimi ise aslında bizi teknolojinin ideolojisine götürür. Zira, farklı çağlarda ve farklı toplumlarda bilimin, tekniklerin ve teknolojinin bambaşka anlamlara gelebildiğini görmekteyiz.
Joanna Hodge’a göre (1995 : 39), “Heidegger teknolojiye ilişkin sorun ile (teknoloji nedir?) insana ilişkin soruyu (insan nedir?) iç içe geçirmektedir”. Onun için, insan kendi hâkimiyetini yitirmeyeceği planlar oluşturmaktadır; aynı zamanda planları ilişkilerde etkin olmakta, ilişkilerin biçimini belirlemektedir. Heidegger’de teknolojinin böyle bir yönelimin sonucu olduğu savunulabilir; ancak bu bir belirleme sağlasa da burada temel sorun bu durumun sonucudur: İnsan bu planın hakimi olarak mı kalacak; yoksa planın işleyişine ilişkin hizmeti sağlayan bir köleye mi dönüşecektir? (Heidegger, 1997: 18). Dolayısıyla, sorun insan ve varlık arasındaki ilişkide insanın özne (eylemi yapan/kuran) olarak yorumlanmasıyla öne çıkması ve böylece de unutulmasıdır. Oysa, Heidegger’e göre insan ve varlık arasındaki ilişki bütünüyle varlığa aittir. İnsan da varlığa açık olmasıyla varlığın açıklığı için bir alan açmaktadır. “İnsan, varlığa ait olmanın hükmü altındadır; bu ait olma ise varlığa bağlılığını bildirir, çünkü mülkiyeti varlığın üzerine geçirilmiştir” (Heidegger, 1997: 18).
3. İDEOLOJİ OLARAK TEKNOLOJİ Tarihsel gelişim sürecinde toplumsal ilişkiler bütünü içerisinde kullanılan teknolojiler önemli bir dizi farklılıklar yaratmıştır. Gerek teknolojinin kendisi, gerekse kullanılan teknolojinin ilişkilere taraf olanlar açısından yarattığı etkiler, sosyal ilişkiler bütününden bağımsız ele alınamaz. Daha açık anlamıyla teknoloji nötr değildir (Ercan, 2006: 48). Teknolojinin nötr olmama durumu onun ideolojik bir art alana sahip olduğunu da göstermektedir. Kullanılan teknolojinin ilerilik düzeyi, biçimi ve kullanım alanının seçimi tamamen içinde doğduğu toplumun verili ilişkiler bütününün bir yansımasıdır. Bu yansıma kapitalist toplum içerisinde rasyonel olanın aynı zamanda toplumsal ilişkilerin bağımlılık yaratan yapısını da sürekli kılmaktadır. Dolayısıyla teknoloji, söz konusu bağımlılık ilişkisinin “iktidar olan” lehine sürdürülmesi bağlamında da ideolojik bir seçimdir. “… Bugün iktidar kendini salt teknoloji aracılığıyla değil, tersine teknoloji olarak ölümsüzleştirmekte ve
Metafizik düşünme bu aidiyeti unutturmuştur. 179
ona sunulan teknoloji türü tarafından belirlendiği görüşü olan teknolojik determinizm anlayışı üzerine temellendirilir.
genişletmektedir ve bu da bütün kültür alanlarını içine alan, geniş politik erki, büyük meşrulaştırmayı sağlamaktadır. Teknoloji bu evrende insanlığın özgürsüzlüğünün büyük rasyonelleştirilmesini de sağlamakta ve özerk olmanın, yaşamı kendi kendine belirlemenin “teknik” olanaksızlığını da kanıtlamaktadır. Çünkü bu özgürsüzlük ne usdışı ne de politik olarak değil, tersine daha çok yaşamın rahatlıklarını artıran ve çalışma verimliliğini yükselten teknik aygıtın boyunduruğu altına girme olarak görünmektedir.
Her kuşak (şüphesiz ateşi bulan insandan başlayarak) birkaç mucit yaratır. Onların buluşları, insan gelişiminin hem belirleyicileri hem de atlama taşları görünümündedir. Başarısız buluşlar, hataları yüzünden mahkum edilirken başarılı olanlar kısa sürede değerlerini kanıtlarlar ve hemen daha sonra dönüştürmeye başlayacakları toplumsal ortama dahil edilirler. Bu yolla, ortamın etkilerinden bağımsız ve kendi içinde genellikle raslantısal bir olay olduğu düşünülen bir teknolojik “hamle”nin önemli toplumsal “sonuçları” olduğu ileri sürülür ve teknolojinin toplum üzerindeki “etkilerinin” araştırılmasına izin verilir. Böylelikle ilk kentlerin ortaya çıkması, insanın kendisini, yalnızca geçimini sağlayabildiği düzenin üzerine çıkararak, ticari ve kültürel düzeylerde düşünme yeteneğini kazandıran tarımsal tekniklerin gelişmesinin doğrudan bir sonucu olarak açıklanmış; Roma İmparatorluğu’nun büyümesi askeri ve iletişim teknolojisindeki üstünlüğüne, Rönesans’ın boy atması ise Avrupa’da matbaanın kullanılmaya başlanmasına bağlanmaktadır (Dickson, 1992: 67).
Böylelikle, teknolojik rasyonellik iktidarın haklılığını ortadan kaldırmaktan çok onu korumaktadır ve aklın aletselci (instrumentalistisch) ufku rasyonel türde bütünselci bir topluma açılmaktadır” (Marcus, 1967’den aktaran Habermas, 1993: 33-4). Herbert Marcus’un da ifade ettiği gibi; iktidar teknolojiyi araç olarak kullanmanın ötesinde teknoloji görünümünde karşımıza çıkmaktadır. Elbette bu görünümü iktidarın ideolojik varlığından bağımsız düşünmek yanlış olacaktır. Teknolojiyi ideolojiden kopuk bir iktidar alanı olarak görmek bizi tekrar teknolojik determinist bir yaklaşıma götürebilmektedir. Gündelik yaşam alanlarında denetim ve boyunduruk araçlarına dönüşen teknoloji esas itibariyle kapitalizmin insanlık tarihine dayattığı bir durumdur.
Teknoloji, üretiminden tüketimine kadar olan tüm süreçlerde toplumsal ilişkiler tarafından biçimlenen bir mücadele alanıdır. Teknoloji, üretim ilişkileri içinde iki ayrı bağlamda belirlenebilir (Noble, 1979 ve Ansal, 1986’dan aktaran Yücesan-Özdemir, 2009: 49): İlki tasarım, ikincisi ise uygulama aşamasıdır. Tasarım aşamasını, karar verme gücünü elinde bulunduranlar ve onların ideolojisi belirler.
Batı düşüncesinde Teknoloji kavramının evrimi, kapitalizm ile birlikte “şeyleşme” ve meta fetişizmine güzel bir örnektir. Kapitalizm, önceki toplumlardan farklı olarak kullanım değeri değil, değişim değeri üretimine dayanan2, belirleyici olarak da artı değer üretimini merkeze alan bir toplumsal ilişkiyi tarif eder. Bu toplumsal ilişkinin artı değer üretimine, yani sermaye birikimine dayanan temel yapısı ve bu yapıyı karakterize eden temel nitelikleri sistemli biçimde Marx tarafından kuramlaştırılmıştır. Yine Marx’a göre, meta üretiminin genişlemesi ile birlikte, insanlar arasındaki ilişkiler metalar arasındaki ilişkiler üzerinden kurulur hale gelmiş, metalar arasındaki ilişkiler toplumsal ilişkinin yerini almıştır. Dahası toplumsal ilişkiler şeyleşirken, metalar arasındaki ilişkiler toplumsal ilişkiler görünümünü almıştır. Teknolojinin üretimin bilgisi, tekniklerin bilimi olması, henüz bu evreden önceki bir anlamı ifade etmektedir. Bu teknikleri inceleyen, dolayısıyla bu teknikleri değiştirme, geliştirme yetisine sahip olan insanı özne olarak koruyan bir bakış açısına dayanmaktadır. Oysa günümüzde teknoloji, nesneye atfedilen bir nitelik, hatta nesnelerin toplamı anlamıyla da kullanılmaktadır. Yüksek teknolojili ürünler, bu ürünlerde içerilmiş teknik bilginin fazla olduğunu, teknik açıdan yüksek nitelikli bileşenlerden oluştuğunu anlatırken, teknolojinin şeyleştirilmesinin de yolunu açmıştır (Narin, 2008: 97).
Uygulama aşaması ise tasarımda hiçbir etkinliğe sahip olmayan emek için, uygun ve güçlü talepler geliştirerek, değiştirip, dönüştürülebileceği bir mücadele alanıdır. Dolayısıyla, teknolojik gelişme, sermayenin kendi ekonomik, politik ve ideolojik çıkarlarına göre biçimlenmektedir. Sermaye bir taraftan kendi varoluş ve gelişme dinamiklerini teknoloji ile yenilerken bir taraftan da teknoloji yönelimli seçişlerin toplumsal olarak da “ortak iyi” olduğu konusunda topumu inandırmaya çabalar. Bu çabanın en açık hali “teknik akıl” kavramı ve bu kavrama bağlı geliştirilen söylemlere içkindir. Herbert Marcuse da, “teknik akıl” kavramı üzerinden tekniğin ideolojik boyutları üzerine vurgu yapmaktadır: “…Teknik akıl kavramı bizzat ideolojidir. Tekniğin salt kullanımı değil, bizzat kendisi de (doğa ve insan üzerinde) iktidardır, yöntemli, bilimsel, hesaplanmış ve hesaplayan iktidar. İktidarın belirli amaçları ve istemleri tekniğe ancak sonradan ve dışarıdan empoze edilmiş değillerdir; onlar bizzat teknik aygıtın yapısına dâhildirler. Teknik, her defasında tarihsel-toplumsal bir tasarımdır ve onda bir toplumun ve ona hükmeden istemlerin insanlara ve şeylere ne yapmak istedikleri yansıtılmıştır. İktidarın böyle bir amacı maddidir ve bu bakımdan teknik aklın biçimine aittir” (H. Marcuse, 1965’den aktaran Habermas, 1993: 32).
Toplumsal evrim modeli sık sık, toplumsal gelişmenin, hemen hemen bütünüyle, bir toplumun bulduğu, geliştirdiği ya da 2
Marx, metaların kullanım değeri ile değişim değerini birbirinden ayırarak kendinden önce Adam Smith ve David Ricardo gibi Klasik İktisatçıların kullandıkları Değer Teorisinin ötesinde Emek-Değer teorisini geliştirmiştir. Kullanım değeri, üretilen metanın (ticarete konu olan mal veya hizmet) tüketicilerin ihtiyacını karşılama şiddetini anlatırken; değişim değeri ise metaların piyasada oluşan satış değerini, yani parasal fiyatlarını ifade eder.
Mevcut ideolojik örüntüyü olumlayanlar çok sayıdadır. Bunlara en iyi örneklerden biri Werner Sombart’dır. Sombart, Burjuva isimli eserinde şu ifadede bulunmaktadır: 180
“Özellikle modern tekniğin etkisiyle ekonomi insanı daha belirgin amaçlara, daha bilinçli, daha akılcı bir düşünme sistemine sahip olmuştur. Yine tekniğin etkisiyle düşüncenin daha kesin, doğru hale geldiği ve bunun da özellikle tekniğin başta olmak üzere yaratmış olduğu ve çok değişik büyüklükleri ölçme olanağı tanıyan yöntemler aracılığıyla gerçekleştirilmiş olduğu söylenebilir” (Sombart, 2008: 328).
metalar teknolojiye sahipler midir? Örneğin karasaban teknolojik midir? Bugün açısından değil ama ilk kullanıldığı dönem açısından öyledir. Öyleyse “teknolojik olma” hali zamana göre ve topluma göre değişmektedir. Hal böyle olunca da teknolojiyi salt somut bir varlık olarak görmek olanaksızlaşmaktadır. Teknoloji somut bir varlığın ötesinde bir sosyal ve ideolojik ilişki bütününü yansıtır.
Sombart’ın olumlayarak ifade ettiği akıl “teknik akıl”dır. Aynı zamanda –alıntıdan da anlaşılacağı gibi- Sombart teknoloji konusunda deterministtir. Böylesi bir yaklaşım teknolojiyi “etkileyen” konumuna yükseltirken, esas olarak gerçekte var olan durumu bulanıklaştırmakta ve adeta ideolojiden kopuk bir görünüm sunmaktadır. Oysa bu sunum, ideolojinin kendisidir. Günümüzde, teknokent, teknopark projelerine karşı çıkmak, üniversite-sanayi işbirliğine eleştirel yaklaşmak adeta “akıl dışı” olarak kabul edilmektedir. Bu noktada “teknik akıl”ın dışında olanın dışlandığı ve yalnızlaştırıldığı ideolojik bir baskının varlığından bahsetmek yanlış olmayacaktır.
Başka bir soruyla devam edelim: Teknoloji iyi midir? Teknolojinin kendisi iyi veya kötü değildir. Ama bahsi geçen teknoloji her neyse onunla üretilen şeyler toplumsal olarak iyi veya kötü olabilir. Toplumsal olarak kötü olan bireysel olarak iyi de olabilir. Atom bombasının geliştirilmesi toplumsal açıdan felaket iken atomu parçalayan teknoloji bir ülkeye savaş galibiyeti getirmiştir. Ardından da atomun parçalanma teknolojisi aynı toplumlar için iyilikte getirmiştir. Tıp alanında birçok yeni teknik bu teknoloji üzerinden geliştirilmiştir.
4. SONUÇ
Teknolojik determinizm kuramları, teknolojik ve toplumsal değişim arasındaki ilişkinin iç yüzünü kavramamız için önemli katkılar sağlamıştır. Ama maalesef bu denli basit düzeyde yorumlanamayacak bir dizi tarihsel olgu vardır. Birçok buluş vardır ki, ilk kez içinde üretildikleri toplum tarafından görmezlikten gelinmiş ve hatta bastırılmış, bunlardan yüzlerce yıl sonra daha değişik toplumsal koşullar altında yeniden bulunmuş ya da keşfedilmiştir. Örneğin, antik dönemde Yunanlar basit makineleri çalıştırmak için buhar kullanılabileceğini biliyorlardı ve İskenderiye’deki kütüphanede bir buhar motorunun kusursuz bir işleyim modeli bulunmaktaydı. Ancak bu düşüncenin pratik uygulamaya konulması hemen hemen iki bin yıl sonra oldu. Her ne kadar bu bir ölçüde Yunan toplumunun bir bütün olarak, büyük ölçekli güç kaynaklarını kullanmak için gereken zorunlu teknik ve mekanik bilgiden yoksun olmasına bağlıysa da aynı zamanda böyle bir toplumun büyük güç –ya da biraz emek tasarrufu bile- sağlayan aygıtlara pek ihtiyaç duymamasının da bir sonucuydu. Bol miktarda köle emeği sağlanabilmesi, güç üretiminin pek sorun yaratmaması anlamına geliyordu. İmparator Vespasian’ın kendisine birçok adamın yaptığı işi yapabileceği söylenen mekanik bir balık oltası çizimi sunulduğunda, “Götürün şunu, benim doyuracak bir sürü fukaram var” dediği söylenir (Dickson, 1992: 69-70).
Teknolojinin gerek varlık biçimi, gerekse kullanılış biçimi tamamen içinde bulunduğu toplumun ekonomi-politik ve sosyal düzeniyle ilintilidir. Teknolojinin kendisi ideolojiktir ve teknolojiyi ideolojiden soyutlayıp ortak akla indirgemekte ideolojiktir. Ancak teknolojinin ideolojik bir durum olduğunu kabul ederek toplum için “iyi” veya “kötü” olduğu konusunda vargılara ulaşabiliriz. İçinde yaşadığımız toplum kapitalist üretim ilişkilerinin geçerli olduğu bir toplumdur. Kapitalizm değer yasası üzerinden gelişir. Kapitalist gelişme (ya da kalkınma) ancak ve ancak daha fazla artı-değer sömürüsü ile mümkündür. Demek ki kapitalizm içerisinde teknoloji ancak daha fazla boyunduruk ve artı-değer için sürdürülür. Böyle bir teknolojiden de toplumun geneli ve doğa için olumlu sonuçlar beklemek mümkün değildir. Salt araçsalcı bir bakış açısıyla yaklaşıldığında, teknolojinin art alanında bulunan toplumsal, politik ve ideolojik temel görünmez olur. Bu durum teknolojiyi dolaysız biçimde merkeze yerleştirip üretim ilişkileri bütününü bunun üzerine inşa etme gayretini doğurur. Bu gayret, tekno-logic’tir. Tekno-Logic, sonuç odaklıdır, araçsalcıdır ancak temel itkiyi oluşturan üretim ve bölüşüm ilişkilerinin ortaya çıkış biçimleri ve sonuçları üzerinde durmayı kendine “sorun”edinmez.
5. KAYNAKÇA
Vaspasian’ın gördüğünü 21. yüzyılda insanlar görmekte midir? Maalesef bu soruya olumlu bir yanıt vermek pek mümkün gözükmüyor. Teknolojinin salt görünür bir “şey” olarak algılandığı ve görüneninde gerçek kabul edildiği bir toplumsal yapı içerisinde gerçek olanın aynı zamanda kabul edilmesi gereken olduğunu da söylersek sanırım abartmış olmayız. Belki biraz daha başa dönerek şu soruyu soralım kendimize: Teknoloji nedir? Teknoloji bir uçak veya son model bir otomobil midir? Muhtemelen birçoğumuz “evet” yanıtını verecektir. Peki uçak bir neden teknolojidir? Gördüğümüz için mi? Görmediklerimiz (bilgisayar yazılımı gibi) nedir? Ya da acaba uçak teknoloji değil ama uçağın motorundaki düzenek mi teknolojidir? Eğer öyleyse onun ne kadar “ileri” olup olmadığını nasıl bilebiliriz? Kaldı ki, daha üst model bir uçak neye göre daha üst bir modeldir? Sahip olduğu teknoloji diyebiliriz. O zaman biz değil ama
[1] Gülsever, T. (1989). “Teknolojik Gelişme, Enformasyon Teknolojisi, Esnek Üretim ve Esnek Uzmanlaşma”, 1989 Sanayi Kongresi Bildirileri (I), No: 134/1, Bursa: MMO yayınları. [2] Üşür, İ. (2001). “Teknoloji felsefesi Üzerine Ya Da Tarihin Tanrısı Teknoloji midir?”. Mülkiye Dergisi, Cilt. XXV, sayı. 230, ss. 7-26. [3] Fernandes, A., S. C. ve Mendes, P. M. (2003). “Technology as culture and embodied knowledge”, European Journal of Engineering Education, Vol. 28, No.2, ss. 151-160. [4] Kund, E. (1975). Kibernetik, Felsefe ve Bilimler Arasında Köprü. İstanbul: Kund Yayınevi. [5] Misa, T. J. (1988). “How Machines Make History, and 181
How Historians (and others) Help Them to do So”, Science, Technology & Human Values, Vol. 13, ss. 308-331.
[15] Şenel, A. (1982). İlkel Topluluktan Uygar Topluma. Ankara: Birey ve Toplum Yayınları.
[6] Kuban, B. (1999). “Teknolojik Determinizm ve Teknolojinin Toplumsal Denetimi”, Bildiri, Uluslararası Bilim, Teknoloji ve Toplum Sempozyumu, İTÜ Sosyal Bilimler Enstitüsü, 14-15 Nisan 1999, İstanbul.
[16] Habermas, J. (1993). “İdeoloji Olarak Teknik ve Bilim”, İdeoloji Olarak Teknik ve Bilim içinde. ss.31-65. çev. M. Tüzel. İstanbul: Yapı-Kredi Yayınları. [17] Narin, Ö. (2008). “Teknolojik Değişim: Türkiye’de Üretim Araçları Üretimi (1996-2005)”, Basılmamış Doktora Tezi, Marmara Üniversitesi, Sosyal Bilimler Enstitüsü.
[7] Childe, G. (1979). Kendini Yaratan İnsan. çev. F. Ofluoğlu. İstanbul: Varlık Yayınları.
[18] Dickson, D. (1992). Alternatif Teknoloji: Değişmenin Politik Boyutları. çev. N. Erdoğan. İstanbul: Ayrıntı Yayınları.
[8] Ercan, F. (2006). Toplumlar ve Ekonomiler. 4. Baskı. İstanbul: Bağlam Yayınları. [9] Alçın, S. (2010). Teknolojik Determinist Kalkınma Aracı Olarak Teknoekonomi Politikaları. İstanbul: Tarem Yayınları.
[19] Yücesan-Özdemir, G. (2009). Emek ve Teknoloji, Türkiye’de Sendikalar ve Yeni İletişim Teknolojileri. Ankara: Tan Kitabevi Yayınları.
[10] Skolimowski, H. (1966). “The Structure of Thinking in Technology”. Technology and Culture, Vol. 7, No. 3, ss.371383. USA: The Johns Hopskins University Press.
[20] Sombart, W. (2008). Burjuva: Modern Ekonomi Dönemine Ait İnsanın Ahlaki ve Entelektüel Tarihine Katkı. çev. O. Adanır. Ankara: Doğu Batı Yayınları.
[11] Dikmen, A. A. (2001). “Teknolojiyi Ararken…”. Mülkiye Dergisi, Cilt. XXV, sayı. 230, ss. 153-166.
ÖZGEÇMİŞ
[12] Heidegger, M. (1977). “The Question Concerning Technology”, The Question Concerning Technology and other Essays içinde, çev. William Leavitt, New York: Harper and Torcnbooks.
Sinan Alçın Gelişme İktisadı alanında Doçent. Maltepe Üniversitesi İktisat Bölümü’nde öğretim üyeliği görevini sürdürmektedir. Çalışma alanları: Teknoloji ve Yenilik İktisadı, Emek Ekonomisi, Politik İktisat. Çalışma alanları konusunda bir kitabı, 2 kitap içi bölümü, 2 kitap editörlüğü, dergi editörlüğü ve çok sayıda makalesi bulunmaktadır.
[13] Heidegger, M., (1997). Özdeşlik ve Ayrım, çev: N. Akça, Ankara: Bilim ve Sanat Yayınları. [14] Heidegger, M., (1998). Letter on Humanism, Pathmarks, çev. F., A. Capuzzi, edited by William mcNeil, Cambridge University Press.
182
GELECEĞİN TEKNOLOJİLERİ, TOPLUM VE EMEK SÜRECİ Özgür Narin Ordu Üniversitesi, Ünye İktisadi ve İdari Bilimler Fakültesi, Gölevi Mah. Devlet Sahil Yolu, Ünye / Ordu, TÜRKİYE Tel: 452 323 82 55 / 3005 E-posta:
[email protected] Özet
döngüsü. Toplumsal ilişkilerin kendini yeniden üretmesi... Teknoloji de bu toplumsal ilişkiler içerisinde biçimlenir ve kendisini biçimleyeni değiştirse de; bu etki de belirli toplumsal ilişkilerdeki insana yöneliktir.
Toplumsal ilişkileri göz ardı eden, çok çok ikincil kılan, teknoloji kavrayışından ve araçsal akıldan nasıl çıkarız? Bunların bir belirtisi olan, sanki gökten inmiş “etkinlik”, “verimlilik”, “üretkenlik” ve “hız” kavrayışından çıkıp bunların altında yatan ve gerçekte bunları devindiren toplumsal ilişkilere nasıl geliriz? İktisatçılar ve mühendisler, teknolojiyi, araçları, görüneni yüceltmekten kurtulup, teknik ve araçsal akla değil de insanı üreten toplumsal ilişkilere nasıl bakabilirler? Bugünün ve geleceğin teknolojilerinin ve bilimin üretimini kuramlaştırırken teknolojik belirlenimcilikten kurtulmak bu sorulara yanıt vermenin temeli olarak kalır; ama bu yetmez.
Aslında iktisatçılar da, sıklıkla bu cansız döngüyü temel alırlar. İktisadın teknoloji tarihi olarak alınması, üretim fonksiyonunun teknoloji fonksiyonu olarak adlandırılması, tamamen bunun ürünüdür. Toplumsal ilişkileri göz ardı eden, çok çok ikincil kılan, teknoloji kavrayışından ve araçsal akıldan nasıl çıkarız? Bunların bir belirtisi olan, sanki gökten inmiş “etkinlik”, “verimlilik”, “üretkenlik” ve “hız” kavrayışından çıkıp bunların altında yatan ve gerçekte bunları devindiren toplumsal ilişkilere nasıl geliriz? İktisatçılar ve mühendisler, teknolojiyi, araçları, görüneni yüceltmekten kurtulup, teknik ve araçsal akla değil de insanı üreten toplumsal ilişkilere nasıl bakabilirler? Bugünün ve geleceğin teknolojilerinin ve bilimin üretimini kuramlaştırırken teknolojik belirlenimcilikten kurtulmak bu sorulara yanıt vermenin temeli olarak kalır; ama bu yetmez.
Bu çalışmada, bu akıl tutulmasından çıkmak için teknolojinin toplumsal inşasına dair tarihsel bazı örnekler verilecek. Teknoloji ve emek sürecindeki değişim irdelenmeye çalışılacaktır. Anahtar sözcükler: teknoloji, emek süreci, sibernetik, PLM, ERP, MRP. 1.
Toplumdaki iş bölümünü, özel mülkiyeti, “çıkarcı ve bencil” insan efsanesini temel varsayım alan iktisatçı belki de bu naif anlayışı en çok savunan kişidir. Ona göre, iktisat döngüsü tılsımlı bir döngüdür. Kârı da, özel mülkiyeti de şapkadan çıkartmak zorunda kalacağı için tılsım ve el çabukluğu gereklidir ve neredeyse tüm iktisada sinmiş durumdadır. Girdiler çıktılara dönüşür, çıktılar yeni bir döngünün girdisi olurlar. Ekonomi, böyle bir yeniden üretimi inceler. Ama çıktılarını donduran, verili alıp yeniden üreten bir ekonomi anlayışı bugüne kadar süre gelmiştir. Oysa üreten, yeniden üreten, üretime girdileri yeniden sokan insandır. İnsanın üretimi ise toplumsal ilişkilerin içinde, onun yeniden üretimi ile olanaklıdır. Bu ilişkilerin tılsımını çözmek, araçsal akıldan çıkmak için gereklidir. Görüldüğü gibi burada arı ve soyut insandan ya da toplumdan bahsetmiyoruz. Dem vurduğumuz, genel geçer bir teknolojinin toplumsal bir süreç olarak kavranması fikri değildir.
GİRİŞ
Geleceğin teknolojilerinin, emek sürecine etkisini irdeleyebilmek için teknolojinin geçmişteki toplumsal tarihini incelemek yararlı olacaktır. Teknolojinin tarihinin toplumsal olduğu artık daha fazla kabul edilir hale geldi. 19. ve 20. yüzyılın hakim algısı, tüm belirlenimi teknolojiye veriyordu. Tüm yaşamımızı değiştiren “makina”lar ve teknolojiydi. İnsanlığın kendini yeniden üretmesini, kısır değil de üretken bir döngü olarak tanımlarsanız; bu algılama döngünün içindeki kimi noktaları alıp, bizzat insanların kendi döngüsünü buna bağlayan bir görünüş sergilemektedir. İnsan makinayı yapar, belirli toplumsal ilişkilerde bunu üretir; toplumun geçim kaynaklarını ve yaşamını yeniden üretirken makinalarla belirli biçimlerde buluşur. Bu buluşmanın kendisi insanı dönüp yeniden etkiler. Bu etkilerle insan yeniden ve yeni makinaları yapar vs... döngü böyle dönüp duruyor; kısır değil ama üretken. Bu döngüyü farklı yerden başlatıp, bu cansız noktaları dondurur, canlılığı atarsanız, elde ettiğiniz kabaca teknolojik belirlenimciliktir. Teknolojik belirlenimcilik, döngünün cansız uğraklarını temel dinamik olarak alır. İnsanın ve toplumsal ilişkilerin bu döngüyü devindirmesi göz ardı edilir. Buna göre, toplumun değişimini teknoloji ve makinalar belirler; bunlar insan yaşamını değiştirir.
Bu bakışı teknolojinin toplumsal inşasına dair böylesi bir kaba anlayıştan hemen ayırmak gerekiyor. 20. yüzyılın son yarısında ve özellikle son 40 yılda, krizler ve toplumsal eleştiri sayesinde teknolojinin üretilmesinin toplumsal bir süreç olduğu daha fazla kabul görmeye başlamıştır. Ama bu defa da, soyutlama ve kuramsallaştırma düzeyi, teknolojiyi toplumun talepleri ve bulabildiği çözümler çerçevesinde şekillendiren, kaba “toplumsal” bir süreç olarak anlamayla sınırlı kalmıştır. Bu bakış neredeyse malum hale geleni ilan eder: ona göre; tabii ki, teknoloji toplumun taleplerinin ve sorunlara bulabildiği çözümün araçsallaşması demektir!
Biz bu çalışmada, bu döngüyü canlı bir döngü olarak alacağız. İnsanın ve toplumun kendini yeniden üretme 183
açısından çarpıcıdır. Andrew Ure, makinalı üretimin gelişimini ekonomik ve toplumsal açıdan incelediği tüm kitabı boyunca, burada yazdığı gibi teknolojinin nasıl bir emek süreci, nasıl bir emek ilişkisi yaratacağı konusunda nettir. “İşçinin itaatsiz eli”ni uysallaştırmak, teknoloji üretiminin altta yatan dinamiği olmuştur. Gerçekten de kâra dayalı bir üretimde, çalışanın emek süreci, teknoloji üretiminin ilgi konusu olmuş, bu ilginin temel ve son durağını oluşturmuştur.
Bu naif bakış, görüntünün bir bölümünü kavramakta, ama belirli bir sınırdan öteye gitmemektedir. Üretim ilişkileri ve üretim araçlarıyla kurulan ilişki, ücret ilişkisi gibi toplumsal ilişkilerin içerisinde teknolojinin üretiminin nasıl gerçekleştiği konusunda bu naif kuramlaştırma kör kalmaktadır. Oysa ki, üretenin üretim araçlarından koptuğu, kâr amacının temel olduğu bir toplumsal ilişki apayrı bir teknoloji inşası sunar. Dahası, kârın, ürünlerin ve teknolojinin üretildiği emek süreci ile ürünlerin satıldığı, talep gördüğü piyasa süreci arasındaki ayrım ve bunun yeniden üretimini de bu kuramsallaştırmaya katmayan teknoloji kuramı tümüyle eksik kalacaktır.
Zaman dizininde daha ileri bir örnek, fabrika sisteminin oturduğu bir dönemde, otomasyonun üretimde yaygınlaşmasının dönüm noktası olan bir tarihte gerçekleşir. David Noble’ın, teknolojinin toplumsal tarihini güzel bir biçimde tartıştığı “Üretim Kuvvetleri” (Forces of Production) kitabı çarpıcı örneklerle doludur. Bu kitap, savaş sırasındaki teknolojik gelişmeler ile bilimcinin, mühendisin ve üniversitelerin ilişkisi açısından da çok önemlidir. Üstelik teknolojik gelişme açısından dünyanın önde gelen üniversitelerinden olan MIT’in (Massachusetts Teknoloji Enstitüsü) teknolojiyi nasıl bir toplumsal ortam ve sermaye birikim ilişkisi içinde ürettiğini de güzel sergiler.
Böyle bir teknoloji tarihini; yani üretim ilişkilerinin gelişimi tarihini ana hatlarıyla aydınlatabilmek için, kimi dönüm noktalarının toplumsal yapısı çarpıcı örnekler olarak verilebilir. Geleceğin teknolojilerinin üretildiği ve dolayım olduğu toplumsal ilişkileri kavramak için, geçmişten başlayarak bu örnekleri vereceğiz.
2. TEKNOLOJİNİN OTOMATİK OLMAYAN TOPLUMSAL TARİHİ
Kitapta yer alan, bilgisayarlı takım tezgâhlarının (CNC) atası olan sayısal kontrolörlerin (NC) tarihi bu konuda çok güzel bir örnektir. David Noble, sayısal kontrolörlerin operatörün örtülü bilgisini deşifre ederek, bunu mekanizmaya nasıl dönüştürdüğünü, nasıl içerili hale getirdiğini açıklamış; bu tezgâhların adeta “otomatik bir operatör” haline geldiğini belirtmiştir [3]. Noble, o tarihsel dönemde yönetim (işletme) uzmanlarının “işçilerden kurtuluş” yönündeki bu adım karşısında nasıl heyecan duyduklarını da başka bir kitabında anlatmaktadır [4]. Daha önce tezgâhtaki işi kendi el becerisiyle yapan “usta” işçinin yaptığı işi çözümleyerek, onu algoritmaya çeviren bilimci ve mühendis (gerçekte uygulamalı bilimci) bu algoritmayı yürüten bir sayısal kontrolör vasıtasıyla tezgâhı otomatikleştirmektedir. Yani ustanın örtülü bilgisi, çözümlenmiş bilgi olarak makinaya içerilmektedir.
Andrew Ure, 1835 yılında yayınlanan “Philosophy of Manufactures” (İmalatın Felsefesi) kitabında, “demir adam” denilen yün eğirme makinesinin bulunuş öyküsünü anlatmaktadır [1]. Ure’ın anlatımı, belirli tarihsel dönemde bilimsel gelişmeye yön veren anlayışı da yansıtmaktadır. “Demir adam” bulunmadan önce, yün eğiren işçiler, nitelikli işçi konumundaydılar. Ure’a göre, “kibirli’ ve “patrona karşı küstah” olan bu işçilerin, aldıkları yüksek ücret, onların “şükran duyan bir mizaca sahip olmalarına ve zihinlerini geliştirmelerine yol açacağına”, tersine kibirlerini beslemektedir. Üstelik ücretler, dönüp dolaşıp “grevlerin itaatsiz ruhuna fon olarak katıl”maktadır. Tercüme edersek: Haklarını isteyerek patrona karşı “küstahlık” yapan işçilere yüksek ücret vermek onların kibirlerini beslemektedir. Üstelik verdiğiniz yüksek ücretler, dönüp dolaşıp daha fazlasını isteyen, grevci işçilerin yardımlaşma sandıklarına fon olarak gitmektedir. Bundan sonrası aynen şöyle anlatılmaktadır:
Sayısal programlama ile çalışan takım tezgahı (NC) ile belirli bir davranışı kaydedip tekrar oynatan (Record-Playback ya da R/P) takım tezgahı benzer zamanlarda bulunmuş ve pilot üretimlere başlamışlardır. Noble, kitabında iki tür takım tezgahı arasındaki çekişmenin nasıl sonuçlandığını, bunun üretim ilişkileri ile bağını gösterir. Buna göre, RP takım tezgahı emek sürecinde işçiye daha çok alan ve insiyatif tanıdığı için, NC tezgaha daha fazla fon verilir ve bunun geliştirilmesi, yaygınlaşması gerçekleşir. Her iki makina da üretim sürecinde belirli bir davranışı kodlayıp, otomatik olarak tekrarlamaktadır. Birincisi (RP tezgah) işçinin davranışını kaydedip tekrarlarken, ikincisi işçiyi devreden çıkartıp bunu sayısal bilgi haline getirerek, tüm denetimi üretim aracı sahibine verir. Maliyetleri azaltmak adı altında, işçinin itaatsiz eli devreden çıkartılır. Kâra dayanan bir üretimin, sermaye birikiminin mantığı, bunu gerektirmektedir.
“Bu türden feci bir kargaşa sırasında birkaç kapitalist, Manchester’daki ünlü makinistlere başvurdular, onlardan buluş yeteneklerini kendi kendine çalışan bir yün eğirme makinesi yapmaya yöneltmelerini istediler. Buluşlarının benimsenmesine yönelik en liberal yüreklendirmelerin güvencesiyle Bay Roberts, bir mühendis olarak sürmekte olan tüm profesyonel uğraşını bir yana bırakıp, bereketli hizmetini bir yün eğirme otomasyonu yapmaya verdi. Böylece onu işletenlerin verdiği adla demir adam Minerva’nın emrindeki modern Prometeus’un elinden çıktı. – bu, çalışkan sınıflar arasında düzeni yeniden kurma görevini yüklenen bir yaratık. ... Bu buluş, daha önce ileri sürülmüş bulunan büyük öğretiyi doğruluyor: sermaye, bilimi hizmetine aldığı anda, işçinin söz dinlemez eli, uysallığı öğrenecektir.” [2]
Üretim sürecinde otomasyonun gelişmesi, toplumsal ve ekonomik kriz ile iki dünya savaşının hızlandırdığı bir süreçte
Erken tarihli bu örnek, sınıflı bir toplumda gerçekleşen üretim ilişkilerinin bilimi nasıl hizmetine aldığını göstermesi 184
değildir; daha ziyade işgücünün esnekliğini ve uyum sağlama becerisini geliştirmek için yol katetmektedir.” [7]
yaşanır. Bu süreç, gerçekte bilimin sermaye birikiminin ihtiyaç duyduğu askeri sanayinin hizmetine alınması ile başlar. Bilimin üretimine hakim olma sürecinin savaş sonrası görünümü, üniversite sanayi işbirliği ve üretimin otomasyonunun hızlanması, yaygınlaşmasıdır.
Yeni teknolojilerin yaratacağı esneklik, henüz o zamanlarda öngörülmüş ve sermaye birikimi açısından bir avantaj olarak kullanılmıştır. Günümüz ise bu esnekliğin daha yaygın ve derin yaşandığı bir dönemdir.
Bilim ve teknoloji üretiminin, sermaye birikiminin hizmetine girmesini ve toplumsal karakterini savaş dönemi zaten açıkça göstermiştir. Ama savaş sonrası dönem bu geçişin kalıcılaşması; üretimin yeniden yapılanmasıyla sonuçlanır. Elbette ki, toplumsal değişiklikler karşılığında toplumsal hareketi ve direnci de geliştirir.
Teknolojinin tarihi otomatik değildir, belirli üretim ilişkileri içinde yaratılmaktadır. Hatta bunun üretimi bile bu emek sürecine ve üretim ilişkilerine tabidir. Kâr amacıyla ister bu örneklerdeki gibi emek sürecini denetlemek üzere, ister satılabilir metalar üretmek üzere, isterse de bütün bir üretim ve dolaşım sürecini verimli kılmak, kontrol etmek üzere teknoloji geliştirilsin, hepsi sermaye birikiminin genişlemesi için toplumsal olarak üretilir.
Otomatik makineler ile ilgili bilimsel çalışmaların öncülerinden Norbert Wiener 13 Ağustos 1949’da Otomobil İşçileri Sendikası Başkanı Walter Reuther’e dehşet içinde kendisinin de çalıştığı projenin geldiği aşamayı ve sonuçlarını anlatır [5]. Özellikle otomatik sistemin merkezini oluşturan geri besleme özelliğini geliştiren Wiener, otomatik makinelerin kazandığı esneklik ile birçok işçiyi –özellikle kitle üretiminde- yerinden edeceği kaygısını taşıdığını belirtmektedir. Wiener, sendika ile birlikte ortak bir politika oluşturmayı, sendikayı desteklemeyi, gerekirse bilgiyi sanayicilere vermeyi geciktirmeyi bile önerir. Ancak sonuç, Wiener’in bilimsel fonlardan dışlanması, otomasyonun tüm hızıyla yaygınlaşması olur. Norbert Wiener ve Sibernetik’in dönüm noktası bu olaydır.
Emeğin itaatsiz eli sürekli denetlenmeye, üretim sürecinden olanaklı olduğu kadar uzakta tutulmaya çalışılır; ama öte yandan değeri de bu emek yaratmaktadır. Bir yandan işçinin örtülü iş bilgisini, parçalara ayırıp çözümler, bilgisayara yükleyeceği veri haline getirip onu üretim sürecinde gereksiz kılarken; diğer yandan değeri yaratmada bu işçiye muhtaçtır. “Bir yandan emek süresinin minimuma indirgenmesi için bastıran, öte yandan emek süresini zenginliğin tek ölçüsü ve kaynağı olarak vazeden sermaye, süregiden çelişkinin ta kendisidir. Sermaye zorunlu emeğe harcanan süreyi azaltır, ama sadece fazlalık emeğe harcanan süreyi artırabilmek üzere azaltır; dolayısıyla fazlalık emeği, giderek artan bir ölçüde, zorunlu emeğin koşulu —ölüm kalım meselesi— haline getirir. Dolayısıyla bir yandan bilimin ve doğanın tüm güçlerini, toplumsal işbirliğinin ve toplumsal bağlantıların tüm olanaklarını, zenginlik üretimini, üretimde harcanan emek süresinden (nispeten) bağımsız hale getirmek için seferber eder. Öte yandan böylece yaratılan bu dev toplumsal güçleri emek süresi ile ölçmeye, onları eskiden üretilmiş değerlerin değerini koruma görevinin koyduğu sınırlar içine hapsetmeye çabalar” [8]
Wiener, İkinci Dünya Savaşı’nda ordu için de uçaklara karşı savunma projesinde yer almıştır; özellikle bilgisayarlı, elektronik kontrol sistemlerini, servomekanizmaları geliştiren öncülerdendir; elektronik ve bilgisayarlı geri besleme sistemleri ile, makinenin otomatik çalışmasını sağlayan kontrol değişkenleri esnek biçimde kendi kendine geri beslemeyle değişebilmektedir; böylelikle dışarıdan bir gözetleyici ya da operatörün müdahalesini oldukça aza indirgemektedir. Ancak Wiener, başından beri askeri projelere kuşkuyla yaklaşmış, Sibernetikin askeri gizilgücü hakkında endişe taşımıştır. Savaştan sonra ordu Wiener’den bilgi ve öneri istemeye başlayınca iki askeri projesini iptal etmiş, bulduklarını yayınlamaktan sakınmıştır [6]. Wiener, makinelerin işçileri yerinden etme süresini “on ya da yirmi yıl” olarak öngörmüştür ki; bu daha hızlı gerçekleşmiştir.
Rubery ve Grimshaw’a göre, bilişim teknolojileri de bu örtülü bilginin makinalaştırılmasını, otomatikleştirilmesini hızlandırmıştır. Üstelik bunu üretim sürecinin her aşamasına, üretken olmayan alanlara ve dolaşım, tüketim alanına da yaygınlaştırmıştır. Bu bilişim teknolojileri, çalışanlara, daha önce sadece örtülü biçimiyle ulaşılabilen çözümlenmiş (codified) bilgilere ulaşma ve bunları kullanma fırsatları sunmaktadır [9] tüketicilere ise yeni ihtiyaçlar ürettiren, bu ihtiyaçlara göre ürünlerde yenilik ve ek seçenekler tükettiren bir üretim süreci yaklaşımını getirmiştir. Bilimsel üretim süreci de rutinleşme, emek sürecinin bölümlenmesi basıncı altında aynı biçimde örtülü bilginin belirli bir kısmının (yaratıcılık dışında kalan kısmının) çözümlenmesi, deşifre edilmesiyle karşı karşıya kalmıştır. Benzer bir süreç, bu alanda da vardır. Uluslararası büyük şirketlerle görüşmelerden edinilmiş sonuçlarla yazılan bir makale, bu şirketlerin zihinsel emeğin sahip olduğu bilgiyi ele geçirme yönündeki niyetlerini şöyle anlatmaktadır:
Üstelik, üretim sürecine otomasyonun girmesinin bu tarihsel dönüm noktası direnç olduğu kadar geleceğe dair ipuçları da verir. Kapitalizmin en ileri ülkesi, otomasyonun en erken üretime girip yaygınlaştığı ülke olarak, aynı zamanda buna karşı dirençlerin en erken ortaya çıktığı ülkedir. ABD’de anlattığımız tüm bu otomasyon süreci sonucunda yerlerinden edilen işçilerin muhalefeti artmaya başlar. Sorun, büyük bir toplumsal sorun haline gelmeye başladığı için komisyonlar kurulur, raporlar hazırlanır. 1965’te Çalışma İstatistikleri Bürosu’nun yaptığı açıklama ilginçtir: “Genel olarak teknoloji, ekonomide net bir iş kaybına yol açmaz. Tek tek işçilerin işlerini ve mesleklerini gerçekten de tahrip eder ancak işçileri gerektiren yeni işler ve meslekler yaratır. Teknolojik değişme ve işsizlik sorununun çözümü, otomasyonu engellemek ya da teknolojiyi yavaşlatmak
“Eğer bir şirket bu insanların zihinlerine ve ilişki ağlarına 185
gözlenmektedir. [13]
içkin bu bilgiyi ele geçiremiyorsa, yapması gereken daha iyi bir bilgi yönetimi sistemi kurmaktır. Bu tür sistemlerin zımni bilgiyi ele geçirme konusundaki başarısızlıkları, bilgi yönetimi konusunda şimdiye kadar bilinen en büyük hayal kırıklıklarından birisidir” [10].
Bu yazılımların kullanılması, denetlenmesi bile kendi nitelikli işgücünü, mühendislik işlemlerini doğurmaktadır.
Artık endüstri kavramı yaşamın tüm alanını kaplayan bir kavram haline dönüşmüştür. Bunun bir sonucu, endüstrinin bilgisinin (teknolojinin üretimi) üretiminin bilimsel üretim süreci ile aynı şey haline gelmesidir. Diğer bir sonucu da, endüstrinin her aşamasının ve bu aşamadaki bilginin çözümlenmesi çabasıdır; bu çabanın kendisi sermaye birikiminin temel itilimi olan kar ve artıdeğeri çoklaştırma amacına yönelik ivmelenmektedir. Sadece üretim sürecinin makina ve örgütlenme anlamıyla teknolojisi geliştirilmemekte, aynı zamanda yeni ürün ve tüketici yaratma anlamında da teknoloji kullanılmaktadır. Bunun üretim sürecinde çok çarpıcı ve çeşitlenen sonuçları vardır. Ürünün tasarlanması, ürün ömrünün (tasarım, üretim, bakım, sigorta) bir bütün olarak tasarlanması, üretim sürecinin otomasyonunun tasarlanması, tedarikçi ilişkilerinin tasarlanması, müşteriden gelen şikâyetlere göre geri beslemeyle ürünün iyileştirilmesi, tüm bunlar büyük endüstriyel yazılımlar ile otomasyona bağlanmaktadır. Bu yazılımların en iyi örneklerinden biri şirketlerin kaynak planlamasını yapan ERP yazılımıdır. ERP (Enterprise resource planning, işletme kaynak planlaması), MRP (Material Resource Planning, ya da material requirements planning yani Malzeme kaynak planlaması daha sonra da manufacturing resource planning olarak adlandırıldı.) CRM Diğeri ise ürün ömrünü, ürün yaratmaktan, bu ürünün bakımı, ne zaman eskiyeceğini, buna göre bakım ve mühendislik hizmetlerini planlamaya dek tasarımlayan yazılım olan Ürün Ömrü Yönetimi (PLM) yazılımıdır. “Ürün Ömrü Yönetimi (PLM), son dönemin yükselen trendlerinden biri. Hatta geleceğin vizyonu olarak tanımlanıyor. … Türkiye’de de Beko, Tai F16 fabrikası, Ford, Tofaş ve BSH gibi pek çok şirket PLM çözümleri kullanıyor. Ancak yine de PLM, Türkiye’de henüz çok yeni bir kavram. Dünyada yaklaşık 10 yıldır gelişen pazar, Türkiye’de yeni yeni oluşuyor. Önce ERP yapmalarının ardından bunu yapıyorlar. Önce üretimin bilgisini oluşturuyorlar, yani entegre üretim bilgileri. Sonra müşteri isteklerinden tedarikçilerin durumuna kadar zincir oluşturan bir tasarım sürecini entegre planlıyorlar. Bu zincirin içinde bakım gibi ürün ömrünü ilgilendiren tüm parçalar entegre halde var. Yani üretim zinciri buna göre tasarlanıyor” [11]. Dünyada en büyük 500 şirketin (Fortune500) tamamı ERP kullanırken, buna karşılık Türkiye’de (Capital500) sadece 50’si kullanmaktadır [12]. Türkiye’de bu gibi yazılımları kullananların büyük çoğunluğunu otomotiv şirketleri oluşturuyor. TÜSİAD ile Otomotiv Sanayicileri Derneği’nin ortak hazırladığı bir rapora göre, otomotiv ana firmaları açısından en yoğun kullanılan yönetim ve enformasyon teknolojileri, toplam kalite yönetimi ve elektronik veri iletişimidir. Kullanılan teknolojiler arasında en yaygın büyük katkı oranı %100 ile imalat kaynak planlaması (ERP, MRPII) için 186
Bu iki yazılım da, kapitalist üretim içinde genel bir planlamanın değil ama şirket planlamasının nasıl otomasyona bağlanacağı açısından önemlidir. Fakat bundan daha önemli olan sermaye birikiminin emek ve üretim sürecini, tüm gözeneklerinden arındırma, üretim işleminin her bir girdi çıktısını kontrol etme, hızını denetleme isteğini göstermesidir. Öyle ki, ürünün artık sadece fabrikadan çıkmış “hazır” ürün olarak değil, aynı zamanda bakımı, servisi vs. ile fabrika dışındaki tüketim alanında da tasarlanması söz konusudur; karı çoğaltmak için tüm bir ürün ömrü, metanın bileşenleri tasarlanmakta ve buna göre üretilmektedir. Üretim sürecini ve metayı değiştiren ve onun her bir işlemini, aşamasını bir zincirle birbirine bağlı tasarlayarak denetim ağına alan böyle bir toplam üretim sürecinin, emek sürecini değiştirmemesi beklenemez. Şimdi üretim sürecinin bilgisinin rasyonalize edilip, deşifre edilerek, yazılımlarda ve otomasyon makinalarında kodlanmasıyla ilerleyen geleceğin teknolojilerinin üretimi ve emek sürecini nasıl değiştirdiğini irdeleyeceğiz.
3. YENİ TEKNOLOJİLER VE EMEK SÜRECİ Yeni teknolojilerin maliyetleri kısmak, üretimi “verimli” yapmak üzere işleme sokulması, görünen gerçeğin en yalın yüzüdür. Ama bir de sürece hem bütünsel hem de emek cephesinden bakıldığında, teknolojinin kimi toplumsal sonuçları görülebilir. Ford Otosan Fabrika Müdürü Nuri Otay yeni teknolojilerle gelen otomasyonun nasıl bir “dönüşüm” yaratığını anlatıyor: “Eskiden bir pres kalıbının değiştirilmesi için geçen zaman ortalama 2 saatti. Aynı yaklaşım ile Kocaeli Pres atölyesi kurulmuş olsaydı, hat bazında günde 6 kalıp değişikliği yapılacağı düşünülecek olursa, yılda yaklaşık 3 bin 360 saatlik bir süre kalıp değişikliği için kaybedilecekti. Bunun yerine, Türkiye’de ilk defa tam otomasyonlu kalıp değiştiren pres hattı yatırımı yaparak, 2 saatlik kalıp değiştirme süresini 12 dakikaya indirdik. İmalat kaybını da yıllık 336 saate düşürmeyi başardık… Bu projenin devreye alınması sonucunda yüzde 90 oranında kayıp önlendi ve yıllık yüzde 50 oranında bir kapasite kazancı sağlandı. Daha sonra ise aynı kaynakları kullanarak pres hatları arasında malzeme taşıyan robotların hızlarını artırdık. Kayıpların azaltılmasına yönelik bu iki proje ile yüzde 100 kapasite artışı sağladık ve 6 pres hattı yerine, sadece 3 pres hattı kurularak 20 milyon Euro’luk yatırım bütçesini başka alanlara yönlendirdik” [14]. Otomotiv sektörünün önde gelen şirketlerinden Man Türkiye ise 2001 yılında gerçekleştirdiği “8,5 Projesi” ile 2002 yılında üretim kapasitesini ikiye katlamış durumdadır. Capital Dergisi’nin haberine göre, “ … Man Türkiye Pazarlama Müdürü Can Cansu, projenin tamamlanmasının ardından her 100 dakikada bir otobüsün üretim bandından çıktığını söylüyor. Üretimde otobüs başına düşen üretim süresinin azaltıldığına değinen Cansu, ‘Dolayısıyla, tek bir otobüsün toplam üretim süresini de azaltarak 29 güne indirmeyi başardık’ diye konuşuyor” [15].
4. SONUÇ
Bu otomasyon ile sadece çalışan sayısında bir azalma değil, aynı zamanda çalışma zamanının gözenekleri azaltılarak daha yoğun bir çalışma temposuna geçiliyor. Avrupa Ford fabrikaları içinde “en iyi araç üretim fabrikası” olarak seçilen [16] Kocaeli Ford Otosan fabrikasında yapılan ankette işçilerin % 69’u ücretlerinden memnun değilken [17], bu işçilerin 2006 yılına kadarki çalışma koşullarını anlatan bir haber ise şöyledir: “‘Ford’un felsefesi, bandın hızını artırıp, daha çok mal üretmek ve daha çok kâr etmek.’ İşçiler, aynı hareketi giderek daha hızlı bir tempoyla yapıyorlar. Bu hız öyle bir yere vardı ki artık 1,7 dakikada bir otomobil üretiliyor. Başka bir Ford işçisi bu durumu şöyle anlatıyor: ‘Bant sistemi, eskiden köleler için yapılmış. Zaten bizlerin de bir köleden hiç farkı yok.’ … Geçen yıl bir araç 1,8 dakika yapılıyormuş. İşçiler önümüzdeki yıl ise bu rakamın 1,5’e düşürülmek istendiğini anlatıyor. Ford işçisi ‘Belden rahatsızlanan, kol lifleri kopan, kaşı patlayan ve çeşitli iş kazaları geçiren arkadaşlarımız var. Adam kalmadı. Arkadaşlarımızın canı çıkıyor’ dedi. Başka bir Ford işçisi de ‘İş ağır, işçinin ise değeri yok’ dedi. Ağır çalışma şartları artık çevreden de biliniyor. Her ay 28-30 işçi işi bırakırken, bu rakam 60’ın üzerine çıktı. … İşçinin normalde 1 saatte yapması gereken iş bu fabrikada yarım saatte yaptırılıyor. … 8 saat sürekli ayakta çalışan işçilere yarım saat yemek, 10’ar dakikalık iki çay molası veriliyor. Ve koşuşturmaca bu molada da sürüyor. Ford işçisi molaların nasıl geçtiğini anlatıyor: ‘Yemekhane fabrikadan 10 dakika uzaklıkta. Koşturarak yemekhane kuyruğuna giriyorum, orada da 5-10 dakika bekliyorum. Yemeği aceleyle mideye indirip tekrar banda. Bir sigara içebilirsem benden mutlusu yok. Banda bir dakika geç kalınca azar işitiyorum.’ … Sürekli aynı işin yapılması, rotasyon yapılmadığı için işçinin vücudunun belli bir bölümünün sürekli çalışırken, diğer bölümünün sürekli durması bel fıtığı, boyun ağrıları, bedenin bir kısmının sürekli ağrıması gibi kalıcı rahatsızlıklara da yol açıyor. Ford işçileri, işçilerin yüzde 90’ında meslek hastalığı bulunduğunu söylüyor. Hastaneye gitmek isteyen, ‘Neden, niçin’ gibi sorularla yıldırıldığı, istirahat alanların evlerine kadar gidilip kontrol edildiği için pek çok işçi buna cesaret edemiyor. Ama buna rağmen bir hafta içinde 8 işçi bel fıtığı teşhisiyle hastaneye kaldırıldı” .” [18]
Bu çalışmada, teknolojinin üretiminin toplumsal bir süreç olduğu kadar, sermaye birikimine dayanan bir üretim ilişkisinde gerçekleştiği gösterilmeye çalışıldı. Üretim, üretilenlerin dolaşıma sunulması, pazarlanması, reklamı, bakımı, yeniden üretilmesi gerçekte bütüncül bir süreçtir. Teknoloji, bütün bu parçalar için üretiliyor. İlk görünüşte, hayatımızı kolaylaştırma yararı ile öne çıkıyor ama tarihsel olarak düşünüldüğünde üretilmesi ve üretimin genel amacı belirli bir kalıp izliyor. Belirli toplumsal ilişkiler altında üretiliyor. İşte bunu en iyi üretim ve emek sürecinin tarihsel gelişiminde görmek olanaklı. Bu yüzden teknoloji ve toplum ilişkisini ele alırken, teknoloji ve emek süreci üzerine özel bir vurgu yaptık. Teknolojinin son kullanıcı olan tüketiciye sunulması, teknoloji üretiminin genel karakterini gizler hale gelmektedir. Tüm sermaye birikimi karı çoğaltmak üzerine yönelmişken ve toplumsal ilişkiler de buna göre kurulmaktayken teknolojinin üretim süreci ile genel olarak üretim sürecinde yarattığı değişikliklere bakmak önemlidir. Böylelikle bütün bir sermaye birikimi sisteminin, teknolojinin emek sürecinde denetimi artırma, toplam olarak üretimdeki kontrolü artırmak yönünde kullandığı gerçeğini tekrar hatırlatmak gerekiyor.
5. KAYNAKÇA [1] David Noble, Progress without People, Canada: Between The Lines, 1995, s.145. [2] David Noble, a.g.y. [3] David Noble, The Forces of Production, New York: Knopf, 1984, s. 84. [4] David Noble, 1995, s. 79. [5] David Noble, 1995, s. 161. [6] David Noble, 1984, s. 71-74. [7] David Noble, 1984, s. 261. [8] Karl Marks, Grundrisse, Çev: Sevan Nişanyan, İstanbul: Birikim., 1979, s. 651. [9] Jill Rubery ve Damian Grimshaw, “ICTs and employment: The problem of job quality”, International Labour Review, Vol. 140, No. 2, s. 168). [10] Capital Dergisi, 1 Nisan 2007. [11] Capital Dergisi, 1 Mayıs 2005. [12] Capital Dergisi, 1 Ocak 2004. [13] TÜSİAD, Rekabet Stratejileri ve En İyi Uygulamalar Türk Otomotiv Sektörü, İstanbul: 1997. [14] Capital Dergisi, “‘Yeni Fikirlerle’ Hızlı Büyüdüler”, 1 Ağustos 2006. [15] A.g. y. [16] Sabah, 15 Haziran 2007. [17] Aramızda Dergisi, Ford Otosan firma içi dergi, 2006. [18] Evrensel, 29 Temmuz 2006.
Otomasyon ve kapasite artırımı yönündeki yatırımlarla emek sürecinde yaşanan değişim sadece iş zamanındaki boşlukların, gözeneklerin doldurulması, mutlak artı değer yaratmaya dönük bir süreci getirmiyor, otomasyon sistemi ile göreli artı değer üretmeye yönelik süreç de niteliksel olarak dönüştürülüyor. Bu da, emek süreci ve çalışma koşullarının değişmesine yol açıyor. Emek sürecinde ve çalışanların koşullarında böyle değişimler yaşanırken, işkolunda örgütlü bulunan Birleşik Metal-İş Sendikası’nın hazırladığı “Metal İşçisinin Gerçeği” raporunun da belirttiği gibi reel ücretlerdeki düşüşle birlikte verimlilikte artış yaşanıyor. Sektörde büyüyen istihdam bir yandan esnek çalışma koşullarında çalıştırılırken, üretimdeki büyüme reel ücretlerde düşüşü getiriyor.
187
İlginç notlar:
satellite images. •
New scientist dergisinden: •
•
•
Köşeleri gösteren virtual reality (augmented reality diyorlar buna yani eklenmiş gerçeklik gibi). Bir yeri bulabilmek için köşelere, yola bakarsınız. Daha siz oraya gelmeden gösterdiğiniz yöndeki köşenin arkasındaki sokağın resmini gösteriyor. Google earth sayesinde arabistanda Peru’daki Nazca benzeri doğal figürler görmüşler. Haberin başlangıcında Google earth arkeolog ve araştırmacıların dünyanın keşfetmedikleri yerlerindeki anlamlı yerüstü kalıntılarını Tümülüslerini keşfetmesini sağladı diyerek başlıyor. Bu ilginç. Şöyle diyor haber:
David Thomas at La Trobe University in Melbourne, Australia, is also an armchair archaeologist. In 2008, he used Google Earth to find 463 potential sites in the Registan desert of Afghanistan. “Google Earth has a policy of no censorship, so you can get access everywhere,” he says.!!! İlginç oturduğu yerden AFGANİSTANDA YER BULUYOR.
ÖZGEÇMİŞ Özgür Narin 1996 yılında ODTÜ Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümünü ve Fizik Bölümü’nü (Yandal) bitirdi. Yaklaşık iki yıl özel bir telekomünikasyon şirketinde çalıştı. Daha sonra Marmara Üniversitesi Kalkınma İktisadı ve İktisadi Büyüme programında yükseklisans ve doktorasını tamamladı. Halen Ordu Üniversitesi İ.İ.B.F.’de öğretim üyesidir.
David Kennedy at the University of Western Australia, Perth, clicked onto Google Earth. Kennedy says that many countries in the Middle East will not provide aerial photographs or permit flights for archaeological research, so Google Earth provides the only way to analyse the region. Earlier this year, he identified almost 2000 potential archaeological sites in Saudi Arabia from his office chair using Google Earth’s
188
YENİ TEKNOLOJİLER VE KRİZ: BİLEŞENLER SEKTÖRÜ ÖRNEĞİ Kurtar Tanyılmaz Marmara Üniversitesi İ.İ.B.F. umutların vardığı boyutları göstermesi bakımından şu iki yazara da başvuralım: “Günümüzde kapitalizmin alternatifi ne yazık ki yok, ancak gün gelecek yeni teknolojiler kapitalizmin karşısına yeni bir sistem çıkaracak” [6]. “Teknolojik devrim, e-ticaretin gelişmesiyle sınırlı değil. Yeni bir ekonomik sistemin doğuşuna şahit oluyoruz. Bu yeni bir kapitalizm. (…) Bugüne kadar ekonomi bir mülkiyet hakkının pazarda el değiştirmesine dayanıyordu. Bugün artık şebekeler pazarın yerini alıyor. Yani mülkiyet çağı kapanıyor, erişim çağı başlıyor. (…) İddia ediyorum, önümüzdeki 25 yıl içinde mülkiyet demode bir kavram olacak” [7]. Öte yandan Türkiye ekonomisinin rekabet gücünü artırmak, gelir seviyesini yükseltmek, çevreyi tahrip etmeyen temiz enerji kullanmak beklentileri doğrultusunda da teknolojinin sürekli gündeme getirildiğini görüyoruz. En son yayınlanan Sanayi Strateji Belgesi (2011-2014)’nde ihracata dönük, yüksek katma değerli ve ileri teknolojiye dayalı üretimin gerçekleştirilmesi, ihracatta yüksek teknolojinin payının artırılması hedefinin altı çiziliyor [8]. Bizim bu yazıda amaçladığımız “yeni ekonomi”nin, “küreselleşme”nin arkasındaki temel itici güç olarak yeni teknolojilere atfedilen önemin sorgulanması, yeni teknolojilerin taşıdığı olanaklar ve sınırlarını değerlendirirken toplumsal iktidar ilişkilerini hesaba katmanın önemini vurgulamaktır. Yazıda ileri sürülecek temel önerme teknolojik ilerlemenin toplumsal ilişkilerden bağımsız, nötr bir bir etken olarak ele alınamayacağı, üretimdeki iktidar ilişkileri ve sınıfsal çıkarlarla doğrudan bağlantılı olduğu ve teknoloji seçiminde sınıfsal tercihlerin belirleyici rol oynadığıdır.
Özet Teknolojik gelişme toplumsal sorunların çözümünde çoğunlukla toplumsal güç ilişkilerinden bağımsız bir değişken olarak ele alınmaktadır. Küreselleşme ya da ekonomik kriz tartışmalarında yeni teknolojilere adeta bir sihirli değnek işlevi atfedilmektedir. Bu çalışmada teknolojik gelişmenin gerek ortaya çıkış koşulları gerekse de toplumsal etkileri açısından sınıfsal çıkarlardan bağımsız, piyasaların tercihleri ya da devlet müdahaleleri ile şekillendiği yargısı sorgulanmaktadır. Bir ekonomide yeni teknolojinin üretim sürecine uygulanma ve ülke içinde yarı-iletken sektörünün kurulma koşulları farklı olanaklar göz önüne alarak tartışılmakta ve çeşitli yaklaşımların eleştirisi üzerinden yapılan tespitler günümüz bileşenler/yarı-iletkenler sektöründeki somut gelişme eğilimleri ışığında sınanmaktadır. 1. GİRİŞ 21. yüzyılın başında dünya ekonomisinin derinleşen krizi ile birlikte “küreselleşme” ve “yeni ekonomi” lehine ileri sürülen iddiaların neredeyse tümünün sorgulanır hale geldiğine tanık oluyoruz. 2000’li yılların başından itibaren iyice görünür olan durgunluk “yeni ekonomi”nin ekonomik çevrimleri artık geçmişte bıraktığını ilan eden çevreleri haksız çıkarmış durumdadır [1]. Son 20 yıldır “küresel” ekonomiden bahsedilirken özellikle teknolojik değişimin küreselleşmenin arkasında yatan temel itici güç olduğu, kapitalizmin niteliksel bir değişime uğradığı ve kriz dönemlerinin artık geride kaldığı görüşü oldukça yaygındı [2]. Özellikle yeni bilgi teknolojileri sayesinde iş ve emek dünyasının dönüştüğü, esnek uzmanlaşma ve esnek üretimin yaygınlaştığı, ölçek ile etkinlik arasındaki bağın koptuğu ve firmaların üretimlerini hızlıca müşterilerinin ihtiyaçları doğrultusunda kaydırabildikleri iddia ediliyordu [3].
Bu doğrultuda ilk bölümde kapitalist bir toplumda teknolojik gelişmenin kaynakları, itici gücü ile toplumsal sonuçları ve etkileri nedir sorularına cevap aranacaktır. İkinci bölümde yeni teknolojileri edinebilmek için izlenmesi gereken ekonomi politikaları nelerdir, alternatif sanayileşme stratejileri neler olabilir soruları irdelenecektir. Üçüncü bölüm önceki bölümlerde yapılan tespitlerin bileşim/yarı-iletkenler sektöründen hareketle sınanmasını amaçlamaktadır. Nihayet sonuç bölümünde elde eldilen bulgular özetlenecek ve yeni teknolojilerin daha eşitlikçi ve demokratik olarak nasıl kullanılabileceğine dair çeşitli çözüm önerileri ve talepler ileri sürülecektir.
Ünlü iktisatçı Lester Thurow Kapitalizmin Geleceği adlı kitabında iletişim teknolojisiyle üretim araçlarında bir “demokratikleşme devrimi” yaşadığımızı ileri sürüyordu: “Bugün en önemli sermaye beyin gücü. Köleliğe karşı yasalar olduğuna göre de beyin gücü kapitalistin mülkiyetinde olamaz. Halbuki biz kapitalistlerin bazı kararları almasına izin veriyoruz, çünkü üretim araçları onların elinde. Şimdi bu araçlar eskisi kadar önemli değilse, neden kararları onlar almaya devam etsin?” [4]. Manuell Castells de “Bilgi ve İletişim Teknolojisi devriminin, tamamen olmasa da bir noktaya kadar teknik, sosyal ve siyasi alanlarda daha iyi bir iletişim ortamı yaratarak yeni bir demokratik eşitliğin gelişmesine sebep olduğu söylenebilir” görüşünü savunmuştu [5]. Yeni teknolojilere duyulan hayranlığın ve beslenen
2. MEVCUT YAKLAŞIMLARIN TEKNOLOJİK GELİŞMEYE BAKIŞI Bu bölümde iki soruya cevap aranacak. Bu sorulara verilecek cevaplar esas soruyu, yani “teknolojik gelişme tüm toplumun çıkarına mıdır ve toplumsal gerilimleri yumuşatır mı?” sorusuna cevap verebilmek bakımından önemlidir. 1189
teknolojik gelişmede devletin rolü üzerinedir. Neoklasik iktisat yaklaşımı devletin firmaların yenilik yeteneklerini ve buna bağlı olarak rekabet güçlerini artırmak üzere onlara uygun ortam ve destek sağlaması gerektiği, buna karşılık Evrimci İktisat yaklaşımı devletin teknolojik gelişmeyi yönlendirmek üzere piyasalara aktif olarak müdahale etmesi gerektiği görüşündedir.
Kapitalist toplumda teknolojik gelişmenin kaynakları, nedenleri, itici gücü nedir ve bir ülkeye teknolojinin gelmesindeki ya da o ülkede teknolojinin gelişmesinin önündeki en önemli engel nedir? 2- Teknolojik gelişmenin toplumsal sonuçları ve etkileri nelerdir? Bu konuda ana akım olarak üç yaklaşım söz konusudur: Neo-klasik (liberal) yaklaşım, yeniliklerin ekonomiye dışsal ve esasen girişimci fikirlerin ürünü olduğu varsayımından hareket etmektedir. Bu nedenle hükümetlerin sadece “girişimci kafalara” fırsat veren bir ortamın yaratılmasından sorumlu olduğu, bunun dışında piyasaların işleyişine karışmaması gerektiği ileri sürülmektedir. Bu yaklaşıma göre firmaların aldıkları kararlara müdahale edilmediğinde piyasalar teknolojik gelişmeyi içselleştirebilir.
Günümüzde farklı ağırlıklarla da olsa yaygın olan bu yaklaşımlar karşısında Marxist yaklaşım, “bağımsız” olarak gelişen teknolojinin üretime sokulması sonucu ortaya çıkan ürünlerin farklı toplumsal kesimler arasında nasıl dağıtılacağı sorunu ya da söz konusu teknolojinin kimin elinde olduğu sorununun arkasına bakmak gerektiğini ileri sürer. Başka bir ifadeyle teknolojik gelişmenin kapitalist toplumdaki özgül varlığını sorgulamadan teknolojik gelişmenin etkilerini anlamak mümkün görünmemektedir.
Evrimci yaklaşım (sosyal demokrat) yaklaşım: Aralarındaki belirleyici olmayan ayrım noktalarını bir kenara bırakacak olursak, Neo-Keynesyen ya da Neo-Schumpeteryen olarak da adlandırılabilecek bu yaklaşıma göre yeni teknolojiler çalışanların verimliliğini artırır, uzun dönemde mutlaka yeni iş olanakları da yaratarak istihdamı da artırır. Ancak yeniliklerin ortaya çıkmasında kamu girişimciliğinin ve devlet müdahalesinin oldukça önemli bir yeri vardır. Çünkü piyasa aksaklıkları, bilgi eksikliği gibi nedenlerle “piyasa ekonomileri”nde teknolojiler bir dizi olumsuz toplumsal sonuçlara (işsizlik, yoksulluk, tekelleşme) yol açarak gelişir. Dolayısıyla devletin piyasalara müdahale etmesi gerekir. Bu yaklaşımı savunanların temel talebi üretkenlik artışlarının faydalarını paylaşmaktır. Bu ya çalışanların ücretlerini artırmak ya da çalışma saatlerini kısmak suretiyle mümkün olabilir. Özellikle bu yaklaşımdan hareket edenler günümüzde yeni teknolojilerle birlikte esnek üretime geçişin küçük ve orta boy işletmeleri ekonomik olarak anlamlı hale getirdiği, yeni teknolojilerin büyük ölçekli kitle üretimini zorunlu bir seçenek olmaktan çıkardığı, bugünkü teknolojik gelişmelerin dev firmaların aleyhine, küçük ve orta büyüklükte firmaların lehine koşullar yarattığını ileri sürmektedirler.
Teknolojik gelişme kapitalist üretim tarzının içsel bir olgusudur. Teknoloji üretim süreci içinde üretim aracı ve emek gücünün bir araya getiriliş tarzıdır. Teknoloji diğer yaklaşımlarda olduğu gibi sadece makinalara, üretim araçlarına, bir “girdi”ye indirgenemez. Bu özelliği dolayısıyladır ki teknoloji içinde geliştiği üretim ilişkilerinden, bir girdi değil, iktidar ilişkisi olan sermaye kavramından bağımsız olarak ele alınamaz. Kapitalist toplumda teknolojik değişimi belirleyen birinci etmen artı-değeri artırmak (daha az sayıda işçiden daha fazla ürün almak), sermayeler arası rekabetin dürtüsüyle maliyeti düşürme ve kârı azamileştirme ihtiyacıdır. Kapitalizmde teknolojik gelişme maliyetlerin düşürülmesine hizmet ettiği için uygulanır, maliyetlerin düşürülmesi kapitalist işletmeler arası rekabetin en etkin aracıdır. Marx’ın ifadesiyle “emeğin üretkenliğindeki diğer bütün artışlar gibi makine de, metaların ucuzlatılması ve işçinin kendisi için çalıştığı işgününü kısarak, karşılığını almadan kapitalistlere verdiği diğer kısmını uzatmak amacıyla kullanılır. Kısacası makine bir artıdeğer üretme aracıdır”.
Bir yandan her iki yaklaşımda da toplumdaki güç dağılımını ve denetim kapasitesini belirleyen bilgi düzeyi ve pazarlanabilir beceri düzeyidir. Ancak öte yandan da bir ülkeye teknolojinin gelmesinin ya da o ülkede teknolojinin gelişmesinin önündeki en büyük engel siyasidir. Hükümetlerin otoriter ya da demokratik yönetim tarzları, izlenen sanayi ve gelir dağılımı politikalarındaki yanlışlar teknolojik gelişmeyi engellemekte, en azından ülke içinde ve ülkeler arasında yayılımını yavaşlatmaktadır. Her iki yaklaşımın bu bakımdan benzer tespitlerinin arkasında yatan yöntemsel sorun hem teknik gelişmenin kaynağının basitçe icat/yenilik olarak görülmesi hem de icat sürecinin dışsal bir etken olarak ele alınmasıdır. Böylece teknik gelişme ile sermaye birikimi arasındaki ilişki göz ardı edilmektedir. Başka bir ifadeyle her iki yaklaşım da teknolojiyi ve üretici güçlerin gelişmesini üretim sürecindeki iktidar ilişkilerinden, dolayısıyla sınıflar mücadelesinden bağımsız bir değişken olarak ele almaktadırlar. Teknolojik determinizmin izlerini taşıyan bu her iki yaklaşım arasındaki temel ayrışma konusu,
Kapitalizmde yeni teknolojilerin kullanıma sokulma mantığına örnek olarak kule vinçlerini verebiliriz. Kula vinçlerinin bir inşaatta “daha az işçi daha hızlı iş” gibi avantajlarla maliyet tasarrufu sağlamaya dönük olarak kullanıldığını aktaran bir haberde sağladığı avantajlar şöyle açıklanıyor [9]: “Ortalama 8 tona kadar olan yükü bir dakika içinde 130 metreye kadar çıkarır. Bu, çok büyük bir rahatlık ve kolaylık. Daha az işçi ve daha hızlı iş demektir. Şantiyede maliyeti de büyük oranda düşürür. Örneğin 50 bin metrakarelik bir inşaat alanı düşünün. Burada bir kule vinç 50 işçiye bedeldir. Bunun arkasında yatan kapitalist mantık da şöyle ifade edilmiş: “İnşaatlarda çalışanların günlük yevmiyesi 80 TL civarındadır. 50 işçinin sigortasıyla, maaşıyla, yemesi içmesiyle günlük maliyeti 5 bin TL’yi bulur. Ayda 150 bin TL. Ama vincin aylık kirası 10 bin TL. Yani 10’da 1 tasarruf sağlar”. Teknolojik değişmeyi belirleyen ikinci etmen, işçi sınıfını zayıflatmak, işçi sınıfı örgütlülüğünün ve işçilerin taleplerinin 190
2- Yeni teknolojiye geçerek 8 işçiyi 8 saat çalıştırmak (kim bilir belki de 10 saat?) ve 2 işçiyi işten çıkarmak. 3- Kimseyi işten çıkartmadan 10 işçiyi 6.4 saat (64/10) çalıştırmak.
sermayenin çıkarlarını tehdit eder duruma gelmesi sonucunda, bunu ortadan kaldırmak üzere emek gücünü kendi içinde bölme ve emek gücünü emek sürecinde makinaların uzantısı haline getirerek emeğe olan bağımlılığını en aza indirgeme çabasıdır. Kısacası teknolojik değişim, burjuvazinin bir ihtiyacı haline geldiği için söz konusu olur. Asla nötr ve bağımsız bir süreç değildir. Özetle amaç başlı başına bilimsel gelişme değil, işçilerin sömürülmesini yoğunlaştırmak ve rakipleri geçmek üzere daha yüksek kâr sahibi olmaktır.
Bu örnek bize teknolojik gelişmenin etkilerinden önce söz konusu teknolojinin neden ve ne zaman gündeme geldiğini tartışma fırsatı da vermektedir. Ya rekabet baskısı ya da artan ücretler kapitalistleri bolca olan emeği kullanmaya devam etmekle ileri teknolojiye geçmenin maliyeti arasında bir tercih yapmaya zorlayacaktır. Öte yandan da bir kez yeni teknolojiye geçtiğinde kapitalist ikinci alternatifi tercih edecektir, zira bu alternatif üçüncüsüne göre kendisine daha fazla kâr vaat etmektedir. İkinci alternatifin tercih edilmesi durumunda, 16 saatlik azalma iki işçinin işsiz kalması ile sonuçlanacak; bu ise sosyal patlamalara yol açacaktır. Aslında yeni teknoloji sayesinde günde 16 saatlik bir emek azalması varsa bu demektir ki, her işçi günde 1.6 saat daha az çalışarak kendini geliştirmeye daha çok vakit bulabilecektir. Üstelik her biri daha çok ürün tüketme şansına sahip olacaktır. Kapitalistler ise biraz daha az yüksek kârlara razı olmak zorunda kalacaktır. Demek ki hem yeni teknolojiye geçilip geçilmeyeceği hem de yeni teknolojiye dayalı alternatif çalışma koşullarından hangisinin hâkim olacağı teknik bir sorun olmaktan öte o ülkedeki ücretlerin düzeyi, rekabet koşullarının şiddeti ve sınıf mücadelesinin güç dengelerine bağlı olarak şekillenen bir sorun halini almaktadır.
Diğer yaklaşımlardan farklı olan bir diğer unsur ise teknolojik gelişmenin etkileri ve sonuçları konusundaki iyimser beklentilerin paylaşılmamasıdır. Devlet desteği olsa da olmasa da kapitalist ekonomilerde teknolojik gelişme özel çıkarlara tâbi olduğundan, toplumun bütününün çıkarlarına bağlı olarak biçimlenemez. Rekabet mekanizmasına dayalı olduğu için toplumun bütünü açısından bilinçli ve planlı bir gelişme değil, kâra dayalı ve bilinçsiz bir gelişme sergiler. Bu nitelikleri dolayısıyla üretim potansiyelini artırmakla birlikte tensikata, işsizlik ve çevre sorunlarına yol açar. Yeni teknolojiler birçok durumda orta boy şirketlerce gerçekleştirilmekle birlikte, özellikle hegemonik sermayenin hâkimiyeti, kontrolü altında bu faaliyetler yürütülmektedir. Bunun en önemli nedeni gerekli AR-GE harcaması düzeyinin yüksekliğidir. Bu bakımdan yeni teknolojiler genel eğilim olarak tekelleşmeyi artırıcı yönde etki yapmaktadır. Kapitalizmde teknolojik değişim sürecine içkin bir diğer eğilim aşırı kapasite ve ortalama kâr oranlarının düşme eğilimi olarak açığa çıkan aşırı birikim eğilimidir. Tekil sermayeler bakımından çözüm olan teknolojik gelişme (pazar payının, kârlılığın artması) sermayenin bütünü dikkate alındığında belli bir sektörde kârlılığı azaltıcı eğilimler yaratır.
Bu sorunun aslında ne kadar güncel olduğunu J. Rifkin, “(bilgi teknolojilerine dayalı teknolojik devrim) insanların zorunlu çalışma saatlerini azaltabilir ve daha fazla boş zaman kazandırarak kişisel uğraşlarımız için olanak sağlayabilir. Ya da kitlesel işten çıkarmalar nedeniyle toplumda büyük çatışmalara yol açabilir. Bu yönüyle teknoloji iki ucu keskin bıçak (…) İşverenler işgüçlerini azaltırken haftalık çalışma saatlerine dokunmuyorlar. Böylece bazı işçiler aşırı mesaili çalışırken diğerleri çalışacak iş bulamıyor” diyerek ifade etmektedir [12]. Benzer şekilde İngiliz düşünce kuruluşu New Economics Foundation ekonomiyi canlandırmak ve halkın yaşam kalitesini artırmak için haftalık mesainin 21 saate indirilmesi çağrısı yapmıştır. Kuruluş tarafından yayınlanan raporda halen İngiltere’de 2.5 milyon kişinin işsiz olmasına karşın, çalışma saatlerinin 30 yıl öncesinden daha uzun olduğu vurgulanmış [13]. Hele mevcut iktisadi krizin derinleşerek ilerlediği bu günlerde istihdam kayıplarını sınırlı tutabilmenin yollarından birisi de haftalık çalışma süresini aşağılara çekmek olacaktır. Sendikaların hesaplamalarına göre halen kayıtlı istihdamın çalışma süresinde haftada 1 saatlik indirim ile 126 bin ve günde 1, haftada 6 saatlik indirim ile de 1.1 milyon kişiye ek istihdam sağlanabilecektir [14].
Bu tespitler ışığında üretkenlik artışlarıyla açığa çıkan teknolojik gelişmeden çalışanların kazanımları iptidai ve kısmi olacaktır: Kapitalizme özgü eğilimlerden dolayı rekabet baskısı ile ücret kazanımlarının aşınması, yeniliklerin ücretli emekçilerin iş kaybına yol açacak olması, üretimin parçalara bölünmesi ile ücretlerin düşmesi, işin yoğunlaşması ile fiziksel ve psikolojik zararların artması, çalışma süresini uzatma yönünde baskılar ve çevreye verilen zarardan doğan maliyetlerin artması [10]. Yeni teknolojilerin doğası ve toplumsal etkilerini özellikle işsizlik bağlamında ele alan şu örnek üzerinden ortaya koymak mümkündür [11]: 10 kişilik aktif nüfusu olan bir ülke tahayyül edelim. Bu toplum 10 işçinin günde 80 saat çalışmasıyla gereksinimlerini giderebiliyor olsun. Ülkenin kapitalistlerinin yüksek kârlı ekonomik faaliyetlerini sürdürebilmek için günde 80 saatlik emek gücüne gereksinim duyduklarını varsayalım. Belli bir süre sonra üretimi eskisine göre artıran, ihtiyaçlar için gerekli 80 saatlik çalışma süresini ise 64 saate indiren yeni bir teknolojinin gündeme geldiğini düşünelim. Önümüzde duran alternatifler nelerdir?
Şimdi “yeni teknolojileri edinebilmek için izlenmesi gereken ekonomi politikaları nelerdir?”, “acaba teknolojik atılım, salt teknoloji/sanayi politikalarıyla gerçekleşebilecek bir iyi yönetim ya da düzenleme meselesi midir?” sorularına cevap arayalım.
1-Yeni teknik için bedel ödemek yerine zaten bolca ve ucuz olan emeği kullanmaya devam etmek. 191
Neoklasik (liberal) yaklaşım: Serbest ticarete ve yabancı sermayeye kalkınmada oldukça önemli rol veren bir yaklaşımdır. Söz konusu yaklaşım iç pazarları tali, dış pazarları asli gören bir “kalkınma” stratejisi önermektedir. Bu stratejinin temel taşı uluslar arası rekabet gücüdür. Laissezfaire sanayi politikası olarak da nitelendirilen bu yaklaşım herhangi bir seçilmiş sektörü kayırmaksızın beşeri sermaye ve altyapıya yönelik yatırımlar ile istikrarlı bir makroekonomik yapıyı oluşturmak amacındadır [15]. Bu yaklaşımda “girişimci devlet”in dış ticarete ve yabancı sermayeye açık kapı politikaları uygulaması beklenir. Örneğin Vizyon 2023 Strateji Belgesi, yüksek teknoloji içeren yabancı sermaye yatırımlarını ülkeye çekmeyi hedefleyen böylesi bir bakış açısının ürünü olarak değerlendirilebilir [16].
yeniliklerin diğerleri karşısında neden daha başarılı olduklarını açıklar; o yeniliklerin neden uygulandığını ve firmalar ya da ülkeler arasında nasıl dağıldığını değil. Dolayısıyla ister liberal ister korumacı sanayi politikaları izlensin, bunların hedeflerine ulaşmaları hem toplumsal açıdan çelişkili sonuçlara yol açar hem de önemli sınırlar içerir. Sermayenin teknolojik gelişmeyi ve teknoloji politikalarını desteklemesinin sınırını ilgili politikanın sermayenin ömrünü uzatıp uzatmayacağı ve devletin buna mevcut rekabet koşullarında gücünün yetip yetmeyeceği çizecektir. Hele günümüzde neo-liberal sermaye stratejisi ile giderek küçülen devletin “teknolojik atılımı” gerçekleştirmeye gücü yetecek midir ve böyle bir atılımı yapmaya soyunsa yerli ve yabancı sermaye kuruluşları tarafından engellenmeyecek midir?
Evrimci yaklaşım: Bu yaklaşıma göre sanayi politikaları seçmeci korumacılık anlayışını içermeli ve ileri teknolojiyi kısmen dışarıdan ithal etse de bunu kısa sürede özümseyip geliştirerek kendi yerli, ulusal teknolojiyi üretme yolunu seçmelidir. Yapısalcı sanayi politikası olarak da adlandırılabilecek bu yaklaşımda teknoloji seçimi ve teknolojik yetenek kazanma sorununda bilim ve teknoloji politikalarının ayrıcalıklı bir yeri ve önemi söz konusudur [17].
Yapılan bir çok çalışma sermaye birikim düzeyi ile ARGE’ye kaynak ayırma ilişkisinin önemini ortaya koymaktadır. AR-GE kaynaklarına erişimin önündeki ciddi engeller bulunması ve AR-GE faaliyetlerinin daha çok uluslararası hegemonik sermayenin bulunduğu bölgelerde yoğunlaşmış olması, Gelişmekte Olan Ülke (GOÜ) firmalarının ileri düzeydeki AR-GE faaliyetlerine katılımının oldukça sınırlı olmasına yol açmaktadır. Bir çok GOÜ’de AR-GE’ye ayrılan kaynakların sınırlı olmasınin en önemli sonucu özellikle GOÜ’in yeni malları üretmeye geçmede pek de özgür olmadıklarıdır [19].
Her iki yaklaşımda da nihai hedef, ülke sanayinin uluslar arası ekonomiyle daha ileri düzeyde bütünleşmesi ve dış pazarlarda rekabet edebilir duruma gelmesidir. Zira paylaşılan temel varsayım teknolojik gelişmenin bütün toplumun çıkarına olduğu, ulusal çıkara hizmet edeceğidir. İki yaklaşım arasında temel ayrışma noktası yukarda da belirtildiği üzere devletin ve ilgili kurumların bu süreçte oynadıkları rol üzerindedir. Birinde piyasanın temel karar mekanizması olması, devletin daha sonra hangi sektörlerde uzmanlaşılacaksa onun uygun altyapısını hazırlaması gerektiği ileri sürülürken, diğerinde devletin daha aktif bir rol üstlenerek etkin bilim ve teknoloji politikaları ve uygun yönetim tarzı ile (yeni teknolojileri yakalamak üzere kilit ya da stratejik bazı sektörleri belirleyip, tekil firmaları ve piyasayı kârlı ve uluslararası rekabet gücü olan bir konuma getirecek teşvik mekanizmalarıyla) piyasaları “disipline” etmesi gerektiği görüşü savunulur.
Yarı-iletken sanayi bütün elektronik bağlantılı sanayilerin kullandıkları en temel birimi, yongaları (mikro-chip) üretmektedir. Yarı-iletkenlerin, 19. yüzyılda tekstilin, 20. yüzyılda otomobilin oynadığı role eşdeğer bir rol üstlenmiş bir yatırım malı olduğunu [20] hesaba katarak “Türkiye’de çip üretimi gerçekleştirmek üzere bir elektronik bileşenler sanayii kurulmalı mı?” sorusuna cevap arayalım. İstihdamı artırma, dışarı döviz akışını azaltma, ülke içinde teknolojik gelişmenin yayılmasına hizmet etme ve katma değer artışı sağlayarak refah düzeyini yükseltme amaçlarını benimsediğimizi varsayarsak önümüzde duran olanaklar (bkz. TABLO 1.) şunlar olacaktır:
Marksist yaklaşımın çıkış noktası ise daha farklıdır. Özellikle evrimci yaklaşımda vurgulanan teknolojik gelişmenin ve yeniliklerin hem itici gücü hem de yaygınlaşmalarının destekleyicisi çeşitli faktörler kuşkusuz önem taşımaktadır. Risk alma, devletin izlediği sanayi politikaları, firmalar arası ilişkiler ve bilgi alışverişleri, yenilikçi kültürel değerler vb. faktörlerin teknolojik gelişmede oynadıkları rolü elbette küçümsememek gerekir. Ancak Marksist yaklaşım bütün bu “örgütsel-kurumsal” etkenlerin kapitalizmde sermaye biçimine tâbi olduklarını ileri sürer [18]. Bununla kastedilen sermaye birikiminin yeniden üretimine katkıda bulundukları ölçüde bu etkenlerin anlam ve işlev kazanacağıdır. Zira bu etkenler sermaye birikimine içkin hedefleri yerine getirme işlevlerini güvence altına alan sistematik ve ayıklayıcı mekanizmalara tâbidirler. Şirketlerin ve devletlerin bu kurumsal-örgütsel biçimlerindeki farklılaşmalar (“ulusal yenilik sistemleri”) bize bazı
1- Tekil firmalar açısından kârlı ya da zararlı olup olmayacağına bakmaksızın, ülke içinde devlet kontrol ve güdümünde elektronik bileşenler sanayini kurmak. Dışarıdan aynı ürünlerin daha ucuza ve/veya kaçak olarak getirilmesini önlemek için de gümrük duvarlarını yükselterek iç pazarı korumaya dönük politikalar izlemek. 2- Dünya pazarıyla belli bir koruma olmaksızın daha fazla bütünleşebilmek amacıyla aynı ürünü ülke içinde üretmek (“üretim üssü” olmak) üzere yabancı sermayeyi ülkeye çekecek teşvik politikaları izlemek. 3- Yarı-iletkenleri dünya pazarından satın almak ve o ürünleri girdi olarak kullanarak tüketim mallarının üretiminde uzmanlaşıp, dünya pazarına satmak. TABLO 1. Önemli bir yatırım malı olarak yarı-iletken (çip) üretimine dair olanaklar, strateji ve koşullar 192
Amaçlar
Olanaklar
Stratejiler
1istihdam ve ücretlerin artması
1ülke içinde yarıiletken sanayinin inşası
2- döviz girişini artırmak ve/veya döviz çıkışını azaltmak
2- yabancı firmaların (yarı-iletken üreticilerinin ) fabrika kurmasını teşvik, (ilgili ürünün tümünde ya da belli bir üretim aşamasında üretim üssü olma
1- ülke içi pazarın korunması, ithal ikameci sanayileşme, (“kalkınmacı model”) 2- dünya pazarıyla bütünleşme, ihracata yönelik sanayileşme, piyasa mekanizmala rına dayalı (“entegrasyo ncu model”)
3teknolojik gelişmenin yayılması
3- dünya pazarından yarıiletkenlerin satın alınması ve tüketim mallarının ağırlıklı olduğu diğer üretim dallarında uzmanlaşma
3- dünya pazarından kopma (delinking)
sanayi politikalarının hangisi mevcut tarihsel koşullar ve kısıtlar altında ülke içinde kapitalistlerin tümünün çıkarına olabilecek, “ulusal” sermaye birikimini yeniden üretebilecek ise ona göre oluşturulacaktır.
Tarihsel kısıtlar/Koşullar 1- ülke içinde sermaye birikiminin gelişmişlik düzeyi
Örneğin Türkiye’de 2011-2014 dönemini kapsayan Sanayi Strateji Belgesi’nde öne çıkartılan hedef ihracata dönük, yüksek katma değerli ve ileri teknolojiye dayalı üretimin gerçekleştirilmesi ve bu doğrultuda Avrasya’nın üretim üssü olmaktır [21]. Kısa bir süre önce Ekonomi bakanı Çağlayan bu doğrultuda ABD’li teknoloji devlerini (Google, Apple vd.) Türkiye’ye yatırıma çekmek için Silikon Vadisi’ne gitmiştir [22]. Dünya ekonomisinin mevcut güç dengeleri ve kriz koşullarından hareket edildiğinde – toplumsal koşullar değişmedikçe – ikinci ve üçüncü alternatiflerin Türkiye’de sanayileşme sürecine damgasını vurması kaçınılmazdır. Hasan Ersel’in de belirttiği gibi “Türkiye’de sınai ürün ihracatının giderek artan kısmı küresel üretim zincirleri içinde yapılmakta, yerli şirketler süreci bağımsız bir biçimde belirleyememektedir [23]. Küresel üretim zincirlerinin uluslararası şirketler tarafından yönlendirildiği günümüzde, GOÜ’de söz konusu şirketler için üretim yapan firmaların gerekli kalite ve maliyet düzeyine ulaşabilmek için ara ve yatırım mallarını ana firmanın ticari bağlantılarının bulunduğu diğer ülkelerden ithal etme zorunluluğunu dikkate alacak olursak, günümüz dünya pazarı koşullarında ve kapitalist üretim ilişkilerinin veri alındığı durumda, elektronik sektörünün tüketim elektroniği dışında daha yüksek katma değer getirebilecek diğer alanlarında rekabet gücünü artırmaya yönelik bir stratejinin gerçekleşme şansının yapısal sınırları olduğu görülmektedir. Türkiye Elektronik Sektörü’nün alt sektörler itibariyle son 20 yıllık gelişiminin incelenmesi bile bunu kanıtlamak bakımdan yeterli olacaktır.
2- dünya ekonomisinde sermaye birikiminin canlı ya da zayıf seyredip seyretmediği
3- dünya çapında ve ülke içinde sınıf mücadeleleri ve güç dengeleri
4- katma değer artışı ve denetimi
Devlet Planlama Teşkilatı’nın 2007-2013 tarihleri arasındaki döneme dair Dokuzuncu Kalkınma Planı çerçevesindeki Elektronik ve Elektrikli Makineler Sanayi Özel İhtisas Komisyonu Raporu’nda sektörün itici gücü olarak, halihazırda ciddi bir yurtdışı pazarın olmasından da hareketle, tüketici elektroniği alt sektörü görülmektedir. Türkiye Elektronik Sanayicileri Derneği’nin (TESİD) Elektronik Sanayi Almanağı-2011 yayınındaki tespiti şöyledir: Bileşenler alt sektöründe “dünyada ancak birkaç ülkenin tutunabildiği ve teknolojinin sürekli değiştiği tümleşik devre tasarımı ve üretimi konusunda başarı sağlamak için büyük teknolojik ve mali birikim gerekmektedir. Bu ürünlerin dışalımı toplam bileşenlerin yarısını oluşturmaktadır”. Benzer bir görüşe göre de Türkiye’nin güçlü olduğu sanılan tüketici elektroniği sektörünün belli bir kaleminde ihracat gelirinin dörtte üçü bileşen maliyeti olarak yurtdışına ödenmekte, geri kalan bölümden üretim maliyetleri düşülüp, sınırlı bir kârla yetinilmektedir [24]. Elektronik sanayi üretim miktarlarını gösteren veriler de temel bileşenleri yurtdışından ithal eden ve Türkiye’de son tüketiciye dönük elektronik cihazlar üreten bir sektörel görüntüyü destekler niteliktedir.
Tekil kapitalistin “söz konusu sanayinin kurulmasına hiç gerek yok, böyle tesisler zarar eder” görüşünden, “bazı kârlı olabilecek bileşenler (yabancı sermaye ile ya da değil) ülke içinde üretilebilir, ancak diğerlerinin üretimine gerek yok, zira dünyada birçok pazardan ucuza alabilmek mümkün” görüşünden hangisinin ağır basacağı, yani hangi “kalkınma” stratejisinin izleneceği, devletin izleyeceği sanayi politikasından bağımsız olarak, dünya ve ülke ekonomisinin içinde bulunduğu toplumsal ve tarihsel koşullara göre belirlenecektir. Bu koşulların başında ülke içinde mevcut sermaye birikiminin gelişmişlik düzeyi, dünya ekonomisinde sermaye birikiminin canlı mı yoksa günümüzde olduğu gibi durgun mu seyrettiği ve gerek dünyada gerekse de ülke içinde sınıf mücadeleleri ve ortaya çıkmış bulunan güç dengelerinin hangi sınıfı ya da toplumsal kesimi hegemonik bir iktidar konumuna getirdiği gelmektedir. Özetle tekil kapitalistler açısından bakıldığında hangi alternatifin “tercih” edileceği salt devletin izlediği korumacı ya da bütünleşmeci politikalardan bağımsız olarak kapitalistin kârlılık mantığına ve onu çevreleyen tarihsel-politik koşullara, yani sınıfsal çıkarlara göre belirlenecektir. Buradan hareketle izlenecek
Türkiye dışında da Hindistan’da bilişim, özellikle de yazılım alanına yıllarca yatırım yapılmış olması, Meksika’nın ABD ile Gümrük Birliği’ne (NAFTA) girerek özellikle “serbest 193
birlikte yine de belirleyici bir ağırlık taşımamaktadır. Dünyadaki toplam satışların yaklaşık yüzde 75’i ABD ve Japon firmaları tarafından gerçekleştirilmektedir [28].
endüstri bölgeleri”nde elektronik imalatının yoğunlaştığı üretim yerleri kurması, Güney Kore’nin özellikle elektronik sanayinin bir çok alt dalında uzmanlaşmış (Samsung, Daewoo vd.) olması, Meksika, Arjantin ve Güney Doğu Asya krizleri hatırlandığında, azalan işçi ücretleri, sürekli üretimi daha düşük ücretli ülkelere (Çin, Tayvan, Doğu Avrupa ülkeleri) kaydırma tehdidi, artan tekelleşme ve yabancı sermaye denetimi dışında bu ülkelerde çoğunluğu oluşturan emekçilerin hangi “ulusal” çıkarlarına hizmet ettiği sorusu cevaplanmayı beklemektedir. Şimdi yukarda yaptığımız tespitleri ve ileri sürdüğümüz görüşleri bileşenler sektörü örneğinden hareketle sınamaya ve somutlamaya çalışalım.
- Üretim ve AR-GE faaliyetleri az sayıda bölgede ve ülkede yoğunlaşmış durumdadır. Aşağıda Şekil 1.’de görüldüğü üzere hegemonik sermayelerin kontrolündeki AR-GE faaliyetlerinin yaklaşık yüzde 95’i dünya ekonomisinin “refah” bölgelerinde gerçekleştirilmektedir.
3. BİLEŞENLER ALT SEKTÖRÜ ÖRNEĞİ Her şeyden önce bileşenler alt sektörünü de içinde barındıran Enformasyon Teknolojileri sektörüne ilişkin 80’li yıllardan bu yana dile getirilen üç iddia (ekonomik çevrimlere son verdiği, sürdürülebilir bir üretkenlik devrimi yaptığı, yüksek kârlar yarattığı) somut olgular ve gelişmeler karşısında çürümüş durumdadır. Dünya ekonomisinin krizi daha da derinleşmekte, üretkenlik artışları giderek yavaşlamakta ve kâr oranlarının düşme eğilimi başka bir çok sektörde olduğu gibi sürmektedir. Daha önce fabrikalarını “robotlaştıran” ve yeni enformasyon teknolojisi ürünlerini yaratıp uygulayan Japonya kronik durgunluk içindedir (son 11 yıldır ortalama büyüme oranı yaklaşık yüzde 1).
Şekil 1. AR-GE faaliyetlerinin ülkeler arasındaki dağılımı [29]
- Sektörde piyasaya giriş maliyetleri ve AR-GE maliyetleri giderek yükselmektedir. Bunun bir sonucu olarak sektör büyük ana firmaların hâkimiyeti altındadır. Sektörde önde gelen 10 firma (bkz. Şekil 2.) dünya pazarında yüzde 50-60 arasında pay sahibidir [30].
Öte yandan Enformasyon Teknolojisi sektörüne yapılan milyarlarca dolarlık yatırım, daha üretken alanlara yapılacak yatırımları engelleyerek, getirisi düşük, yan sektörlere etkisi az olan bir sektörde aşırı sermaye birikimine yol açmıştır. Bununla birlikte sektör günümüzde her zamankinden daha az rekabetçi ve daha fazla yoğunlaşmış durumdadır [25]. Bileşenler alt sektörü ve özel olarak da bunun içinde yer alan ve kilit önemde olan yarı-iletkenler sektörünün son yıllardaki gelişme eğilimleri ve özellikleri şöyle özetlenebilir: - Sektör kronik bir aşırı üretim ve aşırı kapasite sorunu yaşamaktadır [26]. Yarı-iletkenler sektöründe azalan kapasite kullanım oranları (sektörde ortalama kapasite kullanım oranı 2009’dan önceki 3 sene itibariyle yüzde 89 civarında seyrediyordu, 2009’daki ekonomik krizle birlikte yüzde 57’lere düşmüş durumda) ve artan üretim kapasitesine bağlı olarak fazla kapasite olgusu yıllardır hüküm sürmektedir [27]. Bu fazla kapasiteler sadece firmaların oluşturdukları değil, aynı zamanda giderek artan ölçüde devlet teşvikleri ile de oluşmuş durumdadır. Öyle ki söz konusu teşvikler fiyatlardaki düşüşle nitelendirilebilecek piyasa mekanizmalarıyla ortaya çıkabilecek dünya ölçeğindeki kapasitelerdeki olası azalmaları da engelleyici bir karşı-eğilim yaratmaktadır. Yani sektörde aşırı birikim söz konusudur ve bazı sermayeler devletlerinin desteğiyle ayakta tutularak piyasadan elenmeleri ertelenmiş olmaktadır.
Şekil 2. Yarı-iletken sektöründe ilk 10 firma
- Sektörde üretimin parçalanması eğilimleri karşısında merkezileşme ve yoğunlaşma baskılarına bağlı bütünleşme eğilimleri de mevcuttur.
- Sektörde üç büyük ekonomik blok (NAFTA, AB, APEC) yatırımlar, üretim, ihracat ve işgücü bakımından büyük paya sahiptir. Üretimi bazı GOÜ’e kaydırma eğilimi artmakla
- Sektördeki işgücünün çoğunluğu ABD ve Japonya’da yoğunlaşmış durumdadır.
194
sermayenin merkezileşme ve yoğunlaşma eğiliminin sürmesi, ülkeler arasındaki sınai eşitsizliğin daha da artması. Belirttiğimiz gibi teknolojik gelişmelerin toplumsal etkileri bakımından çözümlenmesi gereken sorun teknik, doğal ya da kültürel bir sorun değildir, toplumsal bir sorundur. “Bu bir farkında olma sorunu değildir. Zenginler, kapitalistler, başta olanlar aptal değildir. Bunların çoğu ekolojik tehlikelerin farkındadır. Bunları dikkate almaya çalışmalarına, iktisadi planlamalarına ve projeksiyonlarına dahil etmelerine rağmen rekabet baskısı altında tüm tehditlerin olduğu gibi kalmalarına neden olacak bir biçimde davranmaya zorlanırlar. (...)Temel sorun, bilim ve teknolojiyi insanoğlunun büyük bir çoğunluğunun çıkarlarına göre demokratik olarak kurulmuş bilinçli sosyal kontrolünün konusu haline getirmektir. Bilim ve teknoloji, insanoğlunun uzun dönemli çıkarlarını göz önüne almaksızın istismar eden özel çıkarların hizmetine sunulmayarak bağımsız hale getirilebilir. Bu amaca ulaşmak için bizatihi toplum örgütü ve yapısı demokratik olarak belirlenen, bilinçli kontrolün geçerli olduğu bir durumda olması gerekir” [34].
- Yenilikler sayesinde sektörde önemli üretkenlik artışları söz konusu olmakla birlikte sektör adeta “işsizlik yaratan büyüme” (jobless growth) diye nitelendirilebilecek bir durumda bulunmaktadır. Üretimde çalışan ve basit işlemler yapan işçiler otomasyonla birlikte büyük ölçüde işsiz kalmaktadırlar. - Yarı-iletken üretim sürecinin emek yoğun bölümleri çoğunlukla Asya’da düşük ücret bölgelerinde gerçekleştirilmektedir. Son yıllarda montaj işinin de hızlı bir otomasyon sürecine girmesi sektörde yaşanan istihdam artışlarını yavaşlatıcı yönde etkide bulunmaktadır [31]. - Sektörde nitelikli işgücü büyük paya sahip olmakla birlikte üretim sürecinin sıradan aşamalarında çok sayıda kadın ve göçmen ağır koşullarda çalıştırılmakta, işgücünün düşük sendikal örgütlülüğü ve sektördeki firmaların sendika karşıtı politikaları da bu koşulları desteklemektedir. - Yeni teknolojilerin kapitalist üretim koşullarında işçilerin azınlığı için yeniden vasıflılaşmaya neden olsa da, genel olarak bir vasıfsızlaşmaya yol açma eğilimi, emek sürecinin vasıflı ve yarı-vasıflı olarak bölündüğü ve ikincisinin asıl olarak “Üçüncü Dünya”da yer aldığı elektronik sektöründe özellikle belirgindir [32].
Yeni teknolojiler sayesinde işçilerin payının artması, işsizliğin önlenmesi bizatihi teknolojik gelişmenin ya da onu destekleyen bazı kurumsal-örgütsel etkenlerin doğal, otomatik sonucu değildir. Sorun bir ülkede üretkenliği yeteri kadar artıramamak, sermayenin yetersizliği, yanlış iktisat politikaları, girişimci ve yenilikçi kültürün olmaması değil, kapitalist üretim ilişkilerinin teknolojik gelişmenin sağlayabileceği potansiyel “meyveler”den faydalanılmasına fırsat vermeyen çelişkili doğasıdır. Bu nedenle Türkiyeli kapitalistlerin dünya piyasalarında tutunmalarını sağlayan, sonra onların kârlılıklarını artırmaya hizmet eden, ardından da devleti ya da sınıf mücadelesini bu kârlılıktan ele geçirilme ihtimali olan pay için seferber eden politikaların şansı sınırlı olacaktır.
- Sektörde devletlerin firmalara verdikleri desteklerin önemi (özellikle askeri savunma harcamaları kapsamında) Şekil 3.’de görüldüğü üzere her geçen gün artmaktadır.
Teknoloji sadece makine olmadığına, makinayla emeğin ve insanla insanın bir araya getiriliş tarzı olduğuna göre yeni teknolojilerin insanlığı özgürleştirme potansiyeli taşıyan olumlu içeriği, ancak üreten-yöneten ayrımının kaldırılmasını hedefleyen bir mücadeleyle gerçeğe dönüştürülebilir. Bu doğrultuda teknolojinin daha eşitlikçi ve demokratik kullanımı sadece emek sürecinde daha fazla kontrol talebi ya da üretkenlik artışından pay almayı sağlayacak mekanizmaların kurulması talebiyle sınırlandırılmamalıdır. Yeni teknolojilerin insanlar için özgürlükçü potansiyelini açığa çıkaracak koşulları yaratmak için yapılacak mücadeleye şu ilkeler ve talepler yön vermelidir:
Şekil 3. GSMH içinde % olarak özel sektör AR-GE çalışmalarına devlet finansmanı [33]
- İleri kapitalist ülkelerdeki uluslararası sermaye kuruluşlarını teknolojik ilerleme düzeylerini “yakalamak” artan piyasaya giriş maliyetleriyle birlikte daha da zorlaşmaktadır.
- Toplumsal çıkarlara uygun bir teknoloji seçimi için özel sermayenin çıkarlarına bağlı bir teknoloji politikasının eleştirisi ve reddi.
4. SONUÇLAR Yukardaki değerlendirmelerden hareketle yeni teknolojilerin kapitalist üretim ilişkilerinin hüküm sürdüğü koşullarda şu toplumsal sorunlara yol açacağını ortaya koymuş bulunuyoruz: Yapısal işsizlik, standart olmayan istihdam biçimlerinin yaygınlaşması (kayıtdışı istihdam, güvencesiz çalışma vb.), işletme hacimlerinin küçülme eğilimine rağmen
- Teknolojik yeniliklerin işten çıkartmalara yol açmaması için a) iş saatlerinin kısaltılması ve mevcut işlerin paylaşılması, b) yeni iş olanakları hazırlanmadan işçilerin işten çıkartılmamaları talepleri.
195
[18] Tony Smith, “Technology and History in Capitalism: Marxian and Neo-Schumpeterian Perspectives”, The Constitution of Capital – Essays on Volume I of Marx’s Capital, Editörü: R. Bellafiore/N. Taylor, New York, 2004, s. 217-221. [19] Hidalgo/Klinger/Hausmann, “The Product Space Conditions of the Development of Nations”, http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0708/0708.2090.pdf. [20] Beverly Silver, Emeğin Gücü – 1870’den Günümüze İşçi Hareketleri ve Küreselleşme, Çeviren: A. Ünal, 2009, s. 144. [21] Milliyet, 6.1.2011. [22] Milliyet, 15.8.2011. [23] Referans, 18.4.2008. [24] Mustafa Dayanıklı, “Türkiye’de Elektronik Bileşenler Sanayinin Adı Yok”, Elektrik Mühendisliği, sayı: 437, Aralık 2009, s. 15. [25] James Petras, age., s. 45-46. [26] Bill Dunn, age., s. 118, 125, 129. [27] Price WaterhouseCoopers, “A change of pace for the semiconductor industry?”, 2009, s. 19, 33. [28] Bill Dunn, age, s. 121-125. [29] Dilşad Erkek, AR-GE, İnovasyon ve Türkiye, 31.5.2011, www.geka.org.tr/indir/190/ar-ge-inovasyon-ve-turkiye.html [30] Bill Dunn, age., s. 129. [31] Beverly Silver, age., s. 146. [32] Ronaldo Munck, Uluslar arası Emek Araştırmaları, Çeviren: C. Aygün, 1995, s. 143. [33] OECD, Science, Technology and Industry, Outlook, 2002. [34] Ernest Mandel, “Sosyalizm mi Neoliberalizm mi?”, Neoliberal İktisadın Marksist Eleştirisi, Çeviren: Uğur Selçuk Akalın, İstanbul, 2009, s. 225-226.
- Teknolojik yenilik adı altında sömürü tekniklerinin uygulamaya sokulmasına, çalışma temposunda yoğunlaştırma girişimlerine karşı mücadele. - Teknoloji seçiminde işçi temsilcileri ve sendikalara söz hakkı. - Uluslar arasında eşitliğe dayalı bir teknolojik gelişmenin uluslararası işbirliği içinde gelişebilmesi ancak demokratik merkezi planlamanın yerleşmesiyle mümkün olacağından çok uluslu özel sermayenin ülke ekonomisi, giderek dünya ekonomisi üzerindeki hâkimiyetinin kırılması, işçi ve emekçilerin çıkarlarını temsil eden bir devletin bu konuda aktif rol üstlenmesi gerekmektedir.
5. KAYNAKÇA [1] James Petras, Küreselleşme ve Direniş, İstanbul, 2002, s. 45. [2] Robert Went, Küreselleşme, Çeviren: Emrah Dinç, İstanbul, 2001, s. 81-82, 106. [3] Bill Dunn, Global Restructuring and the Power of Labour, London, 2004, s. 41. [4] Milliyet, 11.1.1997. [5] Manuell Castells’ten aktaran Ronaldo Munck, Emeğin Yeni Dünyası, Çeviren: Mehmet Tekçe, 2003, s. 83-84. [6] Lester Thurow’la yapılan röportaj, Cumhuriyet, 28.8.2003. [7] Jeremy Rifkin’le yapılan röportaj, Referans, 5.12.2004. [8] www.sanayi.gov.tr/Files/.../sanayi_stratejisi_belgesi_2011_20 14.pdf. [9]) Radikal, 18.11.2010. [10] http://www.public.iastate.edu/~tonys/42%20Technological.pd f. [11] Bu örneğin esin kaynağı olan iki yazı için bkz. Deniz Can Saner, Zenginler, Yoksullar ve Robotlar – Dünya Sistemi, Bağımlılık ve Türkiye, İstanbul, 1992, s. 115 ve Ahmet Tonak, “Sakın ha, bozma ezberini...”, Birgün 29.05.2010. [12] Newsweek dergisinde yapılan söyleşiyi aktaran PostExpress, 5.5.1995. [13] Milliyet, 14.2.2010. [14] aktaran Osman Şenkul, Referans, 21.4.2009. [15] Alkan Soyak, “Avrupa Birliği Sürecinde Türkiye Sanayi Politikası Üzerine Eleştirel Bir Yaklaşım”, Ölçü Dergisi, Aralık 2005, s. 62. [16] Haluk Geray, “Küreselleşme Bağlamında Bilim Ve Teknoloji Stratejisi”, Ölçü Dergisi, Aralık 2005, s.44. [17] Alkan Soyak, age. s. 62.
ÖZGEÇMİŞ Kurtar TANYILMAZ 1967 yılında İstanbul’da doğan Kurtar Tanyılmaz Avusturya Lisesi’ni bitirdikten sonra yükseköğretimini İstanbul Teknik Üniversitesi İşletme Mühendisliği bölümünde gerçekleştirmiştir. Aynı üniversitenin Sosyal Bilimler Enstitüsünde Yüksek Lisans yapmış ve Fen Bilimleri Enstitüsünde Yeni Üretim Teknikleri ve Sermayenin Uluslararasılaşması: Türkiye Elektronik Sektörü Örneği konulu tezle doktora öğrenimini tamamlamıştır. 1993 yılında Marmara Üniversitesi’nde asistan olarak çalışmaya başlayan Tanyılmaz halen aynı üniversitedeYardımcı Doçent olarak öğretim üyeliğinde bulunmaktadır. Uluslar arası üretim, Azgelişmiş Ülkelerde kalkınma ve sanayileşme sorunları başlıca ilgi alanlarıdır.
196
GETEK giris:AYDIN_ACEMI.qxp 14.10.2011 14:29 Page 17
IX. OTURUM OTURUM BAŞKANI: Süleyman Buğra BARIN > Sempozyum Düzenleme Kurulu Üyesi SON GELİŞMELER IŞIĞINDA TOZ METALURJİSİ ÜRETİM TEKNOLOJİLERİ . . . . . . .199 Şevki Yılmaz GÜVEN (Süleyman Demirel Üniversitesi) ENJEKSİYONLA KALIPLAMA YÖNTEMİ İLE TERMOPLASTİK KÖPÜK MALZEME ÜRETİMİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .205 S. Hakan YETGİN (Sakarya Üniversitesi) Hüseyin ÜNAL (Sakarya Üniversitesi) POLİMER MALZEME SEKTÖRÜNDE YENİ TRENDLER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .213 Sencer Süreyya KARABEYOĞLU (Namık Kemal Üniversitesi) ELEKTRİKSEL OLARAK İLETKEN TEKSTİL YAPILARI VE KULLANIM ALANLARI . . . .217 Nilşen SÜNTER (Dokuz Eylül Üniversitesi) Ayşe ÇELİK BEDELOĞLU (Dokuz Eylül Üniversitesi) Yalçın BOZKURT (Dokuz Eylül Üniversitesi)
17
SON GELİŞMELER IŞIĞINDA TOZ METALURJİSİ ÜRETİM TEKNOLOJİLERİ Şevki Yılmaz GÜVEN SDÜ Müh.Mim. Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü Isparta TÜRKİYE Tel: 246 211 12 50 GSM: 532 476 53 90 E-posta:
[email protected] Özet
gelmekteydi. 1826 da Rusya’da tedavüle çıkarılan platin para toz metalurjisinin ilk endüstriyel uygulaması olmuştur [2].
Makine sanayinden tıp alanına kadar, bir çok mühendislik alanına yönelik parça imalatı toz metalurjisi üretim teknolojileri ile yapılmaktadır. Toz metalurjisinin tarihi, uzun geçmiş yıllara dayanmaktadır. Dünyada ve ülkemizde toz metalurjisi üretim teknolojilerindeki gelişmelere paralel olarak, uzun yıllardan bu yana imalat yapılmaktadır.
Toz metalurjisi, malzeme şekillendirilmesinde bilinen en eski yöntem olmasına rağmen; bugün için, oldukça geliştirilmiştir. Toz metalurjisi, diğer üretim teknikleri ile üretimi mümkün olmayan malzemelerin ve genellikle karmaşık şekilli parçaların üretiminde kullanılan bir yöntemdir. Toz metalurjisi ile şekillendirilen parçalarda elde edilen şekil ve boyutsal hassasiyet sayesinde yüzey kalitesi ve talaşlı işlem gibi ek işlemlere gereksinimi ortadan kaldırmaktadır. Plastik şekil alması ve talaşlı işlenmesi zor olan, döküm yöntemiyle üretilen malzemenin özelliklerinin yetersiz olduğu durumlarda tercih edilen bir imalat yöntemidir. Kendinden yağlamalı yatak burçları ve metalsel / seramik filtreler gibi gözeneklilik istenen parçalarda da başarılı bir şekilde imal edilmektedir.
Bileşenlerinin ergime sıcaklıklarının çok farklı olması veya yoğunluklarının çok farklı olması nedeni ile, normal ergime yolu ile alaşımları yapılamayan metallerden toz metalurjisi yöntemi ile sorunsuz olarak parça üretimi kolayca yapılabilmektedir. Her imalat yönteminde olduğu gibi, toz metalurjisinin de, avantajlı ve dezavantajlı yönleri vardır. Toz metalurjisinin avantajlı yönlerini kullanarak ekonomik parça üretimi söz konusudur. Toz metalurjisi üretim teknolojileri ile üretilen parçaların mekanik özellikleri üzerine, toz üretim yöntemi, toz boyutu ve toz şekli, basınç ve sıcaklık gibi, bir çok faktör etki etmektedir. Bu faktörlerin optimum özellikte olmaları sağlanarak imalat yapılmaktadır.
Son zamanlarda, lazerli üretim teknolojisinin de toz metalurjisi ile ortak çalışma içerisinde olduğu gözlemlenmektedir. Lazer ışını altında metal tozdan üretilen parçalar hemen hemen hiçbir ek işlem gerektirmemektedir. Lockheed Martin Forth Worth fabrikasında metal tozundan; parçalar, robot kontrollu lazer yardımıyla, koruyucu atmosfer olarak argon gazı kullanılan özel bir oda içerisinde üretilmektedir [3].
Bu çalışmada; toz metalurjisi teknolojisi, metal tozu üretim yöntemleri, toz metalurjisi teknolojilerindeki gelişmeler, metal tozların şekillendirilme yöntemleri, çelik toz dövmeciliği, toz metal parçaların mekanik özelliklerine etki eden faktörler, metalik köpükler, kendinden yağlamalı yataklar, askeri alanda toz metalurjisi, tıp alanındaki uygulamalar, yüzey işlemleri, ısıl işlem ve parça dizaynı konuları gelişmeler ışığında incelenmektedir.
Toz metalurjisi ile ergitme yöntemi ile yoğunlukları çok farklı olan metallerden elde edilemeyen malzemeler, toz metalurjisi ile elde edilmektedir. Şekillendirilen parçaların boyut, ölçü ve yüzey kaliteleri çok iyi durumdadır. Parçalara yüzey işlemleri, ısıl işlemler, yağ emdirme, kaplama, ütüleme, toz dövme ve infiltrasyon gibi bir çok bitirme işlemleri uygulanabilmektedir.
Anahtar sözcükler: Toz metalurjisi, toz üretimi, toz metal çelikler
Toz metalurjisi ile parça üretiminin çeşitli safhaları olup bunlar; toz üretimi, tozların sıkıştırılması (presleme), sinterleme, tam yoğunlaştırma ve bitirme işlemleridir. Şekillendirilen parçaların mekanik özellikleri; tozun üretim yöntemine, toz boyutuna, tozun şekline, sıkıştırma basıncına, yağ kullanımına, sinterleme sıcaklığına, sinterleme süresine, gözeneklerin boyutuna, gözeneklerin dağılımına, yoğunlaştırma ve bitirme işlemlerine bağlıdır.
1. GİRİŞ Toz metalurjisi 5000 yıl öncesine dayanan uzun bir tarihçeye sahiptir. Eski Mısırlılar alet yapmak amacıyla “sünger demir” üretimini gerçekleştirmişler, üretilen sünger demir kütlesi çekiçlenip ufalanmış ve elde edilen tozlar preslenerek birleştirilmiştir [1]. Toz metalurjisi (T/M), metal işleme ve şekillendirme yöntemleri içinde büyük farklılık gösteren bir imalat yöntemidir. Çok eskiden beri bilinen ve uygulanan bir yöntem olmasına rağmen uygulama açısından yeni sayılabilecek bir imalat yöntemidir. Tarihsel geçmişine baktığımızda, 19. yüzyılın sonlarında, sanayide platin ve iridyum gibi yüksek sıcaklıkta ergiyen metallerin kullanılması denenmiştir. Kimyasal bir yöntemle platin toz haline getirilmekte, bu toz çok yüksek basınçta sıkıştırılmakta ve sonra ısıtılmaktaydı. Böylece tozlar masif bir kütle haline
Toz metalurjisi ; uzay-havacılık, otomotiv sanayi, elektrik elektronik, askeri saha, nükleer mühendislik, tıp ve dişçilik gibi çok geniş bir alanda uygulama bulmaktadır [4].
2. ÜRETİM TEKNOLOJİLERİ 2.1 Metal Tozlarının Üretim Yöntemleri Metal toz üretim yöntemlerinin başlıcaları şunlardır; 199
mekanik pülverizasyon, elektroliz, çökeltme, doğrudan indirgeme, atomizasyon [5, 6, 7 ,8, 9] Mekaniksel Öğütme: Gevrek yapıdaki intermetalik alaşımlar (örneğin, injeksiyonla kalıplamada kullanılan ve çok ince yapıdaki tozlardan üretilen ferro-krom ve ferrosilikon) mekaniksel olarak bilyalı değirmenlerde öğütülmek süretiyle toz haline (pülverize) getirilmektedir. Öğütülecek metal, içinde sert bilyaların bulunduğu kaba konur ve kap ekseni etrafında döndürülür veya titreştirilir. Bilyaların çarpışması sonucu metal tozu üretilmiş olur. Elektroliz: Elektroliz hücresinde, katot üzerinde olan metal birikmesi ya gevşek bağlantılı tozlar halinde veya sıkı ancak gevrek bir tabaka halinde oluşur. Her iki halde de, katodd, toplanan metal kolaylıkla öğütülerek ince toz haline getirilebilir.
Şekil 1. Döner Disk Atomizasyon Yöntemi
Çökeltme : Çökeltme bir sıvı veya tuz çözeltisinden yapılmaktadır. Bu yöntem Hidro-Metalurji olarak da bilinir. Çözeltiden, önce bir hidroksit çökeltilir, daha sonra bu hidroksit ısıtılarak parçalanır.
çarpan sıvı metal parçalanarak şekildeki gibi saçılır. Saçılan metal parçacıklar nozülden çıkışta bazen su ile soğutularak birbirine yapışmadan katılaşmaları sağlanır. Sıvı metali mekanik olarak parçalamakta uygulanan basit bir yol da katılaşma sırasında karıştırmaktır. Örneğin alüminyum katılaşırken karıştırılırsa toz haline gelir. Eğer bir alaşım söz konusu ise karıştırma, katılaşma aralığında yapılır. Alüminyum, çinko, kalay gibi metallerin bu yolla çok şekilli tozları elde edilebilir.
Doğrudan İndirgeme: Toz haline öğütülen oksitler indirgeyici atmosfer altında uygun sıcaklıklara ısıtılarak indirgenirler. İndirgeyici ortam olarak karbon ve hidrojen kullanılmaktadır. Atomizasyon: Bu işlemde ergitilmiş metal birbirleri veya katı yüzeylerle temas etmeden çok küçük damlacıklara parçalanır ve soğutulurlar. Temel prensip, ergimiş haldeki metal çok ince şerit halinde akıtılır ve bu esnada bir su veya gaz jeti ile çok küçük parçacıklara parçalanarak soğutulur. Hava, azot (N2), argon ve helyum sıklıkla kullanılan gazlardandır ve su (veya gazyağı-paraffin) ise çok sık olarak tercih edilen sıvıdır. Atomizasyon metal tozu üretiminde kullanılan en yaygın toz üretim yöntemidir.
Döner Elektrod (REP) Yöntemi: Bu yöntemde tozu elde edilecek metalden yapılmış bir elektrot ile ergimeyen tungsten elektrot arasında ark oluşturulur (Şekil 2). Ergiyen elektrodun döndürülmesiyle, elektrik arkı altında bunun ucunda oluşan metal damlaları savrularak parçalanır ve tankta toplanır. Oksidasyonu önlemek için toz toplama tankı genellikle helyum, argon gibi bir asal gazla doldurulur. Bu yöntemle küresel ve oldukça eşit tane iriliğinde metal tozu üretmek mümkün olmaktadır.
Döner Disk Yöntemi : Atomizasyon için değişik yöntemler kullanılabilmektedir, bunların içinde önemli bir yer tutan yöntem olarak merkezkaç kuvvetinin etkisiyle toz metal üretimini sağlayan döner disk yöntemini görmekteyiz (Şekil 1). Bu yöntem içinde de iki ayrı üretim tekniği vardır, bunlardan biri belli bir miktarda sıvı metal toz oluşturacak kadar merkezkaç kuvvete tabi tutulur, diğer yöntemde ise ergimiş metal sürekli olarak dönen bir disk veya koni üzerine akıtılır, buradan saçılan metalin toz haline gelmesi sağlanır. Bir potadan tandişe aktarılan sıvı metal, tandiş altındaki memeden dönen bir disk üzerine akıtılır. Disk üzerindeki set ve yarıklara
Şekil 2. Döner Elektrod Atomizasyon Yöntemi
Vakum Atomizasyon Yöntemi : Bu yöntemde Şekil 3 de görüldüğü gibi silindirik bir tankın alt kısmında sıvı metal potası, üst kısmında da vakum atomizasyon odası bulunmaktadır. Her iki bölüm sıvının geçeceği memeyi 200
taşıyan bir plaka tarafından bölünmüştür. Memenin alt kısmında ona bağlı bir seramik boru bulunmaktadır.
mekanik olarak tuğla gibi dizilmeleri ve yapışmalarıyla metalsel bir parça veya kompakt bir alaşım vermelidir. Tek bileşenli sistemlerde genellikle sinterleme sıcaklığı olarak metalin mutlak ergime sıcaklığının 2/3 ve 4/5’i alınır ; birden fazla bileşenli sistemlerde ise sinterleme genellikle ergime sıcaklığı en düşük olan bileşenlerin ergime sıcaklığının üstünde yapılır. Gözenekli bronzlar ve bronzlara benzeyen alaşımlar 600 ºC ila 800 ºC arasında, demir grubu metallerin alaşımları ise 1000 ºC ila 1300 ºC arasında, sert alaşımlar 1400 ºC ila 1600 ºC arasında, refrakter metaller (molibden, volfram, tantal ) 2000ºC ila 2900 ºC arasında sinterlenirler.
Vakum altındaki sıvı metal önce belirli bir sıcaklığa kadar indüksiyon akımı ile ısıtılır, bundan sonra bu bölüme hidrojen gazı doldurulur. Potadaki sıvı metalde bu hidrojen gazı çözündükten sonra potayı yukarı taşıyan mil potayı yukarı iterek seramik boruyu potaya daldırır. Üst kısımda vakum olduğu için ergimiş sıvı metal memeden geçerek parçalanarak pulverize olur ve soğur. Böylece metal ve alaşımlarından ince küresel tozlar üretilebilmektedir.
Sinterleme sıcaklığı gibi, sinterleme süresi de kullanılan malzemeye göre değişir. Sert alaşımlar ve mıknatıs alaşımlarında olduğu gibi birçok hallerde de birkaç saat süren bir sinterleme uygulanmalıdır. Sinterleme zamanı ve sıcaklığı arasında basit bir bağıntı vardır. Sinterleme sıcaklığı yükseldikçe sinterleme zamanı kısalır; aksine olarak düşük bir sinterleme sıcaklığı sinterleme zamanının uzamasına neden olur. Sinterleme sıcaklığının 1050ºC civarında olması halinde nikel-krom veya demir-krom-alüminyum rezistanslı elektrik fırınları yeterli gelir. 1350 ºC ye kadar silit çubuklu fırınlar kullanılır. Daha yüksek sıcaklıklar için (1000 ºC ila 1600ºC molibden rezistanslı fırınlar, 1800 ºC ve daha yüksek sıcaklıklar için ise yüksek frekanslı veya kısa devreli karbon tüplü fırınlar kullanılır. Karbon tüplü fırınlar, karbon monoksit mevcudiyetinin zararlı etkileri olmadığı hallerde kullanılır. Molibden, volfram, tantal gibi refrakter metallerin sinterlenmesinde 2000 ºC lik sıcaklık dahi yeterli gelmediğinden, bu metaller hidrojen dolu T/M çantaları içinde sinterlenirler. Burada sinterlenecek parçadan akım geçirilir [11]. Sinterleme sıcaklık ve süresinin parça yoğunluğu üzerine etkisi şekil 4 de verilmektedir. Metal tozlarının mikrodalgada sinterlenmesi de çok yeni bir gelişmedir ve avantajlı yönlere sahiptir [12].
Şekil 3. Vakum Atomizasyon Yöntemi Dondelark Yöntemi : Gaz atomizasyonu, döner disk atomizasyonu ve elektrik ark atomizasyonu yöntemlerinin tek bir mekanizmada birleştirildiği yeni bir metal tozu üretim tekniğidir. Güç kaynağının farklı kutuplarına bağlanan çelik tel çubuk ile döner disk birbiriyle temas ettirilerek elektrik arkının meydana gelmesi sağlanmıştır. Ark esnasında ortaya çıkan yüksek sıcaklığın etkisiyle çubuk tel ergitilmekte ve bu ergiyik üzerine yüksek basınçlı hava püskürtülerek sıvı metal atomize edilmektedir. Atomize edilen damlacıkların katılaşması, içerisinde su bulunan bir kapta toplanarak sağlanmaktadır [10]. 2.2 Tozların Biçimlendirilmesi Tozlar, çelik kalıplarda presleme , haddeleme ve izostatik presleme ile şekillendirilir. Toz metalürjisindeki en önemli adım preslemedir. Metal tozlar, özel olarak hazırlanmış çelik kalıp içersinde basınç etkisiyle kompakt bir hale getirilir. Bu işlem için genellikle hidrolik, mekanik ve pnömatik presler kullanılmaktadır. Metal tozlarından parça üretebilmek için tozların parça şeklinde biçimlendirilmesi ve tozlar arasında bağ oluşturulması gerekir. Biçimlendirme yöntemleri toza parçanın şeklini verir ve parça sinterleme sonucu dayanım kazanır.
Şekil 4. Sinterleme sıcaklık ve süresinin parça yoğunluğu üzerine etkisi [7].
2.3 Sinterleme
2.4 Dizayn sınırlamaları
Kalıp içinde preslenerek sıkıştırılan tozlar, atmosfer kontrollu fırınlarda sinterlenmek sureti ile tozlar arasında metalurjik bağ oluşması sonucu dayanım kazanır. Soğukta presleme veya yığma ile elde edilen parçalar itinalı bir ısıl işleme tabi tutulmalıdır. Bu ısıl işlem veya sinterleme, toz taneleri
Toz metalürjisi işlemi bazı şekillerdeki parçaların üretimi için uygun değildir. Parçalar kalıptan kolay çıkarılabilecek şekillerde olmalıdır. Parçaların değişik kesit kalınlıkları arasındaki fark mümkün olduğunca az olmalıdır. Kalınlık : çap oranı sınırlıdır. İnce kesitlerin eldesi zor olup parça 201
Yağ Emdirme: Sinterlenmiş parçaların korozyona karşı direncini artırabilmek için yağ veya metal olmayan maddeler emdirilmesi yoluna gidilebilir. Kendinden yağlamalı yataklar sadece T/M metodu ile yapılabilir, bu yataklarda porozitelerin içine yağ emdirilmek suretiyle yağlamasız yatak yapımı gerçekleştirilir.
boyutu pres kapasitelerinin belirlediği sınırları içinde olmalıdır. Parçalarda eksenleri presleme yönüne dik delikleri içermemelidir. Delik çaplarının kademeli olarak değişiminden kaçınılmalıdır. Yoğunluğun parça içinde bir noktadan diğer bir noktaya değişimi özelliklerin de değişimine neden olmaktadır. Bunun ana nedeni parçaların tasarımı yapılırken dizayn kriterlerine riayet edilmemesidir. Üniform olmayan şekillerin toz metalürjisi ile üretilmesi halinde bu tip problemlerle karşılaşılabilir [13]
Son Ölçüye Getirme ve Baskı: Son ölçüye getirme ve baskı sinterleme sonrası uygulanan ilave presleme işlemleridir. Son ölçüye getirebilmek ve yüzey kalitesini artırabilmek için orta kuvvette presleme işlemi yapılarak çok hafif plastik deformasyon sağlanır.Baskı işleminin iki amacı vardır; hem boyut hassasiyetini artırmak, hem de parça yoğunluğunu artırmaktır. Bu iş için alışılagelmiş presler kullanılır.
2.5 Gözeneklerin Özelliklere Etkisi T/M, parçaların mekanik özellikleri kalıcı gözenek miktarına, dağılımına, gözenek tipine, büyüklüğüne ve şekline bağlıdır. T/M parçalarda gözenek miktarı düştükçe yorulma dayanımının yanı sıra diğer bütün mekanik özellikler de iyileşmektedir. Bu genelleme kabaca kabul görürken iyileşme oranının hangi parça yoğunluğu değerleri üzerinde önem kazandığı tam açık değildir. Ancak düşük parça yoğunluklarında toplam gözeneklilik miktarı ana faktör olarak gözlenirken, yüksek yoğunluklarda gözenek boyutu, şekli ve dağılımı ile birlikte matris malzeme mikro yapısı daha önemli faktörler olarak önem kazanmaktadır. Toz metalürjisi yöntemleri ile üretilen kalıcı gözenekli sıradan makine parçalarının toklukları yeteri seviyede olmadıkları gibi mukavemetleri de ancak döküm malzemelerin mukavemet değerleri mertebesinde olabilmektedir. Şekil 5 de gözenek miktarının mekanik özelliklere etkisi verilmektedir [14].
Buharla İşleme: Sadece demir esaslı alaşımlara uygulanır, bunun için parçalar 550 0C sıcaklığa kadar ısıtılır ve sonra parça üzerine su buharı gönderilir, böylece parça üzerinde ve boşluklarında Fe3O4 oluşması sağlanır. Bu işlemle parçanın korozyon direnci, sertliği, aşınma direnci ve basma yüklerine karşı direnci artırılmış olur. Tekrar Presleme: Mekanik ve manyetik özellikler gibi özellikler açısından bir önem arz ediyorsa parçaya tekrar presleme işlemi uygulanır ve böylece istenen özelliklerin elde edilmesi sağlanır. Preslenmiş parçaların 700-800 0C de ön sinterlenmesinde ilave edilen yağlayıcılar yanarak uzaklaşır ve parçada yeniden kristalleşme gerçekleşir. İşlem sırasında oluşan sertleşme ve iç gerilimler sonrası parçaya tekrar eski sünekliğini ve yoğunluğunu daha fazla artırabilmek gerekir, bu nedenle presleme yapılır ve parça bundan sonra sinterlenir. Talaş Kaldırma İşlemleri: T/M ile üretilmiş parçalar her ne kadar karmaşık şekilli ve hassas toleranslarda yapılabilseler de yine de bazı kısıtlamalar olabilir. Bu nedenle delme, talaş kaldırma, delme, diş açma gibi bazı talaşlı imalat metodlarının şekillendirme kalıpları üzerinde bulunması mümkün değildir. Sinterlenmiş parçalar için uygulanan işlem hızları aynı bileşimde dövme olarak imal edilmiş parçalara göre daha düşüktür, bu nedenle işlem hızları seçilirken buna dikkat edilmesi gerekir. Kesici takım ömrünün artırılması için tozların içine talaşlı imalatı kolaylaştırıcı MnS ilave edilir. Sinterleme sonrasında da yapıda bu katkılar kaldığı için talaşlı imalatı olumlu yönde etkiler.
Şekil 5. Gözenek Miktarının Mekanik Özelliklere Etkisi
2.6 Sinterleme Sonrası İşlemler Sinterleme sonrası, parçalara uygulanan işlemler aşağıda verilmektedir [15].
Çapak Alma: Çapak alma işlemi presleme sonrası parça üzerinde oluşan çapakların giderilmesi işlemidir. En genel uygulama tambur içinde aşındırıcı toz kullanarak yapılan çapak alma işlemidir.
Gözeneklerin Doldurulması . Parçanın yapıldığı malzemenin sinterleme sıcaklığından daha düşük ergime sıcaklığına sahip metal ile gözeneklerin doldurulması esasına dayanır, örneğin demir esaslı alaşımlarda genellikle sinterleme esnasında bakır kullanılarak gözeneklerin dolması sağlanır.
Birleştirme ve Montaj: Büyük ve karmaşık şekilli parçalar birleştirmek suretiyle gerçekleştirilebilir. Birleştirme için kullanılan yöntemler; difüzyonla birleştirme, sinter braze veya laser ile kaynaktır.
Gözeneklerin doldurulması, geçirgenliği azaltır ve mekanik özelliklerin iyileşmesini sağlar, fakat göz önüne alınması gereken bir konu da bu sırada parça boyutlarında değişim görülmesidir. Bu işlemin diğer bir faydası da ısıl işlem sırasında istenen tabaka kalınlığının hesaplanmasında porozite olmadığı için kolaylık sağlamasıdır.
Isıl İşlem: T/M ile üretilmiş parçada faz dönüşümleri parça içindeki porozite ile değil fakat parçayı oluşturan tozların bileşimi ve homojen olması ile ilgilidir. Bu nedenle her türlü T/M ile üretilmiş parçaya ısıl işlem uygulanabilir. Su verme ile sertleştirme ve temperleme işlemleri sonucu T/M parça mukavemetinde, aşınma direncinde artış olurken 202
uygulamalar oluşturur. Piroteknik uygulamalarda metal ve metal olmayan pek çok maddenin tozları çeşitli organik maddelerle karıştırılarak istenilen piroteknik bileşim elde edilir. Bu gruba: roket yakıtları, patlayıcılar, tutuşturucular, geciktiriciler, ateşleyiciler, aydınlatma bombaları ve sinyaller, dumanlar ve benzerleri girer. Uzay mekiğinin her fırlatılışında 160 ton alüminyum tozu yakılmaktadır [19].
sünekliğinde ise azalma görülür. T/M ile üretilmiş parçalara genellikle karbürleme, karbonitrürasyon gibi yüzey sertleştirme işlemleri uygulanır. Yüzey Kaplama İşlemi: Eğer malzemenin korozyona karşı daha dirençli olması isteniyorsa elektroliz ile yüzey kaplaması yapılabilir. Burada dikkat edilmesi gereken nokta elektrolitin T/M parçanın boşluklarına girerek olumsuz etkilere neden olmasını engellemek için porozitenin daha önce bahsedildiği gibi gözeneklerin doldurulması gerekir.
2.11 Metal Enjeksiyon Kalıplama Metal enjeksiyon kalıplama ya da literatürde bilinen adıyla MIM teknolojisi (Metal Injection Moulding) özellikle son yıllarda alternatif bir imalat yöntemi olarak kendini göstermeye başlamıştır. Küçük, hassas ve kompleks şekilli parçaların ekonomik biçimde üretilmesine olanak vermektedir. MIM teknolojisi, toz metalurjisi ve plastik enjeksiyon teknolojilerinin bir arada kombine edilmesi ile gerçekleştirilmektedir. Toz olarak üretilebilen metal ve metal alaşımı MIM’de kullanılabilmektedir.
2.7 Metalik Köpükler Günümüz teknolojisinde hafif ve yüksek dayanımlı malzemelere olan ihtiyaç giderek artmaktadır. Bu durumda metalik köpükler önemli bir çözüm kaynağı olarak ön plana çıkmaktadır. İçyapının köpük şeklinde olması, darbe yönü dikkate alınmadan yüksek darbe enerjisini sönümleme ve aynı zamanda hafifliği sağlamaktadır. Metalik köpükler %70 ile %90 oranında gözenekli yapıya sahip, gaz ve katı halde bulunan maddelerin bileşimidir. Yüksek enerji sönümleme, düşük ağırlık, ısıl yalıtım ve titreşim azaltma gibi özelliklere sahiptir. Günümüzde ergiyik içerisine gaz enjekte edilmesi, ergiyik içerisine köpürtücü madde ilavesi ve toz metalurjisi olmak üzere birçok metalik köpük üertim yöntemi bulunmaktadır [16].
Yüksek mukavemet isteyen uygulamalarda Toz Dövme kullanılmaktadır. Sinterleme sonrası gözenekli olan yapı, sıcak dövme ile %100 yoğun hale getirilebilmektedir. Böylece, mekanik özellikler iyileştirilmektedir. Biyel kolu şapkası ile birlikte üretilmekte ve şapka sonradan koldan ayrılmaktadır. Chrsler Motorlu Araçlar Şirketi ve Ford Şirketi ürettiği otomobil ve kamyonların 1/6’ inde Masco Tech’nin ürettiği biyel kollarını kullanmaktadır [17].
Metal enjeksiyon kalıplama prosesinde önce metal tozları sıcak olarak organik bağlayıcılarla karıştırılır. Bağlayıcı olarak da termo-plastik malzemeler ve jelatin türevi malzemeler kullanılmaktadır. Homojen ve uniform olarak elde edilen karışım soğutularak granülize edilir. Belli bir granül büyüklüğüne sahip malzeme enjeksiyon preslerinde kullanılır. Enjeksiyon işlemi yaklaşık 165-180 oC sıcaklıkta gerçekleştirilir. Enjeksiyon işlemi ile “Yeşil Parça” adı verilen, metal ve plastik bağlayıcının bir arada bulunduğu ve henüz herhangi bir metalik bağlantı içermeyen istenilen geometride parçalar şekillendirilir. Daha sonra bağlayıcı plastik maddeler kimyasal veya termal ayrıştırma ile giderilir. Sonra, parçalara sinterleme işlemi uygulanır. Sinterlenen parçalara; ikincil işlemler adı verilen talaş kaldırma, ısıl işlem ve yüzey işlemleri uygulanabilir. MIM teknolojisi ile, otomotiv, tıp ve medikal, ateşli silahlar, el aletleri ve elektronik sanayinde parçalar üretilmektedir [20].
2.9 Kendi Kendini Yağlayan Toz Metal Yataklar
2.12 Biyomalzemelerin Toz Metallurjisi Uygulamaları
Toz metalurjisinin en önemli uygulama alanlarından birisi de yatak üretimidir. Gözenekli yatakların başlıca avantajı mevcut gözeneklerin yağ deposu olarak görev yapmasıdır. Toz metal yataklar %25-30 gözenekliliğe sahip olarak üretilirler ve üretim sonrası bu gözeneklere yağ emdirilerek gözenekler yağ ile doldurulur. Yatak içinde mil dönmeye başladığı zaman, sürtünmeden dolayı sıcaklık artar ve metale göre yağın genleşme katsayısı büyük olduğundan, ayrıca yatak ile mil arasındaki yağ filminin hidrodinamik basınç değişikliği nedeniyle gözeneklerdeki yağ mile doğru emilir ve yağlama görevini yapar. Dönme işlemi durduğunda yatak soğur ve kılcallık etkisi ile yağ tekrar gözeneklere absorbe olur [18.]
Toz metalurjisi teknolojisi kullanılarak metalik biyomalzemelerden implant üretimi ile ilgili ilk çalışmalar 1960’ lı yıllara dayanmaktadır. İlk çalışmalar Co-CrMo alaşımından gözenekli kalça protezi üretimi üzerine yapılmıştır. Toz metalurjisi, cerrahi implantların gelişmesine büyük oranda katkıda bulunmuştur. Özellikle ortopedi ve dişçilik alanında, yük taşımanın önemli olduğu implantkemik bağlantılarında önemli yer tutmuştur.
2.8 Toz Dövme Biyel Kolu
Yüksek kaliteli ve karmaşık şekildeki protezlerin üretilmesinde toz metalurjisinin kullanımı, problemleri büyük ölçüde çözebilmektedir. Toz metalurjisi yöntemi ile üretilen protezlerde; biyomalzemelerden beklenen fonksiyonellik, biyouyumluluk, aşınma ve korozyon direnci gibi özelliklerin iyileştirilmesi de mümkün olmaktadır. Bu yöntemin bir diğer avantajıda, biyomalzemelerin gözenekli yapıda üretilebilmesidir. Gözenekli yapıdaki protezler, titreşimleri absorbe edebilme özelliklerinin yanı sıra, protezle temas yüzeyi oluşturan kemik doku için güçlü bir tutunma yüzeyi ve kolay kaynaşma imkanı sağlar. Bazı protezlerin üretiminde özellikle MIM teknolojisi tercih edilmektedir [21].
2.10 Askeri Uygulamalarda Toz Metalurjisi Toz Metalurjisinin askeri uygulamaları iki ana gruba ayrılır. Birinci grup alışılmış toz metalurjisi uygulamalarıdır. Metal veya alaşım tozları, çeşitli toz metal teknikleri ile şekillendirilir. Bu gruba çeşitli titanyum parçalar, mermi ve silah parçaları, askeri taşıtların parçaları, uçak parçaları, zırh deliciler ve benzerleri girer. İkinci grubu piroteknik 203
3. KAYNAKÇA
ÖZGEÇMİŞ
[1] M.Lütfi Öveçoğlu, “Toz Metalurjisi: Tarihsel Gelişim, Üretim Aşamaları ve Yeni Eğilimler, 9. Uluslararası Metalurji ve Malzeme Kongresi (11-15/6/1997), Cilt I, Metalurji Mühendisleri Odası, 1997,449-475
Yrd.Doç.Dr. Şevki Yılmaz GÜVEN Süleyman Demirel Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü /Isparta
[2] Aram Ersümer, Toz Metalurjisi, İstanbul Teknik Üniversitesi Matbaası, Gümüşsuyu 1970, 1
Adı-Soyadı: Şevki Yılmaz GÜVEN Doğum Yeri ve Yılı: 1954 yılında Bingöl ilinin, Solhan ilçesinde doğdu. İlkokul öğrenimini İskenderun, Mithatpaşa İlkokulunda, orta okul öğrenimini İskenderun, Merkez Orta Okulunda, lise öğrenimini Gaziantep Lisesinde tamamladı.
[3] Ersan Taner, “Toz Metalurjisi Üzerine Yeni Çalışmalar”, Mühendis ve Makine, Cilt: 41, Sayı: 483, 2000, 30-32 [4] Necip Ünlü, Lütfi Öveçler, “Toz Metalurjisinin Yaygın Kullanım Alanları”, Metal Dünyası, 1(8), 1993, 12-19
1975 -1978 yılları arasında Elazığ DMMA’da (Fırat Üniversitesi) Makine Mühendisliği eğitimi aldı.
[5] Süleyman Sarıtaş, “Toz Metalurjisi”,Mühendis ve Makine, Cilt: 36, Sayı: 421, 41-50
1982 yılında İstanbul DMMA’ da (Yıldız Teknik Üniversitesi) Yüksek Lisansını tamamlayarak, Makine Yüksek Mühendisi olarak mezun oldu.
[6] Sefer Cem Okumuş, Lütfi Öveçoğlu, “Toz Metalurjisinde Atomizasyon Yöntemi ve Bu Yöntemle Üretilen Fe Esaslı Malzemeler”, Metal Dünyası, Aralık 1993, Sayı:8, 26-39
1991 yılında Dokuz Eylül Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalında Doktorasını tamamladı. Aynı yıl, Akdeniz Üniversitesi, Isparta Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümüne Yardımcı Doçent Doktor olarak atandı.
[7] Ali Osman Kurt, “ Toz Üretim Yöntemleri ve Sinterleme”, http://www.aokurt.sakarya.edu.tr/dersler/toz/dersnotu.pdf [8]http://mf.dpu.edu.tr/~runal/toz/tozuretimi/powder_ product.html
Halen, Süleyman Demirel Üniversitesi, MühendislikMimarlık Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümünde, Konstrüksiyon-İmalat Anabilim Dalında Öğretim Üyesi olarak görevine devam etmektedir. Fakülte Kurulu ve Fakülte Yönetim Kurulu Üyesidir.
[9] Rahmi Ünal, “Toz Üretim Teknikleri”, http://mf.dpu. edu.tr/~runal/toz/tozuretimi/powder_product.html [10] Necip Fazıl Yılmaz, Yusuf Fedai, “Metal Tozu Üretiminde Yeni Bir Yöntem-Dondelark Yöntemi”,. Makine Tasarım ve İmalat Dergisi, Cilt::6, Sayı::1, Mayıs 2004 . [11] html
Malzeme Bilimi, İmalat Yöntemleri, Toz Metalurjisi ve Biyomalzemeler konusunda, Türkçe ve İngilizce yayınlanmış eserleri bulunmaktadır.
http://www.prestijforum.com/toz-metalurjisi-t2474.
Türk Toz Metalurjisi Derneği üyesidir. İngilizce bilmektedir. Güven, evli ve iki çocuk babasıdır.
[12] Türk Toz Metalurjisi Derneği, Haber Bülteni,“Toz Metal Parçaların Mikrodalga Sinterlenmesi”, Yıl: 8, Sayı: 28, Nisan 2004, 4 [13] html
http://www.prestijforum.com/toz-metalurjisi-t2474.
[14] http://www.turkishpm.etu.edu.tr/makale.htm [15] http://makinabilgicenter.blogspot.com/p/tozmetalurjisi-imal-usulleri-dersi.html [16} Türk Toz Metalurjisi Derneği, Haber Bülteni, “Metalik Köpükler”, Yıl: 12, Sayı: 34, Aralık 2008, 4 [17] Türk Toz Metalurjisi Derneği, Haber Bülteni, “Toz Dövme Biyel Kolu Üretimi”, Yıl. 1, Sayı: 3, Temmuz 1997, 4 [18] Türk Toz Metalurjisi Derneği, Haber Bülteni, “Kendi Kendini Yağlayan Toz Metal Yataklar”, Yıl: 5, Sayı: 17, Ocak 2001, 4 [19] Kadir Dursun, “Askeri Uygulamalarda Toz Metalurjisi”, ASELSAN DERGİSİ, Eylül 1999, 18-20 [20] Hakan Sungur,”Geleceğin Teknolojisi: Metalin Plastik Gibi Şekillendirilmesi”, http://www.turkcadcam.net/rapor/ mim-1/ [21] Biyomalzemelerin T/M Uygulamaları, http://makinecim. com/bilgi_5797
204
ENJEKSİYON KALIPLAMA YÖNTEMİ İLE TERMOPLASTİK KÖPÜK MALZEME ÜRETİMİ Salih Hakan Yetgin1, Hüseyin Ünal2 Sakarya Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Metal Eğitimi Bölümü, TÜRKİYE Tel: 264 295 65 06 GSM: 533 521 41 83 E-Posta:
[email protected] 2 Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, TÜRKİYE Tel: 264 295 64 90 GSM: 533 697 75 07 E-Posta:
[email protected] 1
Özet
polimer köpük malzeme katılaşma sıcaklığına kadar soğutulur ve köpüklendirilmiş ürün elde edilmiş olur [3-5]. Enjeksiyon köpük kalıplama yöntemi ile parçada azalan ağırlık, daha hızlı çevrim zamanı, parça ölçüsü kararlılığı ve yüksek dayanım-ağırlık oranı gibi avantajlar sağlanarak istenilen geometrik ölçülerde parçalar üretilebilir [6].
Son yıllarda polimer esaslı köpük malzemelerin üretimi ve kullanımı hızlı bir artış göstermektedir. Hafiflik, daha az malzeme kullanımı ve düşük maliyet gibi faktörlerden dolayı endüstrinin değişik alanlarında özellikle otomotiv ve inşaat sektöründe polimer esaslı köpük malzemelerin kullanımı oldukça artmaktadır. Bu sebeple otomotiv sektöründe kullanılmak üzere PP esaslı köpük malzeme üretilmiş ve bu malzemelerin kullanılabilirliği üzerine takım deneysel çalışmalar yapılmıştır.
Ergiyik sıcaklığı, köpük ajanı miktarı, enjeksiyon hızı, enjeksiyon basıncı, geri besleme basıncı ve vida adımı gibi proses parametrelerindeki değişiklik mikroyapıyı ve enjeksiyon kalıplı parçaların dayanımını önemli oranda etkilemektedir. Ayrıca, çekirdekleyici ajan olarak polimere ilave edilen talk gibi katkıların bulunması da mikrohücresel plastiklerin özelliklerini etkiler [5, 7-8].
Bu çalışmada, enjeksiyonla köpük malzeme üretimi için katkısız polipropilen (PP) ve ağırlıkça %20 oranında talk katkısı içeren polipropilen (PP-T) termoplastik polimerleri ile 140oC bozunma sıcaklığına sahip endotermik kimyasal köpük ajanı (KKA) kullanılmıştır. Kullanılan köpük ajanı, PP ve PP+%20talk polimerlerine ağırlıkça %1 oranında ilave edilmiştir. Köpük malzeme üretimi, enjeksiyonla kalıplama tekniği kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu deneysel çalışmada; enjeksiyon basıncı, enjeksiyon hızı ve ütüleme basıncı olmak üzere üç farklı enjeksiyon parametresi kullanılmıştır. Bu enjeksiyon köpük parametrelerinin, katkısız polipropilen ve talk katkılı polipropilen köpük malzemelerin ortalama hücre boyutuna, hücre sayısına, köpük tabakası kalınlığına, hücreler arası mesafeye ve köpük yoğunluğuna olan etkileri incelenmiştir. Parametrelerin polimer köpüğün hücre morfolojisini farklı oranlarda etkilediği belirlenmiştir.
Çekirdekleyici ajanlar, kontrollü hücre yapısı ve üniform hücre boyutu dağılımı elde etmek için polimer köpüklere eklenir. Yaygın kullanılan çekirdekleyici ajanlar, talk, çinko sterat, kalsiyum karbonat ve kalsiyum sterat’tır [9]. Bu katkılar arasında talk minerali, Mg3Si4O10(OH)2 kimyasal formülü en çok tercih edilen çekirdekleyici ajan türüdür [10]. Birçok araştırmacı, polimer köpüklerin hücre boyutu ve dağılımına farklı çekirdekleyici ajan türlerinin etkisini araştırmıştır. PS mikro-hücresel köpüklenmede çinko sterat katkıları kullanılarak çekirdeklenme mekanizmasını çalışmışlardır [11-13]. Çinko steratın çözünürlük limitinin üzerinde, heterojen çekirdeklenmenin baskın olduğu ve çekirdeklenme oranının artan sterat konsantrasyonu ile artığı bulunmuştur. Katkıların bulunması polimer-partikül arayüzeyinde gazın toplanmasını ve çekirdeklenme alanlarının oluşmasına yardımcı olmuştur. Bununla birlikte, daha küçük partikül boyutuna sahip katkılar ile yapılan köpüklendirme işlemi sonucunda, yüksek doyma basıncında daha yüksek hücre yoğunluğu elde edilmiştir. Kaewmesri ve arkadaşları [14]; yüksek darbe dayanımlı dallanmış PP (HMS PP) polimerini CO2 köpük ajanı kullanılarak tandem ekstrüzyon sistemi ile köpüklendirmişlerdir. CO2 ve çekirdekleyici ajan olarak kullanılan talk’ın köpük karakteristiğine olan etkileri incelenmiştir. %CO2 ve talk miktarının artması ile hücre yoğunluğunun arttığını, hücre çapının ise azaldığını belirtmişlerdir. Düşük yoğunluklu ve küçük hücreli PP köpükler, %0.8wt. talk ve %5wt. CO2 oranlarında elde edilmiştir. Chen ve arkadaşları [15]; farklı partikül boyutlarına sahip CaCO3 Hi-flex, CaCO3 Ultra-flex, talk ve TiO2 katkıları ile YYPE polimeri, ekstrüzyon yöntemiyle üretildikten sonra granül haline getirilmiş ve köpüklendirme işlemleri Batch prosesi ile gerçekleştirilmiştir. Katkıların oranı ağırlıkça %5 olarak sabitlenmiştir. Köpük ajanı olarak ise CO2 gazı
Anahtar sözcükler: Talk, polipropilen, enjeksiyon köpük kalıplama, kimyasal köpük ajanı, hücre morfolojisi
1. GİRİŞ Polimer esaslı köpükler, fiziksel veya kimyasal köpük ajanları kullanılarak, batch prosesi, enjeksiyon kalıplama, döner kalıplama ve ekstrüzyon köpüklenme gibi prosesler ile üretilebilmektedir [1, 2]. Enjeksiyonla köpük kalıplama yönteminde, geleneksel enjeksiyon kalıplama tekniğinin tersine, kalıp hacimsel olarak tam doldurulmaz ve enjekte edilen gaz-yüklü polimerin miktarı azaltılır. Polimer malzeme camsı geçiş sıcaklığının üzerindeki bir sıcaklığa kadar ısıtılır. Kalıpta basıncın aniden azalması ile köpük ajanı tarafından üretilen gazın çözünürlüğü azalarak serbest kalır. Hücrelerin çekirdeklenmesi ve daha sonra meydana gelen hücre büyümesi kalıptaki boşlukları doldurur. Genleşme tamamlandıktan sonra, kalıplanan 205
Köpüksüz üretilen PP numunenin 1 cm3’ündeki hücre sayısı (N0) ise Eşitlik 2 ile hesaplanır.
kullanılmıştır. Deneyler sonucunda, tüm katkıların hücre yoğunluğunu, YYPE polimerinin yoğunluğuna göre önemli oranda artırdığı belirlenmiştir. Basınç azalım oranına bağlı olarak, katkıların hücre yoğunluğunu farklı oranlarda etkilediğini belirlemişlerdir. Bu deneysel çalışmada, katkısız polipropilen ve %20 talk katkılı PP malzemesi enjeksiyonla köpük kalıplama yöntemi ile köpüklendirilmiştir. Köpük ajanı olarak, 140oC bozunma sıcaklığına sahip endotermik kimyasal köpük ajanı kullanılmıştır. Proses şartlarının ve PP polimerine ilave edilen talk mineralinin köpüğün ortalama hücre boyutuna, hücre yoğunluğuna, hücreler arası mesafeye, köpük tabakası kalınlığına ve köpük yoğunluğuna etkileri incelenmiştir.
Burada, Nf birim hacimdeki hücre yoğunluğunu, Vf köpükteki yoğunlukta azalma miktarını ifade eder. Kabuk tabakası kalınlığı ve hücreler arası mesafe ölçümleri, imaj analiz programı yardımıyla mikro-yapı resimlerinden yararlanılarak bulunmuştur.
3. DENEYSEL SONUÇLAR
2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR
Şekil 1’de, farklı enjeksiyon hızları ve enjeksiyon basınçları altında, ütüleme basıncındaki değişime bağlı olarak PP ve PP-T köpük numunelerinde elde edilen hücre çapları verilmiştir. Kullanılan enjeksiyon parametrelerine bağlı olarak PP köpük numunesi için elde edilen hücre çapları 290-550μm arasında değişirken, talk katkılı PP köpük numunesinde 180-314μm arasında elde edilmiştir. PP polimerine ilave edilen talk minerali köpüğün hücre çapını ortalama %41,6 oranında azaltmıştır. Enjeksiyon hızının artması ise hücre çapını yaklaşık %17 oranında azaltmıştır. Enjeksiyon hızının artması, sıcak haldeki ergimiş polimeri yüksek hızda kalıba doldurur. Bu nedenle, ilk enjeksiyon ve son enjeksiyon arasında ergimiş polimerde soğuma farkı oluşmaz ve sistemdeki basınç homojen olarak serbest kalır [17]. Daha hızlı enjeksiyon hızı, polimer-gaz solüsyonunun süper doymasına sebep olan hızlı basınç azalımı ile ilgilidir. Bu durum, daha fazla çekirdeklenme alanlarının oluşmasına sebep olur [18]. Enjeksiyon basıncının 60bar’dan 100bar’a çıkmasıyla, PP köpük numunesi için hücre çapının %24, PP-T köpük numunesi için ise %21 oranında azaldığı belirlenmiştir. Yüksek enjeksiyon basıncı, ergiyik polimerin elastikiyetini artırır ve kabarcıkların büyümesi için daha fazla enerji gerekir ve bu yüzden hücre boyutu azalır [19]. Ütüleme basıncının artması ise hücre boyutunu artırmıştır. Bu durum, kayma ısısının artması nedeniyle polimer ergiyiğin viskozitesinin azalmasına bağlıdır [20].
Bu deneysel çalışmada, Exxon-Mobil Kimya firmasından temin edilen 0.90g/cm3 yoğunluklu PP3374E3 kodlu homopolimer polipropilen (PP) malzemesi ve Vapolen 220TPP kodlu Vatan Plastik A.Ş. firmasından temin edilen %20Talk katkılı PP polimeri kullanılmıştır. Kimyasal köpük ajanı olarak, Tosaf firmasından temin edilen endotermik köpük ajanı (Foaming MB-FA 2984 PE) kullanılmıştır. Köpük ajanının bozunma sıcaklığı yaklaşık olarak 140oC’dir ve toplam bozunma miktarı 130ml/gr’dır. Bozunma sonucunda ise büyük oranda karbondioksit gazı açığa çıkmaktadır. Granül formundaki polimer ile Masterbatch formundaki köpük ajanı, homojen bir karışım sağlanması için öncelikle mekanik olarak karıştırılmıştır. Kimyasal köpük ajanı, PP ve PP+%20Talk polimerlerine ağırlıkça %1 oranında katılmıştır. Köpük üretimi için ise geleneksel tip enjeksiyon kalıplama makinesi kullanılmıştır. Polimer köpüklerin üretiminde kullanılan enjeksiyon kalıplama parametreleri ise Tablo 1’de verilmiştir. Tablo 1: Enjeksiyon köpük kalıplama parametreleri. Enjeksiyon Parametreleri
Birimi
Değerler
Enjeksiyon basıncı
Bar
60, 80, 100
Ütüleme basıncı
Bar
20, 60, 100
Enjeksiyon hızı
mm/s
60, 80, 100
Sıcaklık Soğuma zamanı
C
160
s
10 (sbt)
o
Şekil 2’de ise farklı enjeksiyon parametreleri kullanılarak elde edilen hücre yoğunlukları verilmiştir. Hücre yoğunluğu, polimer köpüğün 1cm3’ünde elde edilen hücre sayısını ifade etmektedir. Şekil 2’de görüldüğü gibi enjeksiyon parametrelerine bağlı olarak üretilen polimer köpüklerin hücre yoğunlukları 103hücre/cm3 civarındadır. PP polimerine talk ilavesi, PP köpüğün hücre yoğunluğunu ortalama %76.5 oranında artırmıştır. Bu sonuçla, talk mineralinin polimer köpük üretiminde önemli bir çekirdekleyici ajan olduğu anlaşılmaktadır. En düşük hücre yoğunluğu, PP polimer köpüğünde, enjeksiyon basıncının 60bar, enjeksiyon hızının 60mm/s, ütüleme basıncının 100bar ve ergiyik sıcaklığının 160oC olduğu parametrelerde elde edilmiştir. En yüksek hücre yoğunluğu ise 9.5x103 hücre/cm3 değeri ile PP-T polimer köpüğünde elde edilmiştir. Şekillerden de görüldüğü gibi, enjeksiyon basıncı ve enjeksiyon hızının maksimum, ütüleme basıncının minimum olduğu değerlerde hücre yoğunluğunun geliştiği belirlenmiştir.
Köpük yoğunlukları ISO 1183 standardına göre belirlenmiştir. Köpüklerin ortalama hücre çapı, Nikon Eclipse L150A optik mikroskobu ve buna bağlı olarak çalışan Clemex Vision Lite görüntü analiz programı kullanılarak hesaplanmıştır. Birim hacimdeki hücre yoğunluğu (Nf) ise, literatürde Kumar ve Suh [16] tarafından verilen Eşitlik 1’deki formül kullanılarak hesaplanmıştır. Burada, “n” optik mikroskopta elde edilen görüntüdeki hücre sayısıdır. A, optik mikroskopta elde edilen görüntünün alanı ve M ise büyütme faktörüdür.
206
Şekil 1. Enjeksiyon parametreleri-hücre çapı arasındaki değişim
Şekil 2. Enjeksiyon parametreleri-hücre yoğunluğu arasındaki değişim
207
Artan enjeksiyon basıncı ve enjeksiyon hızı ile hücre yoğunluğunda artış gözlenirken, ütüleme basıncının artması ile hücre yoğunluğu azalmıştır. Hücre yoğunluğu, polimer ergiyiğindeki hücre çekirdeklenme oranı ile ilişkilidir. Artan enjeksiyon basıncı, ergiyik polimerdeki köpük ajanının bozunmasını geliştirir, basınç azalım oranını artırır ve sonuçta hücre çekirdeklenmesi ve hücre yoğunluğu artar. Düşük enjeksiyon basıncı, ergiyik polimerdeki gazı tamamen çözemez ve daha düşük genleşme oranına sebep olur [20]. Yüksek enjeksiyon hızı da yüksek basınç azalım oranı ile sonuçlanır. Sonuçta, çekirdeklenen hücrelerin sayısı ve hücre yoğunluğu artar [8]. Lee ve Cha [21]; %20 talk katkılı PP polimerinin köpüklendirilmesinde, yüksek oranda hücre oluşumu için, düşük ergiyik viskozitesinin yanında enjeksiyon hızının yüksek olması gerektiğini belirtmişlerdir.
Bu durum kabuk tabakasının oluşumunu açıklamaktadır. Şekil 3’de de görüldüğü gibi PP polimerine ilave edilen talk minerali kabuk tabakası kalınlığının azalmasında önemli bir etkiye sahiptir. Enjeksiyon parametrelerine bağlı olarak 2000-2800μm arasında değişen kabuk tabakası kalınlıkları, Talk mineralinin ilave edilmesi ile ortalama %20,5 oranında azalarak 1300-2650μm arasında elde edilmiştir. Enjeksiyon basıncının artması kabuk tabakası kalınlığını azaltmıştır. Enjeksiyon basıncı kabuk tabakası kalınlığının oluşumunda önemli bir etkiye sahiptir. Enjeksiyon basıncının artmasıyla, yüksek kayma oranında azalan viskozite ve soğuk kalıp duvarları ile ergiyik polimerin azalan temas süresi nedeniyle kabuk tabakası kalınlığı azalmıştır [20]. Enjeksiyon hızının artması ile kabuk tabakası kalınlığı azalmıştır. Artan enjeksiyon hızı nedeniyle, polimerin kalıba dolma zamanı azalmıştır. Enjeksiyon süresince konveksiyonel ısı transferi azalmış ve kalıp içerisinde hücrelerin dağılımı daha homojen hale gelmiştir. Kabuk tabaka bölgesinin oluşumu enjeksiyon hızından etkilenmiştir [1]. Ütüleme basıncının artması ise kabuk tabakası kalınlığını artırmıştır. Yüksek ütüleme basıncı artan kayma oranı nedeniyle polimerin viskozitesini azaltmasına rağmen ergiyik sıkıştırılabilirliğini ve elastikiyetini artırır ve sonuçta kabuk tabakası kalınlığı artar [22].
Şekil 3’de, PP ve %20Talk katkılı PP polimer köpüklerinde oluşan kabuk tabakası kalınlıkları verilmiştir. Sandviç yapı olarak bilinen iki katı kabuk tabak arasında köpüklenmiş bölge, enjeksiyon köpük kalıplama yöntemi ile kolaylıkla elde edilebilir. Ergiyik haldeki polimer kalıp boşluğunun soğuk duvarları ile temas ettiğinde polimer hızlı bir şekilde katılaşır. Yetersiz hücre çekirdeklenmesi ve büyümesi meydana gelir.
Şekil 3. Enjeksiyon parametreleri-kabuk tabakası kalınlığı arasındaki değişim
208
Şekil 4’de ise iki komşu hücre arasındaki mesafenin ölçülmesi ile elde edilen hücreler arası mesafe sonuçları verilmiştir. Artan enjeksiyon basıncı ve enjeksiyon hızı ile hücreler arası mesafe artarken ütüleme basıncının artması ile hücreler arası mesafe azalmıştır. Hücreler arasındaki mesafenin değişimi, polimer köpükte oluşan hücre sayısına bağlıdır. Hücre sayısının artması hücreleri birbirine yaklaştırarak hücreler arası mesafenin azalmasına sebep olur. Hücreler arası mesafe, polimer köpüğün mekanik özellikleri üzerine de önemli etkiye sahiptir. Hücreler arasındaki mesafe, hücre duvar kalınlığı ile ilişkilendirilebilir. Hücreler arası mesafenin artması, hücre duvar kalınlığının artması ile sonuçlanır ve ergiyik polimer hücrelerin büyümesi esnasında dış kuvvetlere karşı daha fazla direnç göstererek hücre duvarlarının kolay kırılmasına engel olur. Bu durum ise hücre birleşmelerini önleyerek polimer köpüğün yoğunluğuna ve mekaniksel özelliklerine etki edebilir.
Şekil 5’de ise enjeksiyon köpük kalıplama parametreleri kullanılarak elde edilen köpük yoğunluğu değerleri verilmiştir. Enjeksiyon basıncının ve enjeksiyon hızının artması köpük yoğunluğunu azaltmıştır. Barzegari ve Rodrigue [20]; yaptıkları çalışma sonucunda köpük yoğunluğuna en fazla enjeksiyon basıncının etki ettiğini belirtmişlerdir. Bu durumun, çekirdeklenme oranının, sıcaklığa göre basınca daha fazla bağlı olmasından kaynaklandığını belirtmişlerdir. Ütüleme basıncının artması ise köpük yoğunluğunda artmaya sebep olmuştur. Köpük yoğunluğundaki artış, muhtemelen daha az hücre çekirdeklenmesi sebebiyle azalan hücre yoğunluğu ve yüksek kayma oranındaki viskozite azalımından kaynaklandığı düşünülmektedir [20]. PP polimerine ilave edilen talk minerali, PP ve köpüklerin yoğunluklarının artmasına sebep olmuştur.
Şekil 4. Enjeksiyon parametreleri-hücreler arası mesafe arasındaki değişim
209
Şekil 5. Enjeksiyon parametreleri-yoğunluk arasındaki değişim
4. SONUÇLAR
hücreler arası mesafe azalmıştır.
Yapılan deneysel çalışmalar sonucunda aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir:
Enjeksiyon basıncının ve enjeksiyon hızının artması köpük yoğunluğunu azaltmıştır. Ütüleme basıncının artması ise köpük yoğunluğunda artmaya sebep olmuştur.
PP polimerine ilave edilen talk minerali, hücre yapısı ve hücre çapını önemli oranda etkilemiştir.
TEŞEKKÜR
PP köpük numunelerde 290-550μm aralığında hücre çapı, PP-T numunelerde ise 180-314μm aralığında elde edilmiştir.
Bu deneysel çalışma, Sakarya Üniversitesi 2008-50-02007’nolu Bilimsel Araştırma Projesi ile desteklenmektedir. Bu destekten dolayı yazarlar Sakarya Üniversitesi, Bilimsel Araştırma Projeleri Komisyon Başkanlığına teşekkür etmeyi bir borç bilir.
Enjeksiyon parametrelerine bağlı olarak üretilen polimer köpüklerin hücre yoğunlukları 103 hücre/cm3 civarında elde edilmiştir.
5. KAYNAKÇA
Enjeksiyon basıncı ve enjeksiyon hızının maksimum, ütüleme basıncının minimum olduğu parametrelerde hücre yoğunluğunun geliştiği belirlenmiştir.
[1] Jung Joo Lee, Sung Woon Cha, “Influence of mould temperature on the thickness of a skin layer and impact strenght in the microcellular injection moulding proses”, Cellular Polymers, vol: 24, No: 5, 2005, 279-297.
Enjeksiyon parametrelerine bağlı olarak 20002800μm arasında değişen kabuk tabakası kalınlıkları, Talk mineralinin ilave edilmesi ile ortalama %20.5 oranında azalarak 1300-2650μm arasında elde edilmiştir.
[2] A. Greco, A. Maffezzoli, O. Manni, “Development of polymeric foams from recycled polyethylene and recycled gypsum”, Polymer Degradation and Stability, 90, 2005, 256263.
Köpüklendirilen polimerlerde, köpüksüz polimere göre yoğunlukta ortalama %13 ve %18 oranlarında azalma meydana gelmiştir.
[3] A. K. Bledzkı and O. Faruk, “Microcellular Injection Molded Wood Fiber–PP Composites: Part I – Effect of Chemical Foaming Agent Content on Cell Morphology and Physico-mechanical Properties”, Journal of Cellular Plastıcs, vol. 42, January 2006, 63-76.
En düşük köpük yoğunluğu, 0.791g/cm3 değeri ile PP polimerinde elde edilmiştir. Artan enjeksiyon basıncı ve enjeksiyon hızı ile hücreler arası mesafe artarken ütüleme basıncının artması ile 210
[4] A. N. J. Spörrer and V. Altstadt, “Controlling Morphology of Injection Molded Structural Foams by Mold Design and Processing Parameters”, Journal of Cellular Plastıcs, vol. 43, July/September 2007, 313-330.
[21] Jung Joo Lee; Sung Woon Cha, “Characteristics of the Skin Layers of Microcellular Injection Molded Parts”, Polymer-Plastics Technology and Engineering, 45, 2006, 871–877.
[5] M. C. Guo, M. C. Heuzey and P. J. Carreau, “Cell Structure and Dynamic Properties of Injection Molded Polypropylene Foams”, Polymer Engineering and Science, 2007, 1070-1081.
[22] M.C. Guo, A. Santoni, M.C. Heuzey, and P.J.Carreau, J. Cell. Plast., 43, 2007, 273.
[6] Z. X. Xin, Z. X. Zhang, K. Pal, J. U. Byeon, S. H. Lee, J. K. Kim, “Study of Microcellular Injection-Molded Polypropylene/Waste Ground Rubber Tire Powder Blend”, Materials and Design, vol. 31, 2010, 589–593.
ÖZGEÇMİŞ Hüseyin ÜNAL –1967 yılında Kütahya’da doğdu. İlk, orta ve lise tahsilini Kütahya’da tamamladı. 1985 yılında Kütahya Teknik Lisesi Makina bölümünden mezun oldu. Aynı yıl girdiği Yıldız Teknik Üniversitesi, Makina Mühendisliği Bölümünden 1989 yılında Makina mühendisi olarak mezun oldu. 1995 yılında Dumlupınar Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makina Mühendisliği Bölümünden mezun olarak Yüksek Mühendis ünvanı’nı aldı. 1999 yılında ise Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makina Mühendisliği Bölümünden mezun olarak Bilim Doktoru ünvanını almıştır. 1999 Yılında Yardımcı Doçent, 2004 yılında Doçent, 2010 yılı ocak ayında Profesör ünvanlarını almıştır. 1996 yılı ocak ayından beri Sakarya Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Metal Eğitimi bölümünde öğretim üyesi olarak görev yapmaktadır.
[7] N. P. Suh, Innovation in Polymer ProcessingMolding, J. F. Stevenson, ed., Hanser Publishers, Munich, 1996, 93. [8] Hrıshıkesh Kharbas, Paul Nelson, Mıngjun Yuan, Shaoqın Gong, ve Lıh-Sheng Turng, “Effects of Nano-Fillers and Process Conditions on the Microstructure and Mechanical Properties of Microcellular Injection Molded Polyamide Nanocornposites”, Polymer Composites, December 2003, vol. 24, No. 6, 655-671. [9] Jiong Shen, “Application of nanoparticles in polymeric foams, The Degree Doctor of Philosophy in the Graduate School of The Ohio State University, 2006.
Ana çalışma konuları; Polimerler ve polimer esaslı kompozit malzemeler, polimer ve kompozitlerin aşınma, sürtünme, mekanik özellikler ile, termal ve yanmazlık özelliklerinin araştırılması olarak ifade edilebilir. Son zamanlarda ise otomotiv sektöründe kullanılmak üzere PP esaslı köpük malzemelerin mekanik özellikleri ile hücresel yapıları üzerine çalışmalarına devam etmektedir. Bu konularda ulusal ve uluslar arası (SCI) düzeyde çok sayıda yayınlanmış makaleleri mevcuttur. Prof. Ünal, Plastik Ambalaj ve Packword gibi Türkiyede yayınlanan dergilerde uzun yıllardan beri yayın kurulu üyeliği yapmaktadır.
[10] X. Zhu, “Advanced Structural Foam Injection Molding Technology: Use of a Very Low BA Content for Fine-Celled HDPE Foams”, Master of Applied Science, University of Toronto, 2004. [11] Colton J.S. and Suh N.P. Polym. Eng. Sci., 27-7, 1987, 485-492. [12] Colton J.S and Suh N.P. Polym. Eng. Sci., 27-7, 1987; 493-499. [13] Colton J.S and Suh N.P. Polymer Engineering and Science, 27-7, 1987, 500-503. [14] W. Kaewmesri, P. C. Lee, C. B. Park, J. Pumchusak, “Effects of CO2 and Talc Contents on Foaming Behavior of Recyclable High-melt-strength PP”, Journal of Cellular Plastıcs, Vol: 42, September 2006, 405-428.
Salih Hakan YETGİN –1979 yılında Kütahya’da doğan Yetgin İlk, orta ve liseyi Kütahya’da tamamladı. 1997 yılında Kütahya Lisesinden mezun oldu ve aynı yıl Pamukkale Üniversitesi, Makina Mühendisliği Bölümünü kazandı ve 2001 yılında bu bölümden Makina mühendisi olarak mezun oldu. 2005 yılında Dumlupınar Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makina Mühendisliği Bölümünde Yüksek Lisansını eğitimini tamamladı ve Yüksek Mühendis ünvanını aldı. 2006 yılından beri Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Metal Eğitimi Anabilim dalında otomotiv sektöründe kullanılmak üzere enjeksiyonla kalıplama tekniğiyle PP esaslı köpük malzeme üretimi ve özelliklerinin araştırılması konusunda doktora çalışmalarını sürdürmektedir. Çalışma konularında ulusal ve uluslararası düzeyde (SCI) yayınları mevcuttur.
[15] L. Chen, K. Blizard, R. Straff, X. Wang, “Effect of Filler Size on Cell Nucleation during Foaming Process”, Journal of Cellular Plastıcs, Vol: 38 March 2002, 139-148. [16] V. Kumar and N.P. Suh, “A process for making microcellular thermoplastic parts”, Polym. Eng. Sci., vol. 30, 1990, 1323–1329. [17] Minoru Shimbo, Hidetaka Kawashima, Shigeki Yoshitani, “Foam Injectıon Technology and Influence Factors of Mıcrocellular plastıcs”. [18] S.J.A. Rizvi, N. Bhatnagar, “Optimization of microcellular injection molding parameters”, Inter. Polymer Processing, 24-5, 2009, 1-7. [19] C.A. Villamizar and C.D. Han, Polym. Eng. Sci., 18, 1978, 699. [20] M. Reza Barzegari, Denis Rodrigue, “The Effect of Injection Molding Conditions on the Morphology of Polymer Structural Foams”, Polymer Engineering and Science, 2009, 949-959. 211
POLİMER MALZEME SEKTÖRÜNDE YENİ TRENDLER Sencer Süreyya Karabeyoğlu Namık Kemal Üniversitesi, Çorlu Mühendislik Fakültesi,59860 Çorlu/Tekirdağ TÜRKİYE Tel: 282 652 94 75 GSM: 555 396 23 28 E-Posta:
[email protected] Özet
manyetik akım ve ani darbelere karşı tepki verebilen (su ile teması esnasında boyutunu 100 misli büyütebilen) malzemelere ise sol jeller denir.
Günümüz teknolojisinin gelişmesiyle birlikte malzemelerin önemi de gün geçtikçe artmaktadır. Metal ve türevi malzemelerin kullanım alanları bu zaman dilimi içerisinde yerini plastik malzemelere bırakmış ve bırakmaya devam edecektir. Bu değişim içerisinde polimerlerin öneminin artması araştırmaların çoğalmasına yol açmıştır. Gelişim ile birlikte Biyo malzemeler, akıllı, aktif ve nano malzemeler oluşturulmuş ve üzerinde araştırmalar devam ettirilmiştir.
Yeni nesil malzemelerin üretilmesi için yapılan araştırmalarla nanoteknoloji olarak adlandırılan ve malzemenin nano boyutuna inerek istenilen özelliği kazandırmasının amaçlandığı bir sistem gelişmeye başlamıştır. 1960 yıllarının başlarında makro moleküllerin birbiri arasında taşınmasıyla başlanan bu yöntemin ileri boyutu olan nanoteknoloji ile beraber ortadan kaldırılmak istenmektedir. Polimer malzemenin en küçük yapı taşı olan monomerleri oluşturan bağlarının konumunu ayarlayabildiğimiz bu yöntemde malzemenin mekanik ve fiziksel davranışlarını en iyi şekilde değiştirebilmek mümkündür. Böylelikle polimer malzemeler ileride şu anki kullanım alanları dışında yenilenebilir enerji, nano teknolojik ürün grubu ve potansiyel sağlık sektöründe (DNA ve RNA moleküllerine bağlanmak amacıyla) daha iyi bir yere gelmesi planlanmaktadır.
Anahtar sözcükler: Plastikler, akıllı malzemeler, nano malzemeler.
1. GİRİŞ Çevremizde kullandığımız ürünlerin oluşturulmasında ilk amaç kullanılabilirliği yüksek, ucuz malzemeler ortaya çıkarmaktır. Bu amaçla yola çıkan bilim adamları malzeme teknolojilerinin gelişimi için zaman harcamaktadır. Gelişen malzeme teknolojisi sadece demir esaslı ürünleri değil, demir dışı malzemeleri de etkilemektedir. Demir dışı malzemelerden olan polimerler de bunlardan birisidir. Kimyasal bağlarla, monomer adı verilen en küçük yapı birimlerinin bir araya gelmesiyle oluşurlar. Polimerler hayatımızın neredeyse her alanında girmiş ve önemli yer etmiştir. Otomotiv, sağlık, ambalajlama, ev eşyaları, tekstil kullanım alanlarının başlarında olup daha birçok alanda polimerler malzemelere rastlamak mümkündür. Kullanım alanı bu kadar geniş olan bir malzemenin gerekli ihtiyaçlara cevap vermesi için yoğun araştırmalar yapılmış ve halen yapılan çalışmalara ilham kaynağı olmaya devam etmiştir. Polimerlerin araştırmalarının sürmesi ve her geçen gün bu malzemelere olan ilginin artması yeni teknolojiler oluşturulmasına neden olmuştur. Yeni teknolojilerin oluşturulması polimer malzemelerin geniş bir yelpazeye yayılmasına neden olmaktadır.
2. AKILLI VE AKTİF MALZEMELER Akıllı malzemeleri kullanım alanlarına ve isimlerine göre kısaca şöyle gruplandırabiliriz: TABLO 1. Çeşitli akıllı malzemeler [1] Malzeme *Piezo-seramikler *Piezo-polimerIer
Elektriksel
*Magnetostriktif alaşımlar
Magnetik
*Şekil hafızalı mazlemeler *Polimerjeller *Termokromik malzemeler
Termal enerji
*Polimerjeller *Fotokromik malzemeler
Polimerlerin klasik üretim yöntemleri olarak bilinen enjeksiyon, ekstrüzyon ve termoform şekil vermedir. Bu üretim yöntemlerinin geliştirilmesi üzerine birçok araştırmalar yapılmıştır. Gerek kalıplama özellikleri gerekse ısı değişiminin sonucunda meydana değişiklikler araştırılmıştır. Bunun yanı sıra polimer malzemelerin yapısal özellikleri üzerine araştırmalar üretim yöntemleriyle paralel olarak gelişim göstermiştir.
Kullanıldığı Alan
Işık
Akıllı malzemeler; eyleme dönüştürme özelliği sayesinde yapay kaslarda, algılama özelliği sayesinde sinir ve hafıza görevinde, ve beyin gibi davranan bilgisayar ağlarında; genel olarak elektriksel, magnetik, termal enerji ve ışıkla ilgili alanlarda kullanılmaktadır [2].
Çevresel koşullara karşı tepki verebilen malzemeler akıllı malzemeler olarak adlandırılırlar. Yeni nesil polimer malzemelerde çalışılmış birçok konuda renk, şekil ve boyutlarındaki değişiklikler incelenmiştir. Isı ile şekil değiştiren malzemelere termokromik, ışık ve UV ortamının değişmesi ile rengini değiştiren malzemelere fotokromik malzemeler denir. Isı, pH değişimi, nem, elektriksel ve
2.1 Piezo Elektrik malzemeler Sıkıştırıldıklarında elektrik akımı üretebilen malzemeler piezoelektrik olarak adlandırılırlar. Direkt etki gösteren malzemenin ters etki göstermesi gerektiğini öne sürmesinden sonra ters piezoelektrik etki Curie kardeşler tarafından 1880 213
yılında deneysel olarak ispatlanmıştır. Crurie kardeşler tarafından keşfedilmiş olan bu malzemeler gerilme-genleme belirleme, biyomekanik kollarda hareket algılayıcı gibi çeşitli alanlarda kullanılmaktadırlar.[3] Polivinil florür gibi polimer malzemelerde piezoelektrik özellikleri sayesinde sert ve kırılgan olan diğer malzemelere göre daha çok tercih edilirler. Kullanım amaçları arasında zar kadar ince klavyeler bulunmaktadır. Klavyeler sayesinde dokunma ile oluşan mekanik enerji malzeme sayesinde elektrik akımına dönüşüp kullanım olanağı sağlıyor.
Şekil 3 Termokromik Malzemenin Sıcaklıkla Renk Değişimi[6]
2.4. Magnetostriktif Malzemeler Manyetik alana tepki veren bu malzemeler etrafına sarılmış bir sargı vasıtasıyla oluşan akımdan faydalanırlar. Bu malzemelerde akım malzemenin boyutsal değişimine etki etmektedir.
Şekil 1. (a) Direkt piezoelektrik etki, (b) Ters piezoelektrik etki.[3]
2.2. Polimer Jeller(Sol Gel) Sıvı ortama sokulduğunda şişerek bulunduğu boyutun ve özelliklerin çok üzerinde davranış sergileyen çapraz bağlardan oluşmuş polimerlere Sol jel denir. Gelişen teknoloji ile birlikte jeller üzerindeki araştırmalarda artmakta ve şişme özelliklerinin yanında sıcaklık esnasında katı hale geçen, sıvı ile teması sırasında düzenli bir yapı oluşturabilen jel çalışmaları da yapılmaktadır.[4]
2.5. Şekil Hafızalı Polimerler Bir sıcaklık değişimine maruz kaldıklarında şekil değiştiren malzemelerdir. Metallerde sistemin kafes yapısının belirli sıcaklıklarda sabit tutulmasıyla malzemenin o sıcaklığa geldiğinde aynı kafes sistemine dönüştürülmesi mantığına dayanmaktadır. Makarna düzeninde olan polimer malzemelerde ise bu sistem daha karmaşık bir hal almış olduğundan metal malzemelere göre daha zor hafıza kazandırılırlar. Saniyeler içinde yumuşayıp şekil değiştiren Şekil Hafızalı Polimer [Shape Memory Polymer] kanat kaplama malzemesi olarak kullanılmıştır. Malzemenin ısıtılması içinde tabakalar halinde yerleştirilen küçük, esnek ısıtıcılar sayesinde gerçekleştirilmiştir. Kaplama malzemesi, sabitlenmiş olduğu yapının hareketine uygun olarak şekil değiştirmekte ve kanada istenen şeklin verilmesine olanak tanımaktadır. İstenen şekil elde edildiğinde, polimer bu defa soğutulmakta ve şekil sabitlenmektedir.[7]
3. NANO TEKNOLOJİK POLİMERLER
Şekil 2 Sıvı ile temas etmiş Sol Gel[5]
Son yılların en popüler konusu olan nano malzemeler polimerler üzerinde de yoğun çalışmaların yapılmasına neden olmuştur. Nano boyutta hazırlanan dolgu maddeleri sayesinde kompozit malzemeler hazırlanmakta ve özellikleri geleneksel malzemelere göre daha üstün davranışlar sergilemektedir.
2.3. Fotokromik ve Termokromik Malzemeler Fotokromik ve termokromik malzemeler güneş, UV ışınlarına ve ortamın sıcaklığına karşı renk değişimi yaparak kullanıcıyı uyarmak amacıyla geliştirilmişlerdir. Bu malzemeler genellikle tekstil, matbaa, gözlük, yiyecek aletlerinde kullanılmaktadır. Buna en güzel örneklerden birisi piyasada bulunan bir firmanın yemeğin pişme sıcaklığına geldiğinde tüketiciye renk değiştirerek haber veren tavalarıdır.
Polimerik nano kompozitlerin kullanım alanları genel olarak şöyledir: • Biyo Mühendislikler • Enerji Sanayii • Elektronik Sanayii • İlaç Sanayii • Uçak Sanayii • Savunma Sanayii • Otomotiv Sanayii
Plastik malzemelerde de fotokromik ve termokromik malzemeler kullanılarak kompozitler oluşturulabilmektedir. Kompozit oranları malzemelerin renk değiştirme skalasına ve hızına etki etmektedir. Şekil 3’te sıcaklık ile renk değişimi gösterilmiştir. 214
Yalıtkan malzemeler olarak bilinen polimerler son zamanlarda polimer matris içerisine katılan iletken tanecikler vasıtasıyla üretilen bazı iletken polimerik nanokompozitler geliştirilmiştir. İletken polimerlerin yaygın olarak kullanıldığı alanlar; şarj olabilen pil yapımı, elektronik alet (transistor, kapasitör, sensör) yapımı, iyon seçici elektrot yapımı, korozyon önleme, biyokimyasal analizler, foto elektrokimyasal hücreler ve elektroreolojik çalışmalardır.[8] Polimerik nanokompozit malzemelerin yoğun bir şekilde kullanıldığı ve gelişime açık olduğu sektörlerden bir diğeri ise Sağlık sektörüdür. N-İzopropil akril amid proteinler, DNA, RNA gibi biyomoleküllerin ayrılması ve saflaştırılması, çeşitli enzimlerin immobilizasyonu amacıyla da kullanılmaktadır. Nanoteknoloji en çok bu tur akıllı polimer olarak bilinen polimerleri geliştirme, akıllı moleküllerle malzemelerin vereceği tepkilerin belirlenmesi amacıyla uygulanmaktadır. Gen tedavisinde kullanılmak amacıyla nano boyutta polimerler hazırlanması araştırmacıların hedef konuları arasında yer almaktadır.
5. KAYNAKÇA [1] www.me.polvu.edu.hk/subiect/me423/notes/chapt23.pdf [2] Ball, P., , Materials Of The Future, A chapter for the UNESCO Encyclopaedia of Life Support Systems, 2001,London, UK [3] Yazıcı, E.Y., Alp, İ., Kaygusuz, A., Kolaylı, H., Vieil, M., 2003, Piezoelectric Technology And Study Of Evaluation Of East Karadeniz Region Quartz Deposits, Industrial Minerals and Building Stones(IMBS), Eylül 15-18, İstanbul, Syf. 775-781. [4]http://www.dermotopics.de/english/issue_2_02_e/ daniels_novelgels_2_02_e.html [5] http://www.inmat.cz/research/science_inmat.html [6] http://www.labelsfirst.com/productsrangedetail.asp/pr=8 [7]w w w . q w s t n e v r y t h g . b l o g - c i t y . com/ the_changing_shape_of_future_aircraft.htm [8]Yurdagül, T.Z. ,“Poliinden/Poli(Oksimetilen) İletken Karışımlarının Hazırlanması ve Özelliklerinin İncelenmesi”, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi,2007.
4. BİYO BOZUNUR POLİMERLER Biyo bozunur polimerler, plastik malzemelerin doğada dönüşümünün binlerce yılda gerçekleşmesi ve plastiği oluşturan petrol ürünlerinin fiyat artışının araştırmacılar üzerinde yeni arayışlar açmasıyla ortaya çıkmıştır. Nişasta, selüloz, protein gibi doğal polimerlerden üretilen ve doğada bozunan plastiklere Biyobozunur polimerler denmektedir. Doğada bozunabildikleri için çevreyi daha az kirletmekte, atık sorununu azalttığı için tercih edilmektedir. Bariyer ve mekanik özelliklerinin diğer plastiklere göre daha zayıf olması yalnız olarak kullanımlarında tercih edilmemelerini sağlamaktadır. Biyobozunur plastiklere nano boyuttaki parçacıkların eklenmesiyle, tamamen farklı özelliklerde yeni malzemeler geliştirilmektedir. Özellikle nişasta, soya yağı ve polilaktik asitten (PLA) geliştirilen biyo-nanokompositlerin bariyer ve mekanik özelliklerinin iyileştiği tespit edilmiştir.[10] Şekil 4’te biyobozunur polimerin dönüşümü gösterilmiştir. Burada bitkisel ürünler plastikleştiriciler yardımıyla plastik sentezlemesi yapılmıştır. Granül halinde oluşan hammadde klasik plastik üretim yöntemleri yardımıyla ürün oluşturulmuştur. Oluşturulan ürün zaman içerisinde doğada bulunan bakteriler yardımıyla bozunumu gerçekleşmiştir.
[9] http://yunus.hacettepe.edu.tr/~dogan/42.html [10] Andrea Sorrentino, , Giuliana Gorrasi and Vittoria Vittoria,”Potential perspectives of bio-nanocomposites for food packaging applications Trends in Food Science & Technology” 18. basım, şubat 2007, sayfa 84-95 [11] http://www.instructables.com/id/Easy-BiodegradablePlastic/
ÖZGEÇMİŞ MSc. Sencer Süreyya KARABEYOĞLU 1982 yılında Kırklarelide doğdum.İlk ve orta öğrenimimi Kırklareli’de tamamladım. 2000-2004 öğretim yılında Lisans öğrenimimi Dumlupınar Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümün’de Onur öğrencisi olarak tamamladım.Yüksek Lisans öğrenimimi 2005-2007 tarihleri arasında Trakya Üniversitesi Çorlu Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümünde tamamladım.Doktara öğrenimime Namık Kemal Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makineleri Bölümünde devam etmekteyim.Plastik Malzemeler,plastik kompozitler, akıllı plastikler araştırma konularımdır.
Şekil 4. Biyobozunur polimer malzemenin üretimi ve dönüşümü[11]
215
ELEKTRİKSEL OLARAK İLETKEN TEKSTİL YAPILARI VE KULLANIM ALANLARI Nilşen Sünter1, Ayşe Çelı̇ k Bedeloğl 2, Yalçın Bozkurt3 Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Tekstil Mühendisliği Bölümü E-posta:
[email protected], E-posta:
[email protected] 2 Dokuz Eylül Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Tekstil Mühendisliği Bölümü GSM: 555 296 25 52 E-posta:
[email protected] 1
Özet
iletken lifler üretilmektedir. Doğal iletken lifler ve iletkenlik kazandırılarak özel olarak iletken davranan lifler olmak üzere iki farklı grupta incelenmektedir. İletkenlik özelliği sonradan kazandırılan lifler, çeşitli kaplama işlemleri ile elektriksel olarak iletkenlik özelliği göstermektedir.
Elektriksel olarak iletken tekstil yapıları; endüstri, askeri, uzay, tıp gibi birçok alanda kullanılarak, koruma, savunma, sağlık, iletişim, hesaplama, otomasyon amaçlı tekstil ürünleri olarak aktif rol almaya başlamıştır. Elektronik tekstiller gelecekte birçok alanda kullanılabilecek ve insan hayatını kolaylaştıracak niteliktedir.
2.1.1 Doğal İletken Lifler Metal liflerin üretilebilmesi için uygulanan klasik işlem, mekanik üretim işlemi olan tel çekim işlemidir. Bu işlem kaba, orta, ince ve sıralı tarama gibi çeşitli adımlar ile tamamlanmaktadır. Çekim işleminin sonunda, lif çekimi kullanılarak, elmas, korbit veya seramik haricinde öz kullanılarak çelik altyapıdan oluşmaktadır. Oluşan metal telin yarıçapı materyale bağlı olarak değişmektedir. Günümüzde, genel olarak mekanik yöntem ile klasik metal özlü ipliklerin tel üretimi bu yolla yapılmaktadır [4].
Anahtar sözcükler: Elektronik tekstiller, iletkenlik
1.GENEL BAKIŞ Araştırmacılar, elektronik ve bilgisayar bilimlerinin gelişmesiyle, farklı uygulama alanları olan ve çeşitli ihtiyaçları karşılayabilecek ürünlerin imal edilmesi konusuna odaklanmışlardır. Bu açıdan, akıllı malzemeleri kullanarak çeşitli işlevleri yerine getiren tekstil ürünleri, hem endüstride hem de günlük hayatta gittikçe daha büyük bir öneme sahip olmaya başlamıştır. İlk olarak elektromanyetik koruma ve ısıtma amaçlarıyla kullanılmış olan elektriksel olarak iletken iplikler, daha sonraları güç transferi, sensörler, vericiler ve mikro denetleyicilerle uyarı kontrolleri sağlamada kullanılarak [1] günümüzde çok farklı gereksinimleri yerine getirmektedir. 1980’lerin ortalarından itibaren pek çok sayıda elektriksel olarak iletken ve yarı iletken tekstil ürünü mevcuttur [2]. Elektroniklerin tekstillere modifiye edilmesi ise ilk olarak 1990ların sonunda Levi’s ve Philips in birlikte çalışması ile gerçekleştirilmiştir [3].
Başka bir mekanik metal lif üretim işlemi demetten çekim (bundle-drawing) yöntemi ile gerçekleştirilir (Şekil 1). Bu işlemde yaklaşık olarak 1000- 2000 adet çekilmiş tel her bir elyaf için demet haline getirip, ince metal silindir tarafından çekilmektedir. Tel kırılmaları gerçekleşmeksizin ince silindir tüm demetin ileri çekimlerini sağlamaktadır. Silindir materyali kimyasal olarak telden daha az stabil olduğu için, asidik banyoda tüm sistem eriyerek kalkabilmektedir. Sonuç olarak 4 ile 25 mikron (μm) arasında ayarlanabilen çaplarda lifler elde edilmektedir [4–5].
2. ELEKTRİKSEL OLARAK İLETKEN TEKSTİL YAPILARININ ÜRETİM YÖNTEMLERİ Elektriksel iletken özelliğe sahip tekstil yapılarının elde edilmesi için birçok farklı yöntem bulunmaktadır. Bu yöntemlerde, lif, iplik ve kumaşa elektriksel iletkenlik özelliği kazandırmak amaçlanmaktadır. 2.1 Elektriksel Yöntemleri
Olarak
İletken
Liflerin
Üretim
Son yıllarda, elektriksel iletken lifler, elektromanyetik kalkanlama ve statik kontrol etme amaçlı çeşitli endüstriyel uygulamalarda kullanılmakta ve böylece iletken lif elde etme işlemleri daha yaygın olarak uygulanmaktadır. Eriyikten üretim, tek tel veya demet halinde çekim, metal levhaların tıraşlanması gibi farklı metotlarla elektriksel olarak doğal
Şekil 1. Demetten Çekim İşlemi (Bundle- Drawing ) [5]
İletken liflerin üretilmesindeki bir diğer yöntem ise ince metal levhanın kenarlarının tıraşlanmasıdır (Şekil 2). Metal 217
Galvanik kaplama yönteminde galvanik ürünlerin iletkenlikleri oldukça yüksek değerlerdedir (104 ohm cm den fazla). Fakat galvanik kaplamada iletkenlik sadece alt tabakaya uygulanabilmektedir. Bundan dolayı galvanik kaplama yöntemi karbon ve grafit lifleri ile sınırlı olmuştur [8].
folyoların kenarları tıraşlanarak metal lifler üretilir ve daha sonra çile ve bobinlere sarılmaktadır. Bundle-drawing işleminin yaklaşık altı ay sürdüğü düşünülürse, üretim zamanı daha az olduğu için maliyetleri düşük, daha kıvrımlı ve ince yapıda lifler elde edilmektedir [5].
Reçine kaplı iletken parçacıklar ile lifler kaplama yönteminde lifler yüksek iletkenliğe sahip (105 ohm cm-106 ohm cm) saf karbon reçinesi ile kaplanmaktadırlar. Akrilik ve naylon lifleri dağılmış gümüş içeren yapışkan lastiğe benzer bir madde ile kaplanmaktadırlar. Naylon lifleri yüzeyindeki küçük oyuklar sayesinde en iyi kaplama yapılabilen lif olarak değerlendirilmiştir [8–9]. Vakum sprey yöntemi ucuz bir yöntemdir ve yüksek iletkenliğe (104 ohm cm) sahip metalik kaplama lifleri üretmektedir. Fakat bu yöntem belirli kısıtlamalara sahiptir. Burada üretilen lif düşük direnç korozyonunda ve giyilebilirliğinde oluşmaktadır [10]. Şekil 2. İletken lif üretiminde traşlama işlemi [5]
Tekstil malzemeleri, politiofen (PTh), polianilin (PAn), polipirol (PPy) esaslı iletken polimerlerle kaplanabilir veya muamele edilebilir. Ayrıca kendisi iletken olan lifler, bu iletken polimerler veya bunların başka polimerlerle karışımlarından üretilebilir [8–11] . İletken polimerler hala gelişmekte olan bir alandır. Polimerler, yüksek iletkenlik sağlamakta ve yapışma özellikleri de daha iyi olup aşınma problemine neden olmamaktadır. Esneklik, düşük ağırlık ve iletkenlik gereken uygulamalarda kullanılmaktadır [12].
Metalik liflerin devamlı üretimi ise, akışkan dönüşümünde eriyikten eğirme yöntemi ile gerçekleşmektedir. Bu işlem anında metaller ve alaşımları yüksek sıcaklık ve basınçta gaz atmosferinde erimektedir. Oluşan sıvı yüzey yüksek basınçtaki soygaz ile doldurulmaktadır. Yüksek basınçtan dolayı, eriyik gaz sıkıştırma boğazına doğru basılır ve bu anda lif, akıcı soğutucu maddede serbest jet olarak batırılmaktadır. Burada katılaşan lif rotasyon boyunca hızlandırılarak tamburun içinde metal ile soğutucu madde arasında, soğutucu maddenin sıcaklığı soğurduğu yerde yoğunluk farkı oluşturmaktadır [6].
Lif yapısına, iletken karbon ekleyerek iletken özellikler taşıyan tekstil ürünü elde etmek mümkündür. Bu özellik kablo, lif ve mikro veya nano partiküller formundaki karbonun, yapıya eklenmesi ile kazandırılabilir. Karbon lifleri ve karbon eklenmiş lifler iyi iletken özellikler gösterir ve bunlar bilinen tekstil imalat sistemlerinde kolayca işlem görebilmektedir. Fakat bunun yanında bazı estetik problemler görülebilir [13] .
Elektrik ileten metal liflerin avantajı; düşük maliyet ile kullanılma kolaylığıdır. Ayrıca metal lifler hareketsiz olduklarından dolayı terlemeye ve yıkamaya karşı hassas olmamaları kullanımlarını arttıran bir etkendir [6]. 2.1.1 Sonradan İletkenlik Kazandırılan Lifler
2.2 Elektriksel Yöntemleri
Galvanik maddeler, metaller veya metalik tuzların kaplanması yöntemiyle yalıtkan liflere iletkenlik özelliği kazandırılmaktadır. Kaplama işlemi birçok lif tipi ve tekstil formu için uygun olması ve iyi iletkenlik sağlaması açısından avantajlı bir yöntemdir.
Olarak
İletken
İpliklerin
Üretim
İletken filamentler, kesikli iletken lifler veya iletken lif veya tellerin iletken olmayan tekstil lifleri ile birlikte eğrilmesi ile iletken iplikler elde edilmektedir. Elde ediliş biçimlerine göre elektriksel iletken iplikler; özlü iplik, sarmalı iplik, biokomponent filamentlerden oluşan iplikler, şerit halindeki yapılar, kompozit iplikler, dekoratif amaçlı kullanılan iplikler ve iplikleri iletken yapmak için ilave metotlar kullanarak oluşan iplikler olmak üzere sıralanmaktadır. Oluşturulan iletken iplik yapıları iletken olmayan tekstil iplikleri ile kullanılarak iletken kumaş yapıları oluşturabilir, amaca yönelik kullanıma hazır hale getirilebilir olmaktadır.
İletken kaplamalar, kullandıkları taşıyıcı tabakanın (tekstil malzemesinin) özelliklerini değiştirmeden onları elektriksel iletken malzemelere çevirebilmektedir. Yüksek iletkenlikte lif elde edilmesi bu yöntemlerle sağlanmasına rağmen, bu işlemlerde, taşıyıcı tekstil tabakasının uygunluğu, kaplamanın yüzeye yapışma durumu ve aşınma dayanımı ile ilgili problemler halen devam etmektedir [7].
2.2.1 Özlü iplikler
Metalik tuzlar ile kaplama yönteminde yaygın olarak bakır sülfür ve bakır iyodür kullanılmaktadır.Bu yöntemin tekstil endüstrisinde kullanımı kolaydır fakat düşük iletkenlik içermektedir (10-6 ohm cm-10-1 ohm cm). Genellikle antistatik performans gereken halı endüstrisinde kullanılmaktadır. Naylon, polyester, yün, akrilik içeren liflerde uygulanabilmektedir [8].
Özlü iplikler, iç kısımda bulunan öz ve onu çevreleyen manto olmak üzere iki bileşenden oluşmaktadır. İki bileşen ring iplik makinesinde birleşerek, kompozit iplik yapısı elde edilir [14] (Şekil 3). Genel olarak, Özlü iplikler, düşük mukavemetli ve yumuşak manto iplik ile sarılır ve özde yüksek mukavemetli kesiksiz filament kullanılmaktadır 218
[15]. Ring iplik makinesinde mantoyu oluşturacak olan fitil iki çekim silindiri arasından geçtikten sonra öz ile karşılaşır. Öz, sisteme malzeme ön silindire girmeden hemen önce beslenir. Öz, fitil ile temas ettiği anda birlikte bükülür ve öz fitil tarafından sarılır [14].
Şekil 5. Yan yana bikomponent iplik ve manto-öz bikomponent iplik üretim prensibi [14]
2.2.4 Şerit Halindeki Yapılar Kumaş üretiminin kullanılan en eski formlarından olan şeritleme, ipliklerin çapraz olarak birbirine geçmesiyle oluşmaktadır [15]. Şerit halindeki yapılar iki boyutlu ya da üç boyutlu olarak üretilmektedir. Elektriksel iletken şerit yapıları esnek metalin iplik ile yer değiştirmesi ve elektriksel iletken materyalin iplik ile örme sırasında farklı pozisyonlarda kullanılması ile elde edilmektedir [8].
Şekil 3. Özlü iplik üretim prosesi. [14]
2.2.2 Sarmalı İplikler Metalik iplikler, iletken olmayan bir ipliğin bakır, gümüş veya altın tel veya folyo gibi metalik bir malzeme ile birlikte sarılmasıyla elde edilebilmekte ve ayrıca iletken tekstillerin üretilmesinde kullanılabilmektedir [16–17] (Şekil 4). Monofilament ya da multifilament sarılabilen sarmalı iplikler, sağ el yönü (Z) veya sol el yönü (S) ile sarılmaktadır. Sarmalı iplikler, özlü ipliklere göre üretim şartlarında daha avantajlıdır ve kumaş oluşumunda daha fazla tercih edilmektedir. Daha az tüylü yapıya sahip olan sarmalı iplikler, kumaşta çözgü olarak kullanıldıklarında haşıl işlemini ortadan kaldırabileceği için üretimde tercih sebebi olmuştur [18].
2.2.5 Kompozit iplikler İplikler büküldükten sonra, kablo formu ile bükülmeleri ile oluşan yapılardır. Elektriksel iletken kompozit iplikler, çeşitli iplik formlarında klasik tekstil iplikleri ile yer değiştirmektedirler [8]. 2.2.6 Dekoratif Amaçlı Kullanılan İplikler Genelde görsel amaçlı kullanılan bu iplik yapıları, periyodik efekt yaratmak için filament ve stapel ipliklerin düzensiz bükülmesi ile oluşmaktadır. Esnek iletken metal veya ipliğin ilave edilmesi ile elektriksel iletken davranış özelliği sağlanmaktadır. Dekoratif amaçlı iplikler, bu yolla, istenildiği takdirde elektriksel iletken iplik özelliği için kullanılmaktadır [14]. 2.2 Elektriksel Olarak İletken Kumaşların Üretim Yöntemleri Elektriksel iletken kumaşlar farklı uygulamalarda kullanılmış, teknolojik gelişmelerin hızla artmasına olanak tanımıştır. Tekstil ürünlerine karmaşık elektronik yapıların entegre edilmesi ve yarı iletken tekstil ürünlerini ortaya çıkarmaktadır. Ürünler duyu yeteneğine dayandığı için gelişebilirliği, farklı tipteki dışsal uyarıcılarla cevaplanma ve ayarlanma imkanı sağlayabilmektedir. Yarı iletken kumaşların, karbon veya metal tuzların örme, dokuma ya da dokusuz yüzeye emdirilmesiyle üretimi oldukça yaygındır. Karmaşık iletken kumaşlar, aktif olarak algılama yapabilen, baskı, sıcaklık gibi uyarıcılara karşılık verebilen, akıllı tekstiller olarak adlandırılan çok fonksiyonel tasarımlardır [8].
Şekil 4. Z ve S yönünde sarılmış iplik örnekleri [18]
2.2.3 Bikomponenet Filamentlerden Oluşan İplikler İsminde belirtildiği gibi, bikomponent iplikler, iki bileşenden oluşmaktadırlar. Özlü iplikler ile aynı görünüme sahip olmalarına rağmen, farklı metotlar ile üretilmektedirler [14]. Başarılı bir şekilde bikomponent iplik üretimi sağlayabilmek için, iki bileşenin yüzeye yeterince bağlanması ve çözelti ve eriyiklerin viskozitesinin uyumlu olması önemli bir husustur [19].
İletken kumaşların üretimi için, iletken iplikler veya teller ile örme veya dokuma yöntemi, kumaş üzerine elektriksiz kaplama, püskürtme ile kaplama, buharlaştırma birikimi, metal kullanılarak klasik teknik ile kumaş kaplama ve iletken polimerler ile kumaş yüzeyini kaplama gibi çeşitli teknikler kullanılmaktadır.
İki farklı polimer özütleme noktasında iplik borusuna dahil edilir, böylece yan yana veya öz-manto bikomponent iplikler oluşmaktadır (Şekil 5). İplik borusu dizilişi toplanınca, çeşitli formlarda kesit alanlar oluşmaktadır. Kesit alanının biçiminin üretilmesi istenilen son duruma göre ayarlanabilmektedir [14]. 219
2.2.1 İletken İplikler Veya Teller İlave Edilmesi
uygulanabilmektedir. Kaplanmış kumaş, kaplama ile kumaş arasında iyi adezyon kuvveti, esneklik, aşınma ve kimyasal dayanıma sahiptir [2].
Kullanılan metal teller kumaşta, iki farklı iplik yönüne sarılabileceği gibi, iletken iplik formunda dokunma ya da örme yoluyla kumaş yüzeyi oluşturulabilir (Şekil 6). Oluşturulan elektriksel iletken kumaş yapıları giyime uygun ve yumuşak olmalıdır [6]. Doğal veya sentetik tekstil iplikleri metal teller yardımıyla dokuma ya da örme tekstil yüzeyi oluşturabilirler. Kullanılan metal teller, kullanım amacına yönelik olarak, bakır, paslanmaz çelik, alimünyum, nikel ve benzeri alaşımlardan oluşmaktadır.
2.2.6 İletken Polimerler İle Kumaş Yüzeyini Kaplama Doğal iletken polimerler (ICP) olarak bilinen elektriksel iletken yüksek birleşmiş polimerler ilk olarak 1970lerin sonunda üretilmiştir [23]. Tüm doğal iletken polimerler (ICP) değişen tek ve çift bağlardan oluşmaktadır. Doğal iletken polimerlere, (ICP) anyon ve katyon olarak bilinen hareketli yük taşıyıcının ilavesi tarafından azaltılarak ya da oksitlenerek katkılama yapılabilmektedir. Katkılamadan sonra, tek elektronlar taşınabilir ve bu hareketli elektronlar polimerlere gerçek elektriksel iletkenlik vermektedirler [24].
3. ELEKTRİKSEL OLARAK İLETKEN TEKSTİL YAPILARININ KULLANIM ALANLARI Araştırmacılar, elektronik ve bilgisayar bilimlerinin gelişmesiyle, farklı uygulama alanları olan ve çeşitli ihtiyaçları karşılayabilecek ürünlerin imal edilmesi konusuna odaklanmışlardır. Bu anlamda elektriksel iletken özelliğe sahip tekstil ürünleri, küresel rekabet ortamında pazar payı yüksek ve geleceği açısından gelişmekte olan bir alandır.
Şekil 6. Polyester ipliklerinden oluşan bakır tel içeren iletken kumaş [20]
Akıllı malzemeleri kullanarak çeşitli işlevleri yerine getiren tekstil ürünleri, hem endüstride hem de günlük hayatta gittikçe daha büyük bir öneme sahip olmaya başlamıştır.
2.2.2 Elektriksiz Kaplama Elektriksiz kaplama, yaygın olarak, yalıtkanlar, yarı iletkenler ve metallerin yüzeyi modifiye edilerek kullanılmaktadır [21]. Bu yöntem, naylon, selüloz, polyester ve akrilik içeren farklı tiplerdeki liflerin kaplanması için kullanılmaktadır [9]. En çok nikel ve bakır ile çalışılmaktadır. Bunun nedeni, nikel ve bakırın, metalden daha kolay biçimde kumaş yüzeyine yapışabilme yetenekleridir.
İlk olarak elektromanyetik koruma ve ısıtma amaçlarıyla kullanılmış olan elektriksel olarak iletken iplikler, daha sonraları güç transferi, sensörler, vericiler ve mikro denetleyicilerle uyarı kontrolleri sağlamada kullanılarak [1] günümüzde çok farklı gereksinimleri yerine getirmektedir. 1980’lerin ortalarından itibaren pek çok sayıda elektriksel olarak iletken ve yarı iletken tekstil ürünü mevcuttur [2]. Elektroniklerin tekstillere modifiye edilmesi ise ilk olarak 1990ların sonunda Levi’s ve Philips in birlikte çalışması ile gerçekleştirilmiştir [3].
2.2.3 Püskürtme İşlemi Püskürtme işlemi, hedef(katot) ve altyapı(anot) kaplanması için sağlanan vakum odasından oluşmaktadır. Elektrik potansiyeli hedef ve altyapı arasında uygulanmaktadır. Hedef ve altyapı arasındaki elektrik potansiyeli, iki elektrot arasında plazma olarak bilinen düşük ışıltılı deşarj üretmektedir [21]. Işıltılı deşarj, serbest elektronlardan, nötr parçacıklardan ve pozitif şarjlı argon atomlarından oluşmaktadır [22].
Elektriksel olarak iletken tekstiller en yaygın olarak askeri ve tıp alanında EKG (elektrokardiyografi) ölçen tişörtler, kumaş içine entegre edilen sensörler ile kalp atışlarının izlenmesi (Şekil 7) ve fizyoterapi uygulamaları yaygın olarak kullanılmaktadır. İletken ipliklerden elde edilen kumaşlar ilk olarak 2001 yılında fizyoterapi odalarında elektromanyetik koruma amaçlı olarak kullanılmaya başlanmıştır [10]. EKG ölçümlerinde deride kaymalar sonucu oluşan sorunlar, EKG sisteminin kumaşa entegre edilmesiyle çözümlenmeye çalışılmaktadır. Ayrıca deri ile elektrot arasında kurulabilecek iletişim sayesinde hidro jel kullanmaksızın ölçüm yapılabilmektedir. Fizyoterapide ise ısı tedavisi sırasında oluşabilecek ışınların çevreye yayılmasından dolayı kişisel koruma amaçlı kullanımı söz konusudur.
2.2.4 Buharlaştırma Birikimi Yöntemi Buharlaştırma birikimi yöntemi, vakum odası içinde uygulanmaktadır. Sıcaklık ile ısınan metal, buhar oranını maksimuma çıkarmaktadır. Kumaş, su soğutmalı tamburun üzerinden geçer ve bu noktada erimiş metalin buharına maruz kalmaktadır. Yüksek iletkenlik talep edildiğinde, genellikle alüminyum metali kullanılmaktadır [2]. 2.2.5 Metal Kullanarak Klasik Teknik İle Kumaş Kaplama Metalle kaplanmış kumaş, kaplama maddesine %6070 alüminyum ilave edilerek üretilmektedir. Kaplama talep edilen kalınlık ve özellik için bir yada birkaç defa 220
4. SONUÇ Dünya çapında hızla artan nüfus artışı ile teknolojik ve fonksiyonel tasarımlar daha fazla önem kazanmaktadır. Bu nedenle, birçok farklı ihtiyaca cevap verebilecek potansiyele sahip olan elektriksel iletken tekstil ürünleri gitgide önem kazanmaktadır. Farklı yöntemlerle elde edilebilecek ve ticarileştirilmesi mümkün olan elektriksel iletken tekstil yapılarının ülkemiz açısından ekonomik katkısı kaçınılmazdır. Gelecekte hayatımızın her alanına girebilecek bu ürünlerin yaygınlaşması insan hayatını kolaylaştıracaktır.
Şekil 7. Kalp atış hızını ölçebilen ve monitöre aktarabilen sütyen [25]
5. KAYNAKÇA Askeri giysilerde (Şekil 8), tekstil malzemesi içerisinde çeşitli fonksiyonların sağlanması için elektriğin iletilmesi ve iletişimin sağlanması amaçlarıyla kullanılmaktadır. Ayrıca çevresel tehlikelere karşı uyaran kayak ceketleri, MP3, cep telefonu ve küçük kontrol aygıtlar entegre edilmiş ceketler, küresel yer bildirim uydusu ile ailelerin çocuklarını gittikleri yerlerde izleyebilme imkanı sağlayabildikleri çocuk tişörtleri ve optik lif ve sensör içeren gömlekler iletken tekstillerin kullanıldıkları ürünlere örnek olarak verilebilir [8].
[1] Vassiliadis, S. Provatidis, C. Prekas, C. & Rangussi, M. (2005), ‘’Intelligent Textile Structures- Application, Production & Testing International Workshop’’, Novel Fabrics with Conductive Fibres, Greece. [2] Smith, William. (1988), ‘’Metallized Fabrics-Techniques and Applications’’, Journal of Coated Fabrics, Vol 17 Industrial Textile Associates Greer, SC 29651. [3] Langenhove, L. V. & Hertleer, C, 12 Temmuz 2010. Clothing: a New Life, http://www.iafnet.com/files/iaf_03_ presentations/Smart%20Clothing%20a%20new%20life.pdf. [4] Mac, T. Houis, S. & Gries, T. (2004). “Metal Fibers”, 1st Issue 2004, Technical Textiles, Volume 47, March. [5] Bekaert Fibre Technologies. (2006). 20 Mart 2011. http:// www.bekaert.com/. [6] Clevertex, (b.t). 5 Temmuz 2010, Report on İntelligent Textiles. State of Art. [7] Kim, B. & Koncar, V. (2006). Electrical, Morphological And Electromechanical Properties Of Conductive Polymer Fibres (Yarns) in Intelligent Textiles and Clothing, H. R. Mattila (editor), 308–323. [8] Anderson, K. & Seyam, A. (2002). The Road To True Wearable Electronics, Journal of Textile and apparel, technology and management, Volume 2, Issue 2, Spring 2002. [9] Holme, I. McIntry. J.E. & Shen Z.J. (1998). Electrostatic Charging of Textiles, The Textile Institute Ed J.M. Layton Vo.
Şekil 8. Askeri üniforma [26]
[10] Aniolczyk, H. Koprowska, J. Mamrot, P. & Lichawska, J. (2004). Application of Electrically Conductive Textiles as Electromagnetic Shields in Physiotherapy, Fibres & Textiles in Eastern Europe, 12, 4 (48), 47–50.
Tekstil ürünlerinin insan sağlığına zararsız, teknolojik ihtiyaçlara cevap verecek nitelikte, kişisel statik yük boşaltımını sağlayarak stres karşıtı ve elektromanyetik dalgalara karşı koruyucu etkide olması gelecekte kullanımını yaygınlaştıracağının açıkça göstergesidir.
[11] Xue, P. Tao, X.M. Leung, M, Y. ve Zhang, H. (2005). Electromechanical Properties of Conductive Fibres, Yarns and Fabrics, in Wearable Electronics and Photonics, Woodhead Textiles Series, No. 46, 81–104.
Kumaş içerisine entegre edilmiş, iletken iplikler, çevre ile uyumlu çalışmalı, tekstil ürününde var olabilecek yumuşak düğmeler ve mikro elektromekanik sistemlerle (MEMS) uyarılara uygun cevap verebilme yeteneğine sahip olabilmelidir. Yumuşak düğmeler, elektronik aygıtların dikim ihtiyacı olmadan tekstil ürünlerine entegre edilebilmesini sağladığı için fonksiyonel etkileşimli üretimin gelişmesine yol açmıştırlar. Ayrıca, kumaş yapısı içinde iletken iplikler kullanarak halılarda statik elektrik depolama özelliği azaltılabilir [27].
[12] Knittel, D. & Schollmeyer, E. (2009). Electrically highconductive textiles, Synthetic Metals, 159, 14, 1433–1437. [13] Perepelkin, K.E. (2001). Chemical Fibers with Specific Properties for Industrial Application and Personnel Protection, Journal of Industrial Textiles, 31, 2, 87–102. [14] Goswami, B.C. Martindale, J.G. & Scardino, F.L. (1977). Textile Yarns Technology, Structure and Application, 221
[25] Textronics Inc. (2006). 2 Mart 2011, NuMetrex heart sensing sports bra, http://www.numetrex.com/.
Wiley-Interscience Publication. [15] Adanur, S. (1995). Manufacture of Continuous Filament Yarns, Wellington Sears Handbook of Industrial Textiles Technomic Publishing Company, Inc. Lancaster Pennsylvania.
[26] Foster-Miller. (2006). 15 Haziran 2010. Project Example: Wearable antennas, http://www.fostermiller.com/ projectexamples/t_advanced_materials/wearable_antennas. html.
[16] Post, E.R. Orth, M. Russo, P.R. & Gershenfeld, N. (2000). E-broidery: Design and Fabrication of Textile-Based Computing, IBM Systems Journal, 39, 3 & 4.
[27] Maclaga, B & Fisher, W.K. (2001). Static Dissipation Mechanism in Carpets Containing Conductive Fibers, Textile Research Journal, 71, 4, 281–286.
[17] Orth, M. & Post, E.R. (1997). Smart Fabric, or Washable Computing, Digest of Papers of the First IEEE International Symposium on Wearable Computers, 10, 13, 167–168.
ÖZGEÇMİŞ
[18] Louis, G. & Salaun. H. L. (1986). “X” Direction Filament-Wrapped Yarn, Textile Research Journal, March, USDA, ARS, Southern Regional Research Center
Nilşen Sünter, 2009 yılında Afyon Kocatepe Üniversitesi Tekstil Mühendisliği Bölümü’nden mezun oldu. 2011 yılında Dokuz Eylül Üniversitesi’nde ‘İletken İpliklerin Üretim Yöntemlerinin ve Özelliklerinin İrdelenmesi’ üzerine yüksek lisans tezini tamamladı. Halen metal tel içeren iplikler üzerindeki çalışmaları devam etmektedir.
[19] Piler, Dipl & Ing. Bohumil. (1973). Bulked Yarns, Translated by Olga Steinerova, English edition published by SNTL. [20] Cottet, D. Grzyb, J. Kirstein, T. & Troester, G. (b.t). Electrical Characterization of Textile Transmission Lines, IEEE Transactions on Advanced Packaging, Volume 26, Number 2, May 2003.
Ayşe (Çelik) Bedeloğlu, 2003’te DEÜ Tekstil Mühendisliği Bölümü’nden mezun oldu. Yine aynı bölümde iplik teknolojisi üzerine yüksek lisans öğrenimini tamamladı. 2008 yılında Belçika, Gent Üniversitesi ve Avusturya, Linz, Organik Güneş Pilleri Enstitüsü’nde araştırmalar yaptı. 2009’da fotovoltaik etki gösteren lif geliştirilmesi üzerine doktora çalışmasını tamamladı. 2003’ten beri DEÜ Tekstil Mühendisliği Bölümü’nde araştırma görevlisi olarak çalışıyor.
[21] Vaskelis, A. (1991). Electroless Plating, Coatings Technology Handbook, Marcel Dekker, Inc. New York,187– 200. [22] Siefert, W. (1993). Anodic Arc Evaporation - A New Vacuum – Coating Technique for Textiles and Films, Journal of Coated Fabrics, 23, 7, 30–33
1948 yılında Uşak’ta doğan Yalçın Bozkurt doktora öğrenimini Ege Üniversitesi Tekstil Mühendisliği Bölümü’nde tamamladı. Doçent ve profesör unvanlarını sırasıyla 1988 ve 1994 yıllarında aldı. Dokuz Eylül Üniversitesi Tekstil Mühendisliği Bölümü’nde iplik teknolojisi, fabrika tesisleri, iplik ve dokuma işletmelerinde proses kontrolü alanlarındaki çalışmalarına devam ediyor.
[23] Moulton, Jeff & Smith, Paul. (1998). Processing Technologies of Oriented Electrically Conductive Polymers, Handbook of Conducting Polymers, Ed Terje Skotheim, and Ronald Elsenbaumer, and John Reynolds 2nd Ed [24] Jolly, R. Petrescu, C. Thieblemont J.C, Marechal J.C. & Menneteau. F.D (1994). Heating Panels For Accomodation Obtained From Textiles Made Electrically Conductive By Polypyrole Deposit, Journal of Coated Fabrics Vol 23.
222
GETEK giris:AYDIN_ACEMI.qxp 14.10.2011 14:30 Page 18
X. OTURUM (KISA SUNULU BİLDİRİLER) OTURUM BAŞKANI: Orhan ATİLLA > Sempozyum Yürütme Kurulu Üyesi AŞIRI PLASTİK DEFORMASYONUN ALÜMİNYUM ALAŞIMLARIN KAYNAĞI ÜZERİNE ETKİSİ . . . .225 Mümin ŞAHİN (Trakya Üniversitesi) Cenk MISIRLI (Trakya Üniversitesi) Derviş ÖZKAN TAVLAMA ŞARTLARININ CAM ÜRÜN ÖZELLİKLERİNE ETKİSİNİN İNCELENMESİ . . . . . . . . . . . .237 Cemal MERAN (Pamukkale Üniversitesi) Sidem Kaner (Pamukkale Üniversitesi) GGG 50 VE 60 SERİSİ KÜRESEL GRAFİTLİ DÖKME DEMİR MALZEMELERDE KESİT KALINLIĞININ MEKANİK ÖZELİKLERE ETKİSİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .243 Serhan KARAMAN (Trakya Üniversitesi) Cem S. ÇETİNARSLAN (Trakya Üniversitesi) PARTİKÜL TAKVİYELİ ALÜMİNYUM ESASLI METAL MATRİS KOMPOZİTLERİN DİFÜZYON KAYNAK KABİLİYETLERİNİN İNCELENMESİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .249 Sertan OZAN (Ege Üniversitesi) Rasim İPEK (Ege Üniversitesi) Serdar KARAOĞLU (Ege Üniversitesi) POLİPROPİLEN KÖPÜK MALZEME ÜRETİMİNDE KULLANILAN KİMYASAL KÖPÜK AJANININ HÜCRE MORFOLOJİSİNE ETKİSİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .257 Salih HAKAN (Sakarya Üniversitesi) Hüseyin ÜNAL (Sakarya Üniversitesi) AKUT LENFOBLASTİK LÖSEMİ TEŞHİSİNDE YENİ BİR YÖNTEM: DESTEK VEKTÖR MAKİNELERİ TABANLI SINIFLANDIRMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .263 Esra PARMAKSIZ (Haliç Üniversitesi) Figen ÖZEN (Haliç Üniversitesi) ÖZYÜZ YÖNTEMİ İLE YÜZ TANIMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .267 Müge ÇARIKÇI (Haliç Üniversitesi) Figen ÖZEN (Haliç Üniversitesi) RÜZGÂR GÜCÜNDEN BASINÇLI HAVA, GAZ VE ELEKTRİK ENERJİSİ ÜRETİMİ . . . . . . . . . . . . .273 Mehmet AYGÜN PLAZMA NİTRÜRLEME İŞLEMİNİN 316L OSTENİTİK PASLANMAZ ÇELİĞİNİN MALZEME ÖZELLİKLERİNE MİKRO ve NANO ETKİSİ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .281 M. Cem İĞDİL (Tayangu Danışmanlık) Murat TOSUN (İstanbul Teknik Üniversitesi) Levent TRABZON (İstanbul Teknik Üniversitesi)
18
AùIRI PLASTøK DEFORMASYONUN ALÜMøNYUM ALAùIMLARININ KAYNAöI ÜZERøNE ETKøSø Mümin ùahin1, Cenk MÕsÕrlÕ2, Derviú Özkan3 1
Doç. Dr., 2Yrd. Doç. Dr., Trakya Üniversitesi Müh-Mim Fakültesi Makina Müh. Bölümü, 22180-EDøRNE Tel: 90 284 2261217 1
Fax: + 90 284 2261225
[email protected],
[email protected],
[email protected] 2
Özet AúÕrÕ plastik deformasyon metodu, iú parçasÕnÕ yüksek genlemelere maruz bÕrakarak nano mertebesine yakÕn mikroyapÕ iyileúmesi sa÷lanan bir malzeme üretim iúlemidir. Nano yapÕlÕ malzemeler, yüksek mukavemet, düúük elastisite modülü, yüksek tokluk, yüksek difüzyon aktivasyonu ve düúük sÕcaklÕklarda yüksek süper plastiklik özellikleri gibi özellikler sunar. Elde edilen bu özelliklerinden dolayÕ aúÕrÕ plastik deformasyon araútÕrmacÕlarÕn artan bir hÕzla ilgisini çekmektedir. Sürtünme kaynak yöntemi ise parçalarÕn ara yüzeylerinde sürtünme yoluyla oluúturulan mekanik enerjinin ÕsÕ enerjisine dönüútürülmesiyle elde edilen ÕsÕ yardÕmÕyla gerçekleútirilen bir katÕ-hal kaynak türüdür. Bu çalÕúmada, aúÕrÕ plastik deformasyona u÷ramÕú 5083 alüminyum alaúÕmÕna sürtünme kayna÷Õ uygulandÕktan sonra mekanik ve metalurjik özelliklerindeki de÷iúimler deneysel olarak incelenmiútir. Bu çalÕúmada, kare kesitli eúit kanal açÕsal basmakalÕbÕ ve deneysel malzeme olarak 5083 Alüminyum alaúÕmÕ kullanÕlmÕútÕr. Daha sonra elde edilen parçalar sürtünme kaynak yöntemiyle birleútirilmiútir. Birleútirmelere çekme deneyi, sertlik testi uygulanmÕú ve birleútirmelerin metalurjik incelemeleri yapÕlmÕútÕr. AyrÕca, elde edilen sonuçlar yorumlanmÕútÕr. Anahtar kelimeler: AúÕrÕ Plastik Deformasyon, Eúit Kanal AçÕsal Basma, 5083 Alüminyum AlaúÕmÕ, Sürtünme Kayna÷Õ 1. GøRøù Son zamanlarda yapÕlan birçok çalÕúma, aúÕrÕ plastik deformasyona maruz kalmÕú nano yapÕlÕ metalik malzemeleri elde etmeye çalÕúmaktadÕr. APD (Severe Plastic Deformation-AúÕrÕ Plastik Deformasyon) tekni÷inin içerisinde EKAB (Equal Channel Angular Pressing-Eúit KanallÕ AçÕsal Basma) yöntemiyle, gözeneklili÷in az olmasÕ ve hacim de÷iúikli÷i olmadan nano yapÕlÕ kristal malzemelerin ve yüksek dayanÕm, tokluk ve arttÕrÕlmÕú süperplastiklik gibi ultra iyileútirilmiú tanecikli yapÕlarÕn üretilmesi en önemli avantajlarÕ olarak bilinmektedir. Metalik yapÕlar kaynak gibi herhangi bir metotla birleútirilmiú ba÷lantÕlara gereksinim duyabilir. Kaynak esnasÕnda, EKAB yöntemiyle elde edilmiú yapÕnÕn fazla
225
de÷iúmeden kalmasÕ önemlidir. Bu yüzden kaynak için gerekli özel yöntemin seçilmesi gerekmektedir. Bununla birlikte, sürtünme kayna÷Õ gibi katÕ hal yöntemi burada önem kazanacaktÕr [1-3].
2. AùIRI PLASTøK DEFORMASYON VE EùøT KANALLI AÇISAL BASMA Nano kristalli metaller ve alaúÕmlar, kaba tanecikli yapÕlara nazaran mekanik ve fiziksel özelliklerinin kombinasyonundan dolayÕ büyük öneme sahiptirler. Nano ve nano yapÕya yakÕn malzemelerin deformasyon davranÕúlarÕnÕ daha iyi anlamak için bu malzemelerin kütle biçimlendirmelerini test etmek gereklidir. EKAB yöntemi ile belirlenen ortalama tane boyutu 200 ile 1000 nm arasÕndadÕr [4]. Metal malzemelerde mekanik özelliklerin geliútirilmesi için ultra iyi tanelerin elde edilmesinde iki yöntem vardÕr. Bunlar erime noktasÕnÕn 0,3 katÕ altÕndaki sÕcaklÕkta aúÕrÕ plastik deformasyon ve toz metalurjisi yöntemidir. AúÕrÕ plastik deformasyon metalik malzemelerde erime noktasÕnÕn 0,3 katÕ altÕnda yüksek derecede plastik genlemelere maruz kalan plastik deformasyonlar olarak bilinir. AúÕrÕ plastik deformasyon, kaba taneli mikroyapÕlarÕn düzenli hücre bloklarÕna ve dislokasyon hücrelerine bölünmesiyle oluúur. Malzemenin genlemesi artarken mikro yapÕsal boyutlar küçülür. Geleneksel üretim yöntemleri yüksek genlemelerde malzemenin hasara u÷ramadan deformasyonunu sa÷layamaz. EKAB metodunun en karakteristik özelli÷i iúlem sonrasÕ malzemenin kesit alanÕnÕn sabit kalmasÕdÕr. Bu yüzden kesit de÷iúmesi olmadan yüksek derecelerde plastik deformasyon mümkündür. Bu nedenle, bir parça plastik genleme artÕúÕyla birden çok kez aúÕrÕ deformasyona u÷ratÕlabilir. Bu iúlemde, iúlem esnasÕnda kalÕp tasarÕmÕ, hÕz, sÕcaklÕk, sürtünme ve ön tasarÕm gibi optimum iúlem koúullarÕnÕn bilinmesi parçanÕn plastik deformasyon davranÕúlarÕnÕn belirlenmesi açÕsÕndan son derece önemlidir. EKAB yönteminde eúit boyutlu birbiri ile 90 derece açÕlÕ iki köúesi bulunan kalÕp ùekil 1 de gösterilmektedir. Ham mamul bir zÕmba vasÕtasÕ ile kalÕbÕn bir tarafÕndan basÕlÕp di÷er tarafÕndan boyutlarÕ de÷iúmeden çÕkarÕlmaktadÕr. Bu
esnada malzeme kayma deformasyonuna maruz kalmaktadÕr. øúlemin birden çok kez tekrarlanmasÕ halinde plastik deformasyon genleme miktarÕnda bir artma olacaktÕr.
kanalÕn di÷er tarafÕndan deforme olmuú ancak ölçülerinde herhangi bir de÷iúiklik olmadan alÕnmÕú halde elde edilir. Bu iúlem birden çok kez tekrar edilmesi halinde toplam genlemede artma meydana gelir [5-11]. 3. SÜRTÜNME KAYNAöI METODU
Malzeme giriúi
Bu iúlemde ÕsÕ, parça yüzeylerinin dÕúarÕdan herhangi bir enerji olmadan basÕnç altÕnda döndürülmesiyle oluúan mekanik enerjinin termal enerjiye dönüúmesiyle elde edilir. Sürtünme kayna÷ÕnÕn bilinen bazÕ avantajlarÕ yüksek parça tasarrufu, kÕsa üretim süresi ve farklÕ metal veya alaúÕmdan parçalarÕn birbirine kaynakla birleútirmesine imkân tanÕmasÕdÕr. Sürtünme kayna÷Õ ayrÕca dairesel veya dairsel olmayan kesitlerin birleútirilmesinde de kullanÕlabilir. Sürtünme süresi, sürtünme basÕncÕ, yÕ÷ma süresi, yÕ÷ma basÕncÕ ve dönme hÕzÕ sürtünme kayna÷ÕnÕn en önemli parametreleridir [12-20]. Malzeme çÕkÕúÕ
Genelde sürtünme kayna÷Õ sürekli tahrik ve atalet sürtünme kayna÷Õ olmak üzere iki ana baúlÕ÷a ayrÕlÕr:
ùekil 1. Eúit kanallÕ açÕsal basma yönteminin úematik gösterimi
Eúit kesitli yanal ekstrüzyon EKAB’nin özel bir formudur. Bu metotta birbirini 90 derecelik açÕ ile kesen iki kanal bulunur. Bu kanalÕn formu S úeklinde olup ș açÕsÕ her kanalda eúittir ve buna S tip eúit kesitli yanal ektrüzyon adÕ verilir. Bu metotta malzeme kanalÕn bir tarafÕndan zÕmba vasÕtasÕ ile preslenip
6UHNOL7DKULN6UWQPH.D\QD÷Õ ÇalÕúmanÕn oldu÷u sürekli tahrik yönteminde parçalardan biri sabit s dönme hÕzÕ ile dönerken di÷er parça önceden belirlenmiú P1 sürtünme basÕncÕyla dönen parçaya belirli bir süre t1 kadar bastÕrÕlÕr. SonrasÕnda dönen parçaya uygulanan tahrik serbest bÕrakÕlÕr ve parça aniden dururken, basÕnç belirlenmiú t2 süresince yine önceden belirlenmiú P2 yÕ÷ma basÕncÕna kadar yükseltilir. Bu kaynak metodunun parametreleri úekil 2’de gösterilmektedir [14-20].
Sürtünme Süresi (t1)
Frenleme Bekleme
YÕ÷ma süresi (t2)
YÕ÷ma basÕncÕ (P2)
Dönme hÕzÕ (s)
Sürtünme basÕncÕ (P1) Moment(M)
BaúlangÕç
Eksenel KÕsalma
Zaman
ùekil 2. Klasik sürtünme kayna÷Õndaki parametreler
226
Sürtünme kayna÷Õ ile ilgili araútÕrmalar 1970’li yÕllarda baúlamÕú olup kÕsa sürede geliúme göstermiútir. Kinley sürtünme kayna÷ÕnÕn prensiplerini araútÕrmÕú, Murti istatistik analizin yardÕmÕ ile sürtünme kayna÷ÕnÕn parametrelerinin önemini bulmuú, ùahin yüksek hÕz, karbon ve ostenitik paslanmaz çeliklerin deneysel ve bilgisayar similasyonu üzerinde çalÕúmalarda bulunmuútur. 5083 Alüminyum EKAB yöntemi için çeúitli çalÕúmalar kabul görmüú ve özellikleri hakkÕnda kapsamlÕ úekilde çalÕúmalar yapÕlmÕú ve bu çalÕúmada da aúÕrÕ plastik deformasyonun alüminyum alaúÕmlarÕnÕn sürtünme kayna÷Õ üzerine etkileri araútÕrÕlmÕútÕr. AyrÕca; numunelere çekme ve sertlik deneyleri uygulanmÕú ve mikroyapÕ özellikleri sunulmuú ve tartÕúÕlmÕútÕr.
4. DENEYSEL ÇALIùMA Deneylerde malzeme olarak 5083 Al alaúÕmÕ ve kare kesitli EKAB kalÕbÕ aúÕrÕ plastik deformasyon için kullanÕlmÕútÕr. ølk olarak alÕnan 5083 alaúÕmlarÕ sürtünme kayna÷Õ ile birleútirilmiútir. Sürtünme süresi, yÕ÷ma süresi, sürtünme basÕncÕ ve yÕ÷ma basÕncÕ gibi kaynak için gerekli olan parametreler belirlemiútir. SonrasÕnda alÕnan 5083 alüminyum malzemeler kare kesitli olarak hazÕrlanmÕú ve EKAB kalÕbÕnda bir derece plastik deformasyon maruz bÕrakÕlmÕútÕr. Elde edilen kare kesitli parçalar talaú kaldÕrÕlarak silindir forma getirilmiú ve sonrasÕnda parçalar önceden laboratuar úartlarÕnda oluúturulmuú sürekli tahrik sürtünme kayna÷Õ tezgâhÕnda birleútirilmiútir. 4.1 Deney malzemesi Al 5083 malzemenin kimyasal kompozisyonu Tablo 1 de verilmiútir.
Tablo 1. Al 5083 malzemenin kimyasal kompozisyonu [20] Di÷er Malzeme
AA 5083
% Si
% Fe
0.40 0.40
% Cu
0.10
% Mn
0.30 – 1.0
% Mg
% Cr
% Ni
% Zn
% Ti
4.0 – 4.9
0.05 – 0.25
–
0.25
0.15
% Her biri
% Toplam
0.05
0.15
AlÕnan malzemenin çekme dayanÕmÕ (MPa)
305
4.2 EKAB için KalÕp Bu çalÕúmada talaú kaldÕrma iúleminin rahatlÕ÷Õndan dolayÕ kare kalÕp tercih edilmiútir. AlÕnan Al alaúÕmlar bir derece deforme olmuúlardÕr. Deformasyonda 150 tonluk hidrolik pres kullanÕlmÕútÕr. Deneyde kullanÕlan kalÕbÕn Resimleri ùekil 3’ de verilmiútir.
AlÕnan 5083 Al malzemeler 70 mm uzunluk ve 12 mm geniúlikte tam kare kesitli olarak iúlenmiútir. 6UWQPH.D\QD÷Õ'HQH\L ølk olarak alÕnan 5083 Al iú parçalarÕ hiçbir plastik deformasyona u÷ramadan sürtünme kayna÷Õ ile birleútirilmiú ve sonrasÕnda optimum kaynak parametreleri belirlenmiútir. Daha sonra alÕnan parçalarÕn bir bölümü bir derece AúÕrÕ plastik deformasyona u÷ratÕlmÕútÕr. EKAB kalÕbÕ deformasyon için kullanÕlmÕútÕr. Bu tür bir iúleme düzlem genleme hali denilmektedir. Bu bakÕmdan deforme olmuú malzemenin kesiti önemli de÷ildir. Bu amaçla kolay iúlenebilen alüminyum kare kesitli kalÕp hazÕrlanmÕútÕr. SonrasÕnda elde edilen parçalar, optimum parametreleri kullanarak sürtünme kayna÷Õ yöntemiyle birleútirilmiúlerdir. Bu çalÕúmada sürekli tahrik sürtünme kayna÷Õ yöntemi laboratuar úartlarÕnda uygulanmÕútÕr. ùekil 4’de tesisatÕn úematik resmi verilmiútir [14]. ParçalarÕn sürtünme kayna÷Õ deneyi ùekil 5’de gösterilmiútir.
ùekil 3. Deneyde kullanÕlan kalÕp
227
M: Motor P: BasÕnç AyarÕ T: BasÕnç ÇÕkÕúÕ 1: Valf 2: øndikatör 3: Solenoid Valf
ùekil 4. Klasik sürtünme kaynak deney tesisatÕ
d1 (mm)
d2 (mm)
s (rpm)
P1(MPa), t1(sn)
Ayna
ùekil 5. ParçalarÕn sürtünme kayna÷Õ deneyi
Önceden yapÕlan bir çalÕúmada pilot testler kullanÕlarak bu malzemenin kayna÷Õ için belirlenen optimum parametreler; sürtünme süresi 3 sn, sürtünme basÕncÕ 35MPa, yÕ÷ma süresi 15sn, yÕ÷ma basÕncÕ 90MPa, ve bunun yanÕnda motor tahrik gücü 4kW ve dönme hÕzÕ 1410 d/dak’ dÕr [20]. SonrasÕnda çekme ve yorulma testleri hem kaynaklÕ ve hem de kaynaksÕz durum için yapÕlmÕútÕr (ùekil 6).
228
5
25
10
10
Ø 10
55 ùekil 6. Çekme parçalarÕnÕn geometrisi, ölçüler mm Optimum kaynak koúullarÕ Tablo 2 de verilmiútir. Tablo 2. Sürtünme kayna÷Õ deneyindeki parametreler 5083 Alüminyum d1 (mm)
5083 Alüminyum d2 (mm)
Sürtünme süresi-t1 (sn)
Sürtünme basÕncÕ-P1 (MPa)
YÕ÷ma süresi-t2 (sn)
YÕ÷ma basÕncÕP2 (MPa)
10
10
3
35
15
90
5.
DENEYSEL SONUÇLAR VE SONUÇLARIN TARTIùILMASI
2 takÕm halinde yapÕlan deneylerde, 15 sn yÕ÷ma süresi ve 90 MPa yÕ÷ma basÕncÕ sabit tutularak numunelere için uygun sürtünme süresi ve basÕncÕnÕ elde etmeye çalÕúÕlmÕútÕr. ølk takÕmda sürtünme süresi de÷iúirken sürtünme basÕncÕ 35 MPa da sabit tutulmuú, ikinci takÕmda sürtünme süresi 3 sn de sabit tutulurken sürtünme basÕncÕ de÷iútirilmiútir. 5.1 Çekme Deneyleri Deneyler için alÕnan Alüminyum alaúÕmÕ deney numuneleri silindirik formda talaú kaldÕrarak iúlenmiú ve birleútirilmiú,
229
sonrasÕnda birleútirmelerin çekme dayanÕmlarÕ araútÕrÕlmÕútÕr. Sürtünme süresi ve basÕncÕna göre belirlenen çekme dayanÕmlarÕnÕn varyasyonlarÕ ùekil 7 ve 8 de verilmiútir. Birleútirmelerin en yüksek kuvvetinin 10 mm çapa bölünmesiyle çekme dayanÕmlarÕ hesaplanmÕútÕr. SonrasÕnda alüminyum alaúÕmlar bir derece EKAB iúlemine tabi tutulmuú ve elde edilen numuneler silindirik formda hazÕrlanmÕútÕr. Daha sonra bunlar sürtünme kayna÷Õ yöntemi ile birleútirilmiú ve çekme dayanÕmlarÕ araútÕrÕlmÕútÕr. Hesaplanan çekme dayanÕmlarÕnÕn sürtünme süresi ve basÕncÕna ba÷lÕ de÷iúimde oldu÷u görülmüútür (ùekil 7 ve 8).
ùekil 7. Çekme dayanÕmÕn sürtünme süresiyle de÷iúimi
230
ùekil 8. Çekme dayanÕmÕnÕn basÕnca ba÷lÕ de÷iúimi
ùekil 7 ve 8 den görüldü÷ü üzere birleútirmelerin dayanÕmlarÕ sürtünme süresi ve sürtünme basÕncÕ ile artmaktadÕr. Ek olarak en yüksek dayanÕmÕn elde edildi÷i belirlenen optimum sürtünme süresi 3 sn ve optimum sürtünme basÕncÕ 35 MPa’ dÕr. 231
øúlem yapÕlmadan önce satÕn alÕnan 5083 Alüminyum alaúÕmÕnÕn çekme dayanÕmÕ yaklaúÕk olarak 305 MPa iken bir derece aúÕrÕ plastik deformasyona u÷ramÕú alaúÕmÕn çekme dayanÕmÕ 420 MPa olarak belirlenmiútir. ùekil 7 ve 8 de de görüldü÷ü üzere bir derece aúÕrÕ plastik
GHIRUPDV\RQD X÷UDPÕú alüminyumunda oHNPH GD\DQÕPÕ, VUWQPHVUHVLYHEDVÕQFÕLOHDUWPDNWDGÕU Bu gösteriyor ki DúÕUÕ SODVWLN GHIRUPDV\RQD X÷UDPÕú PDO]HPHQLQ GH÷HUOHUL SHNOHúPH QHGHQL\OH DUWPDNWDGÕU SaWÕQ DOÕQDQ YH VUWQPH ND\QD÷ÕLOHELUOHúWLULOPLúSDUoDODUÕQoHNPHGD\DQÕPODUÕD\QÕ olurken, EKAB LúOHPLQH WDEL WXWXOPXú ultra iyi taneli alüminyumXQoHNPHGD\DQÕPÕ, VDWÕQDOÕQDQDOPLQ\XPGDQ \DNODúÕNRODUDNNDWGDKD\NVHNROPDNWDGÕU [7, 8, 20]. 5.2 0LNUR\DSÕøQFHOHPHOHUL ùHNLO 9 da alüminyum ELUOHúWLUPHOHULQLQ makro boyutta J|UQWVYHULOPLúWLU 6RQUDVÕQGD ùHNLO ¶ GD DOPLQ\XPXQ PLNUR\DSÕVÕ J|UQWVYHULOPLúWLU
x ùHNLO $OPLQ\XPELUOHúLPLQLPDNURER\XWWDJ|UQWV
P
ùHNLO$OPLQ\XPPDO]HPHQLQPLNUR\DSÕVÕ %XQXQOD ELUOLNWH ELUOHúWLUPHOHUGH DUD \]H\OHULQGHNL ID]ODUÕQ EHOLUOHQPHVL DPDFÕ\OD ;5' DQDOL]L JHUoHNOHúWLULOPLúWLU
.D\QDNODQPÕúDOPLQ\XPELUOHúWLUPHOHULQLQ;5'DQDOL]VRQXFX ùHNLOOHUYHGHYHULOPLúWLU
ùHNLO.D\QDNODQPÕúDOPLQ\XPELUOHúWLUPHVLQLQ;5'DQDOL]L
232
ùekil 12. KaynaklanmÕú SPD alüminyum birleútirmesinin XRD analizi
Genellikle 5xxx serisi alaúÕmlar, Mg2Al3 ve Mg2Si parçacÕklarÕ ile krom ve manganez içeren intermetalik fazlar içerirler. ùekil 10 da MnAl6 partikülleri görülmektedir. Bu foto÷rafta küçük ve siyah bölgeler magnezyum veya manganez gibi çözünmemiú fazlar içeren parçacÕklar olabilir. AçÕkça görülmektedir ki çözünmeyen fazlarÕn partikül de÷iúimi, aúÕrÕ plastik deformasyonla iliúkilidir. Bir derece plastik deformasyonun etkisi ùekil 10 da görülmektedir. Partikül boyutu yaklaúÕk olarak 200 nm geniúli÷indedir. Kaynak esnasÕnda, yÕ÷ma basÕncÕyla oluúan plastik deformasyon ve sürtünme ÕsÕsÕ ile metalin tekrar kristalize olmasÕ genellikle görülen bir olaydÕr. Bunlar ço÷unlukla kaynak bölgesindeki fazlarÕn de÷iúiminde etkili olabilir.
Bunun dÕúÕnda bazÕ intermetalik fazlar kaynak bölgesinde úekillenebilirler. Bu intermetalik fazlar birleútirmelerin ara bölgesindeki özellikleri azaltacak yönde etkili olurlar. Bu yüzden kaynak bölgesinde oluúan faz bileúenlerinin XRD analizi ile tespiti son derece önemlidir. Bu çalÕúmada kaynak bölgesi test edilmiútir, bölgenin XRD test sonuçlarÕ ùekiller 11 ve 12 de gösterilmiútir. ùekil 11’e göre analiz sonrasÕnda kaynak bölgesinde oluúan ara fazlar AlFe, AlFe3, Fe3Al, AlCrFe2, AlTi3, Al13Fe4 oldu÷u bulunmuútur. Bununla birlikte, aúÕrÕ plastik deformasyona u÷ratÕlmÕú ve sürtünme kayna÷Õ ile birleútirilmiú alüminyumun ara fazlarÕ AlCr, AlTi, AlFe3 ve AlFe’ dir (ùekil 12). 5.3 Sertlik øncelemeleri Birleútirmelerin sertlik de÷iúimleri farklÕ noktalarda mikro sertlik testi ile belirlenmiútir (ùekil 13).
Part I (Alüminyum malzeme)
Birleúim merkezi
Part II (Alüminyum malzeme)
Merkeze dikey uzaklÕk
y Merkeze yatay uzaklÕk
x
ùekil 13. Birleútirmenin sertlik de÷iúimi
ùekil 14 de kaynaklanmÕú ve bir derece EKAB iúlemine tabi tutulup kaynaklanmÕú alüminyumun yatay mesafede sertlik de÷iúimleri görülmektedir. 233
ùekil 14. Yatay mesafedeki sertlik de÷iúim diyagramÕ
ùekil 14 de görüldü÷ü üzere 5083 alüminyum alaúÕmÕnÕn sertlik de÷eri yaklaúÕk 78HV iken bir derece aúÕrÕ plastik deformasyona u÷ramÕú 5083 alüminyum alaúÕmÕnÕn sertli÷i daha yüksek olmaktadÕr. Ancak birleútirmelerin en yüksek sertlik de÷erleri kaynak ara yüzeyinden uzakta tespit edilmiútir. AúÕrÕ plastik deformasyon malzemenin dayanÕmÕnÕ ve sertli÷ini arttÕrmaktadÕr. Bununla birlikte, bir derece aúÕrÕ plastik deformasyonun sertlik de÷erinin artÕúÕ ùekil 14 de gösterilmektedir.
6. SONUÇ Bu çalÕúmada, bir derece aúÕrÕ plastik deformasyona u÷ramÕú ve sürtünme kayna÷Õ ile birleútirilmiú alüminyumun mekanik ve metalurjik özellikleri araútÕrÕlmÕútÕr. Sürtünme kayna÷Õ ile birleútirilmiú parçalar çekme sertlik testlerine tabi tutulmuú ve kaynak gölgesindeki fazlar XRD analizi ile araútÕrÕlmÕútÕr. Deney parçasÕnÕn mikro yapÕsÕ araútÕrÕlmÕú ve aúa÷Õdaki sonuçlara ulaúÕlmÕútÕr: SatÕn alÕnan ve bir derece EKAB deformasyonuna tabi tutulan alüminyum malzemeler sürtünme kayna÷Õ ile birleútirilmiú ve çekme dayanÕmÕ araútÕrÕlmÕútÕr. Görüldü÷ü gibi birleútirmelerde sürtünme süresi ve sürtünme basÕncÕnÕn arttÕkça çekme dayanÕmÕ da yükselmiútir. Ancak birleútirmelerin çekme dayanÕmÕ maksimum seviyeye [3] Chang S-Y, Ahn B-D, Hong S-K, Kamado S, Kojima Y, Shin DH (2005). Tensile deformation characteristics of a
ulaútÕktan sonra ÕsÕnÕn etkisiyle azalmÕútÕr. Küçük açÕ sÕnÕrlÕ alt taneler kayma bantlarÕnda oluúmuútur. MikroyapÕsal sonuçlardan da görülebilece÷i üzere tane boyutunun küçültülmesi sertlik ve mekanik özelliklerde belirgin bir artma göstermiútir. Çekme dayanÕmÕ ve sertli÷in artÕúÕ malzemenin EKAB yönteminin ilk geçiúinde maksimum noktaya ulaúmaktadÕr. Ancak 5083 Alüminyum parçalarda bir derece aúÕrÕ plastik deformasyon için maksimum sertlik kaynak yüzeyinden daha uzakta tespit edilmiútir. Bunun nedeni iúlem sonrasÕ yeniden kristalleúmenin etkisi olmaktadÕr.
TEùEKKÜR Yazarlar, bu çalÕúmadaki destekleri için Trakya Üniversitesi/Edirne ve HEMA Endüstri A.ù. Çerkezköy/Tekirda÷’a teúekkür ederler.
7. KAYNAKÇA [1] Segal VM, Reznikov VI, Drobyshevskiy AE, Kopylov VI (1981). Russian Metal.1:99. [2] Shin DH, Kim YS, Lavernia EJ (2001). Acta Mater. 49:2387. nano-structured 5083 Al alloy. Journal of Alloys and Compounds. 386:197–201. 234
[4] Chauhan M, Roy I, Mohamed FA (2005). Creep behavior in near-nanostructured Al 5083 alloy. Materials Science and Engineering A. 24–7:410–1. [5] Liu Z, Wang Z (1999). Finite-element analysis of the load of equal-cross-section lateral extrusion. J Mater Process Tech. 94:193–6. [6] Lee DN (2000). An Upper-bound solution of channel angular deformation. Scripta Mater. 43:115–8. [7] Horita Z, Fujinami T, Nemoto M, Langdon TG (2001). Improvement of mechanical properties for Al alloys using equal-channel angular pressing. J Mater Process Tech. 117:288–92. [8] Valiev RZ, Alexandrov IV, Zhu YT, Lowe TC (2002). Paradox of strength and ductility in metals processed by severe plastic deformation. J Mater Res January. 17(1):5–8. [9] Ivanisenko Y, Wunderlich RK, Valiev RZ, Fecht H-J (2003). Annealing behaviour of nanostructured carbon steel produced by severe plastic deformation. Scripta Mater. 47:947–52. [10] Alkorta J, Sevillano JG (2003). A comparison of FEM and upper-bound type analysis of equal-channel angular pressing (ECAP). J Mater Process Tech. 141:313–8. [11] Balasubramanian N, Langdon TG (2005). An analysis of superplastic flow after processing by ECAP. Materials Sci and Eng A. 410–1:476–9. [12] Kinley W (1979). Inertia Welding: Simple in Principle and Application. Weld and Met Fab October. 585–9. [13] Murti KGK, Sundaresan S (1983). Parameter Optimization in Friction Welding Dissimilar Materials. Met Const June. 15(6):331–5. [14] Akata HE, Sahin M (2003). An Investigation on The Effect of Dimensional Differences in Friction Welding of AISI 1040 Specimens. Industrial Lubrication & Tribology. 55(5): 223–32. [15] Sahin M, Akata HE (2003). Joining with Friction Welding of Plastically Deformed Steel. J Mater Process Tech. 142:239–46. [16] Sahin M, Akata HE (2004). An Experimental Study on Friction Welding of Medium Carbon and Austenitic Stainless Steel Components. Industrial Lubrication & Tribology. 56:122–9. [17] Sahin M (2005). Joining with Friction Welding of High-Speed Steel and Medium-Carbon Steel. J Mater Process Tech. 168:202–10. [18] Sahin M (2005). An Investigation into Joining of Austenitic-Stainless Steels (AISI 304) with Friction Welding. Assembly Automation. 25(2):140-5. [19] Sahin M (2004). Simulation of Friction Welding using A Developed Computer Program. J Mater Process Tech. 153–4:1011–8.
235
[20] Sahin M, Akata HE, Özel K (2008). An Experimental Study on Joining of Severe Plastic Deformed Aluminium Materials with Friction Welding Method, Materials & Design. 29(1):265-74. [21] ASM Metals Handbook 8th ed. Metals Park Ohio. ASM 1985;1. [22] ASM Metals Handbook 8th ed. Metals Park Ohio. ASM 1985;7.
ÖZGEÇMøù Mümin ùAHøN 1970 yÕlÕnda Tekirda÷ ‘da do÷du. ølk ve orta ö÷renimini burada tamamladÕ. 1989 yÕlÕnda girdi÷i Trakya Üniversitesi Mühendislik – MimarlÕk Fakültesi Makina Mühendisli÷i Bölümü ‘nden 1993 yÕlÕnda mezun olduktan sonra aynÕ yÕl Yüksek Lisans e÷itimine baúladÕ. 1994 yÕlÕnda AraútÕrma Görevlisi kadrosuna atandÕ. 1996 yÕlÕnda Doktora e÷itimine baúladÕ ve 1999 yÕlÕnda Ö÷retim Görevlisi oldu. Trakya Üniversitesi Mühendislik – MimarlÕk Fakültesi Makina Mühendisli÷i Bölümü’nde 2001 yÕlÕnda YardÕmcÕ Doçent ve 2006 yÕlÕnda Doçent oldu. Halen bu görevine devam etmektedir. Evli ve iki çocuk babasÕ olan Mümin ùAHøN øngilizce bilmektedir. 1977 yÕlÕnda østanbul da do÷an Derviú ÖZKAN ilk ve orta ö÷retimini østanbul da tamamladÕ. 1999 ve 2001 yÕllarÕnda Erciyes Üniversitesinde teknikerli÷ini bitirdikten sonra dil e÷itimi için Manchester da bulunan UMIST Üniversitesinin ELTC bölümünü bitirdikten sonra 2004 yÕlÕnda Yeditepe Üniversitesi Makine Mühendisli÷i bölümüne girmiú ve 2007 yÕlÕnda mezun olmuútur. Daha sonra Trakya Üniversitesinde, Makine Mühendisli÷inde, Yüksek LisansÕnÕ tamamlamÕú ve 2010 yÕlÕnda yine Trakya üniversitesinde DoktorasÕnÕ baúlamÕútÕr ve halende devam etmektedir. Birçok projede bulunmuú ve iyi derece Autocad (ECDL) bilen D.ÖZKAN iyi derecede de øngilizce bilmektedir. Cenk MISIRLI –1977 yÕlÕnda Edirne’de do÷du. ølk ve ortaö÷renimini Edirne’de tamamladÕ. 1995 yÕlÕnda girdi÷i Trakya Üniversitesi Mühendislik-MimarlÕk Fakültesi Makina Mühendisli÷i Bölümü’nden 1999 yÕlÕnda mezun oldu. AynÕ yÕl AraútÕrma Görevlisi olarak Trakya Üniversitesi Makina Mühendisli÷i Bölümü’nde çalÕúmaya baúladÕ. Trakya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makina Mühendisli÷i Anabilim DalÕnda baúladÕ÷Õ Yüksek Lisans e÷itimini 2002 yÕlÕnda, doktora e÷itimini ise 2006 yÕlÕnda tamamladÕ. 2007 yÕlÕnda YardÕmcÕ Doçent kadrosuna atanan Cenk MISIRLI halen bu görevini sürdürmektedir. Cenk MISIRLI bekar olup øngilizce bilmektedir.
TAVLAMA ùARTLARININ CAM ÜRÜN ÖZELLøKLERøNE ETKøSøNøN øNCELENMESø Cemal Meran1, Sidem Kaner2 1
Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisli÷i Bölümü, Denizli Tel.:258 296 31 50 E-posta:
[email protected] 2 Pamukkale Üniversitesi Honaz Meslek Yüksek Okulu, Denizli Tel.:258 811 50 70 E-posta:
[email protected]
Özet Cam, günümüz teknolojisinin getirdi÷i yenilikler ile modern görüntüsüyle bütünleúmiú önemli bir malzemedir. Uzun yllardr kendisine bir çok kullanm alan bulmuútur. ønúaat sektöründen mimariye, savunma sanayinden ev eúyas grubuna kadar bir çok alanda kullanlmaktadr. Geniú kullanm a÷, kullanm kolayl÷ her geçen gün cam üzerine uygulanabilecek yöntemlerde geliúmelere yönelik çalúmalar sa÷lamaktadr. Yaplan bu çalúmada; el imalat cam mamülleri üzerinde üretim srasnda ve sonrasnda belirlenen zaman ve scaklklarda tavlama iúlemleri yaplarak iç gerilimlerdeki de÷iúimler incelenmiútir. Tavlama öncesi ve sonras gerilim durumlar farkl koúullarda giderilme iúlemlerine tabi tutulmuútur. Üretimde oluúan gerilme giderme yöntemleri srasnda optimum durumun oluúma úartlar incelenmiútir. Deneysel çalúmada numunelerin tavlama öncesi ve sonras durumlar karúlaútrmal olarak de÷erlendirilmiútir. Anahtar kelimeler: Cam, Tavlama, El imalat, Üretim
1. GøRøù Cam hayatmzn birçok alannda önemini her geçen gün arttrmaktadr. Cam, ev eúyasndan inúaat sektörüne, gda sanayinden otomobil sektörüne, tp alanndan dekoratif ve sanatsal birçok alana kadar her aúamada yaygn olarak kullanlan bir malzemedir. Silika camlar üzerine yaplan araútrmada s ile etkileúim srasnda silika camnn su içermesinden dolay gerilmelerin meydana geldi÷i saptanmútr [1]. Metalik özellikteki kütlesel camn üfleme yöntemi ile úekillendirilmesi üzerine yaplan çalúmada, metalik özellikte olan metalik camn üfleme tekni÷i ile úekillendirmeye uygun oldu÷u tespit edilmiútir [2]. Cam úekillendirme prosesi süresince oluúan s akúnn matematiksel hesab üzerine yaplan çalúmada farkl modellerde cam ile temas halindeki iç ve dú yüzey scaklklar arasndaki s akú hesaplanmútr [3]. Guignard tarafndan yaplan bir çalúmada camn gerilim-optik tepkisinin oluúumunu ve oluúan sonuçlar incelemiútir [4]. Avramov yapmú oldu÷u bir çalúmada kristalizasyon kineti÷inin iç gerilme enerjisi üzerindeki rolünü incelemiútir [5]. Zuberek ve arkadaúlar yapmú olduklar çalúmada ferromanyetik rezonans araútrma sonuçlarna ba÷l olarak amorf cam kapl mikro tellerin farkl iç gerilmeleri incelemiútir. Çalúmada cam yüzeyine yerleútirilen teller manyetik bir bölge oluúturmuúlardr. øç gerilim bu úekilde farkllklar göstermiútir 237
[6]. Laws ve arkadaúlar yaptklar çalúmada dökme demirden yaplan kalplardaki cam üretiminin parametrelere etkisini araútrdlar. Poutos ve arkadaúlar yapmú olduklar çalúmada cam ile çimento arasnda baz kimyasallarn de÷iúimi ile çimentodan yaplan beton üzerinde nasl scaklk de÷iúimleri olabilece÷ini incelemiúlerdir. Bununla beraber dayanm de÷erleri karúlaútrlmútr [7]. Literatür araútrmalarndan da anlaúlaca÷ gibi yaplan çalúmalarn birço÷u yapdaki de÷iúimleri, içyapnn oluúturdu÷u etkinin gözlenmesini, teorik ve buna ba÷l deneysel sonuçlarn irdelenmesini ve hammaddedeki de÷iúimlerin oluúturdu÷u sonuçlar içermektedir. Tavlama iúlemi, cam içerisinde oluúan iç gerilme hatalarnn giderilmesi için kullanlan ve günümüzde en yaygn cam hatas olarak da bilinen gerilme durumunun giderilmesini sa÷layan bir yöntemdir. Tavlama iúlemi ile ilgili cam üzerinde birçok farkl uygulama vardr. Cam, scak ve akúkan oldu÷unda úekillendirilir, ancak so÷uk ve sert oldu÷unda kullanlr. Camn, úekillendirme scakl÷ndan oda scakl÷na so÷umas gerekmektedir. Cam mamullerin ço÷u, önceden özel önlemler alnmakszn so÷umaya braklrsa, hemen veya daha sonra kesilme ya da dekorlama gibi iúlemler srasnda hatta kullanm srasnda krlr. Krlmann nedeni, camn içinde bulunan iç gerilmelerdir. Camn kullanm süresini uzatmak için bu iç gerilmelerin giderilmesi gerekmektedir. Bundan dolay úekillendirme sonrasnda cam tavlama iúlemine tabi tutarz. Oksit camlarnn termal genleúmesi katsays TiO2 – SiO2 camlar için yaklaúk sfr de÷erinden 200x10-7 qC-1 de÷erine kadar de÷iúir. Bu çalúmada kullanlan silika camnda genleúme katsays 5,5x10-7 qC-1 dir. Silikaya di÷er oksitlerin ilavesi ile elde edilen silikat camlarnn termal genleúme katsays 125x10-7 qC-1’e kadar arttrlabilir. Cam, gerek üretim, gerekse kullanm aúamasnda ani so÷umaya veya snmaya maruz kalr. Bu durum malzeme içinde scaklk de÷iúimlerine ve sonuç olarak da iç gerilme oluúmasna neden olur. Özellikle scaklk de÷iúimlerinin cam yüzeyinde çekme gerilmesine neden olmas durumunda sl gerilme camn çatlamasna neden olabilir. Bu nedenle oluúabilecek gerilmenin hesaplanabilmesi ve kontrol kriterlerinin saptanmas gerekmektedir. Örne÷in; T0 scakl÷nda eúsel scakl÷a ulaúmú bir cam levhann her iki yüzeyinden hzla T1 scakl÷na so÷utuldu÷unu düúünürsek, yüzey hzla so÷urken iç ksm hala scak kalaca÷ için yüzeylerde, yüzeye paralel çekme gerilmesi oluúacaktr. Bu gerilme,
ı = E Į (T0-T1) / (l-Ȟ)
(1)
úeklinde ifade edilebilir. Eúitlikte E, elastisite modülü, Į, termal genleúme katsays ve Ȟ, poisson orandr. Silika cam için bu fiziksel özelliklerinin de÷eri; E = 0,6 x 1011 N/m2, Į = 5,5x10-7 qC-1 ve Ȟ = 0,23 dür. Yüzey scakl÷nda 100 qC’lk ani bir düúüú; yüzeyde yaklaúk 429 N/m2’lik bir çekme gerilmesine neden olur, bu da camn iç gerilmeden dolay çatlamas için yeterli olur. Bir elastik katnn içindeki scaklk de÷iúimi bilindi÷i taktirde, iç yapda oluúacak gerilme da÷lmn hesaplamak mümkündür. Bir cam levhann, eú bir baúlangç scakl÷ndan düzenli olarak S hz ile so÷utuldu÷unu ve so÷umann her iki yüzeyde de simetrik gerçekleúti÷i varsaylrsa, so÷umann herhangi bir anndaki scaklk da÷lm denklemleri [2], [3]’de verilmiútir. Bu durumda merkez düzlemdeki gerilme(X= 0), ım = - E Į S.L2 / 24 (1-Ȟ) a
(2)
ve levhann iki yüzeyindeki gerilme ( X= ±L/2); ıs=+ E Į S.L2 / 12 (1-Ȟ) a
(3)
olarak hesaplanabilir. Eúitliklerde, a camn termal da÷lm, L ise cam levhann kalnl÷dr. Gerilme; yüzeyde pozitif çekme, merkezde ise negatif bask, úeklindedir. Genel olarak stma srasnda bask gerilmesi objenin en scak noktasnda, çekme gerilmesi ise en so÷uk noktasnda oluúur, so÷utma srasnda ise; kalc çekme gerilmesi en yüksek scaklkta tutulan noktalarda bask gerilmesi de en hzl so÷uyan bölgelerde ortaya çkar [8]. Dönüúüm bölgesinin üstündeki bir scaklktan so÷utulan bir camda gerilme oluúur. E÷er kontrol edilmez ise bu gerilme cam eúyann çatlayp parçalanmasna neden olabilir. Dolaysyla üretim sonras so÷utmann kontrollü yaplmas ve camn tavlama iúleminden geçirilmesi önemlidir. Scaklktaki de÷iúime ba÷l olarak camda geçici ve kalc olmak üzere iki tip gerilme oluúur. Gerilmeye neden olan scaklk farkll÷ sürdü÷ü sürece devam eden ancak scaklk fark ortadan kalkt÷ zaman kaybolan gerilme geçici gerilme, scaklk farknn yok olmasna ra÷men varl÷n sürdüren gerilme ise, kalc gerilme olarak ifade edilir. Kalc gerilme, genellikle dú yüzeyde bas, iç yüzeyde ise çeki úeklinde ortaya çkar. So÷uma srasnda viskoz akmann mümkün oldu÷u, so÷umann ilk aúamasndaki scaklklarda oluúan gerilme, geçici nitelikte olup tersinir olarak adlandrlr. Genel olarak bir cam blok içinde kalan gerilme, viskoz akma ile rahatlayan bu tersinir gerilme eúit fakat ters iúaretlidir. Kalc gerilme, so÷umann hz ile artar. Ayn so÷utma hz için, baúlangç scakl÷ ile referans scakl÷ arasndaki fark arttkça kalc gerilme miktar da artar. Kalc gerilme ayn so÷uma hz için, kalnl÷n artmas ile kalnl÷n karesini aúan bir oranda artar.
238
Tavlama scakl÷nn üstündeki scaklklarda camda herhangi bir gerilme oluúmaz, viskoz akma ile yok olur. So÷utmann, viskozitenin yeteri kadar yüksek oldu÷u bir noktadan baúlamas durumunda ise, gerilme tamamen giderilemeyebilir. Bu durumda yüzeyde düúük çekme gerilmesine karúlk merkezde bunu dengeleyecek bask gerilmesi ortaya çkabilir [9]. Scaklk–zaman plannda camn scakl÷ bütün kesit boyunca gerilme noktasnn altna düútü÷ü zaman, so÷utma hz, iúlem tamamlandktan sonra cam içinde mevcut gerilme seviyesini etkilemeden arttrlabilir. Elastik katlarda scaklk farkll÷ndan kaynaklanan bir gerilme, söz konusu scaklk fark ortadan kalkt÷ zaman yok olur. Kalc gerilme sadece tavlama bölgesindeki so÷utma hzlarnca belirlenir. Camda mevcut gerilmenin ölçülmesi ve tavlama iúleminin yeterli olup olmad÷nn tespiti oldukça kolaydr. Geleneksel olarak kullanlan ölçüm metodu, gerilmenin cam içinden geçen polarize ú÷n hz üzerindeki etkisine yani foto-elastite olayna dayanr. Düzlemsel olarak polarize olmuú bir úk dalgasnn, gerilme altndaki bir cam içindeki ilerleme hz, gerilmenin yönüne göre, ú÷n polarize olma yönüne ba÷ldr. Genel olarak herhangi bir düzlemde polarize olmuú bir úk dalgas, cama girdi÷i zaman biri gerilme yönünde di÷eri de ona dik istikamette, düzlemsel olarak polarize olmuú iki bileúene ayrlr. Bileúenlerin cam içindeki hzlar farkldr. Bu nedenle camdan çktklar zaman aralarnda bir faz fark oluúur. øki dalga arasnda, úk úiddetinde de÷iúime neden olacak veya beyaz úk kullanlmú ise renk oluúturarak fark ölçülebilir. Bu, cam içindeki gerilmenin seviyesini gösterir, çünkü faz fark bunu do÷uran gerilmeyle orantldr [10]. Cam üretimi özellikle kalitenin her geçen gün arttrlmaya çalúld÷ bir alandr. Çalúmadaki temel amaç da seçilecek baz cam ürünler üzerinde üretim aúamalarnn irdelenmesi, oluúan problemlerin giderilme yöntemlerinin incelenmesi, en sk karúlaúlan kalite sorunlarnn giderilmesi için neler yaplabilece÷ine dair yakn takip ile çalúmalar yaplp sorgulanmas ve oluúturulabilecek üretim ve sonrasndaki de÷iúimlerin ürünlerdeki problemlerde ne gibi de÷iúimler oluúturdu÷unun gözlenmesiyle gerçekleútirilmiútir. Detayl olarak yaplan çalúmada öncelikle çalúma koúullar, buna ba÷l olarak oluúan üretim ve teknik nedenli hatalar incelenmiútir. Yaplan açklamalara ba÷l olarak yaplan tespitler do÷rultusunda düzenlemelerin neler olabilece÷i gözlemlenmiútir. Yaplan bir takm düzenleme sonrasnda oluúacak sonuçlar tekrar irdelenerek optimum üretim ile minimum hata oran sa÷lanmaya çalúlmútr. Üretimi yaplmú olan mamuller özel el imalat cam kullanlarak yani daha kaliteli, scak ve buna ba÷l olarak akúkan bir cam ile yaplmútr. Camn scak olmasna karún yeterli akúkanlkta olmamasndan kaynakl olarak úekillendirme srasnda oluúabilen hatalar incelenmiútir. Kaln cidar ve ince cidar da÷lml mamullerde so÷utmaya ve tavlamaya ba÷l olarak oluúan iç gerilmenin giderilmesi için gerekli zaman ve scaklklar tespit edilmeye çalúlmútr.
Çalúmada üretim kademelerine etki eden faktörler altnda, frn scaklklarnda ve ürün bekletme sürelerindeki de÷iúimlerle deneysel çalúmalar yaplmútr. Hem farkl cidar kalnlklarna ait ürünler hem de farkl renklerdeki ürünlerin gösterece÷i gerilme de÷erleri irdelenerek, çözüm önerilerinde bulunulmuútur.
de÷iútirdi÷i tespit belirlenmiútir.
edilerek,
optimum
de÷erleri
2. MATERYAL VE METOD Deneysel çalúmada ùiúe Cam grubuna ait Denizli Cam Sanayi ve Tic. A.ù’de üretilmiú olan cam ürünler kullanlmútr. Üretimi yaptrlan ürünler yine iúletme içerisindeki mevcut iki çeúit tavlama frn içerisinde farkl koúullarda tavlama iúlemine tabi tutulmuútur. Tavlama iúlemleri sonucunda mevcut sonuçlarn irdelenmesi için iç gerilme gösterimi ve ölçümü yapan polariskop ad verilen özel UV ún kontrol cihaz kullanlmútr. ølk tavlama frn ‘So÷utma Sonu Frn’ olarak adlandrlp, 10 metre uzunlu÷undadr. So÷utma sonu frnlar mamul üretiminin hemen ardndan iç gerilme oluúumunu engellemek için, mamule uygun scaklk düzene÷inin sa÷land÷ frnlardr. Üretimi biten mamul için scaklk iç gerilmenin oluúmamas için çok önemlidir. Mamulün ani so÷umadan korunmas gerekmektedir. Aksi taktirde oluúacak iç gerilme, mamulün bir süre sonra çatlamasna sebep olur. Bunun için de üretimi biten mamul için hemen arkasndan yavaú olarak ürün cidar kalnl÷na göre 5 ile 8 saat arasnda süren bir periyotta mamul so÷utma iúlemi tamamlanr. So÷utma sonu frnlar 4 farkl bölgelerden oluúmaktadr. Frn içerisinde mamulün ilk olarak koyuldu÷unda frn baúlangç scakl÷ 500 o C’dir. Frnn di÷er ucuna konveyor bant üzerinde gitmesi srasnda mamulün ve frnn scakl÷ yavaú bir hzda düúer ve frnn di÷er ucundan çkan mamul 25 oC yani oda scakl÷na ulaúmú durumdadr. økinci tavlama frn ‘Karkez’ frn olarak adlandrlmaktadr. Karkez frnlar genellikle so÷utma sonu frn içerisinde iç gerilmesi giderilememiú kaln cidarl mamuller için tekrar tavlama iúlemi yaplan bir frn türüdür. Burada da farkl scaklk ve zamanlama ayarlar yine mamul boyutlarna göre yaplabilir. Polariskop altnda incelemesi yaplan mamul için gerilme de÷erlerine göre frn scakl÷ ayarlanr ve ortalama gerilme giderme süresi belirlenir. Bu süre ve scaklkta gerilme giderme iúlemi gerçekleútirilir. Karkez frnlar genellikle so÷utma sonu frn içerisinde iç gerilmesi giderilememiú kaln cidarl mamuller için tekrar tavlama iúlemi yaplan bir frn türüdür. Burada da farkl scaklk ve zamanlama ayarlar yine mamul boyutlarna göre yaplabilir. Polariskop altnda incelemesi yaplan mamul için gerilme de÷erlerine göre frn scakl÷ ayarlanr ve ortalama gerilme giderme süresi belirlenir. Bu süre ve scaklkta gerilme giderme iúlemi gerçekleútirilir. 1. grup deneylerde cidar kalnl÷ 10 mm olan mamuller tavlama scakl÷ 400 qC olarak karkez frnnda sabit tutulup tavlama süreleri 6-12-24 ve 48 saat olacak úekilde de÷iútirilmiútir, ùekil 1a. 2. grup deneylerde ise tavlama süresi 24 saat olarak sabit tutulup tavlama scaklklar 350 qC, 400 qC, 450 qC, 500 qC olacak úekilde de÷iútirilmiútir, ùekil 1b. Böylece cam ürünün tavlama scakl÷ ve süresinin ürün üzerindeki iç gerilmeyi ne ölçüde 239
ùekil 1: Farkl süre (a) ve scaklklarda (b) tavlanan deney numuneleri [11]
Deney numuneleri üzerinde yaplan çalúma öncesinde ve yaplan tavlama sonrasnda iç gerilmeler polariskop altnda incelenmiútir. Deneyler srasnda kullanlan tüm cam mamullerin kimyasal bileúimleri sabit tutulmuútur, Tablo 1. Deneylerdeki tüm numuneler standart sade renkte alnmútr. Tablo 1: El imalat camn kimyasal içeri÷i [11] Kimyasal SiO2 Na2O K2O CaO BaO B2O3 Er2O3 CoO Sb2O3 Tanm (%) 69 9 9 9 1,25 0,85 0,75 0,75 0,04
3.
DENEYSEL ÇALIùMALAR
Deneylerde kullanlan tüm cam ürünlerde aúa÷daki üretim koúullar sabit tutulmuútur. x x
x
Üretim için kullanlan sv camn scakl÷nn 13001400 qC arasnda sabit kalmas sa÷lanmútr. Üretimi yaplan mamul için kullanlan kalp, mamulün úekillendirilmesi srasnda yüzey kalitesinde bir problem oluúturmamas için 150-200 qC scakl÷a kadar stlmútr. Mamulün kalp içerisindeki úekillendirme iúleminin bitiúi ile so÷utma sonu frnlarna verilmesi arasndaki sürenin 2 dakikadan fazla olmayacak úekilde korunmas sa÷lanmútr.
3.1. Tavlama Süresinin Etkisi Bu deneylerde kullanlan numuneler cidar kalnlklar 10 mm ve dip kalnlklar minimum 25mm olan ayn kaliteye sahip cam mamullerdir. Tavlama iúlemine tabi tutulmadan önce uygun tavlama süresinin tespit edilece÷i numunelerin polariskop altndaki iç gerilme de÷erleri tespit edilmiútir. Tavlama scakl÷ 400 qC sabit tutulmak üzere 6 h, 12h, 24h ve 36h olmak üzere 4 farkl tavlama süresinde numuneler tavlamaya tabi tutulmuútur.
Gerilmesiz bölge
Gerilmeli bölge
82,50 2 N/m
a
ùekil 3: 400 qC’de farkl tavlama sürelerinde tavlama öncesi ve sonras tavlama süresine ba÷l ortalama iç gerilme de÷erleri [11]
400 qC sabit scaklkta ve farkl tavlama sürelerinde yaplan deneylerde tavlama sonras 6 h tavlamada iç gerilme de÷erinde yaklaúk % 36, 12 h tavlama da %45, 24 h tavlama da %62 ve 48 h tavlama da ise tavlama öncesine göre %60’lk bir düúüú yaúand÷ görülmektedir, ùekil 3. 400 qC’de farkl sürelerde yaplan tavlamalarda en düúük iç gerilme 24 h tavlama sonrasnda 31,36 MPa olarak tespit edilmiútir. Uygun tavlama süresinin tespiti için yaplan deneyde en az iç gerilme 24h’lik tavlama süresinde elde edildi÷i için uygun tavlama scakl÷nn tespiti deneylerinde tavlama süresi 24h olarak sabit alnmútr, ùekil 3.
53,90 2 N/m
b
ùekil 2: 400 qC’de 6 tavlama süresinde tutulan deney numunelerinin tavlama öncesi (a) ve tavlama sonras (b) polariskopta iç gerilme da÷lm ve hesaplanan de÷erler [11]
Tavlama öncesinde krmz ve sar olarak görülen bölgeler iç gerilmenin oluútu÷u bölgelerdir. Yeúil ve mavi olarak görülen alanlar ise iç gerilme olmayan bölgelerdir. Tavlama sonrasnda ise her numune için fakllklar görünse de gerçek anlamda gerilmenin giderildi÷i görülebilmektedir. Tavlama öncesinde krmz ve sar görülen bölgeler tavlama sonrasnda renk de÷iútirmiútir. Yani renk de÷iútiren bölgeler mavi ve yeúile dönmüútür. Buradan görülen iç gerilmenin belli oranlarda giderilmiú oldu÷u anlaúlmaktadr. Beúer farkl tavlama sürelerinde 400 qC olmak üzere scaklkta tavlanan numunelerin polariskop üzerinde tavlama öncesinde ve sonrasnda okunan iç gerilme de÷erleri ùekil 3’de verilmiútir.
240
1 grup deneylerde kullanlan numuneler için Uluslararas Cam Teknolojileri Laboratuar, AQL kalite de÷erlerine göre mevcut a÷rlk ve çaptaki ürünlere uygun olan gerilme de÷erini tavlama öncesi 75-95 N/m2 arasnda olarak belirlemiútir. Deneylerde kullanlan numunelerin tavlama öncesi bulundurdu÷u iç gerilme de÷erlerinde mevcut a÷rlklarnn farkllklarndan ve üretim srasndaki so÷uma hzna ba÷l olarak ortaya çkan farkllklar göstermektedir. Fakat bu de÷erler standartlar içerisinde kabul edilmektedir. 3.2. Tavlama Scakl÷nn Etkisi Tavlama scakl÷nn iç gerilmeyi azaltma yönündeki etkisini tespit edebilmek ve 24 h’lik tavlama süresinde optimum tavlama scakl÷n tespit etmek amacyla bir dizi deneyler yaplmútr. Bu amaçla ayn fiziksel ve kimyasal özelli÷e sahip 20 adet mamul 350 qC, 400 qC, 450 qC, 500 qC scaklklarda 24h’lik tavlama iúlemine tabi tutulmuútur. 24h tavlama süresinde ve 350 qC’de tavlanan deney numunesinin tavlama öncesi ve sonras polariskopta iç gerilme da÷lm ve hesaplanan de÷erler ùekil 4’de verilmiútir. Tavlama öncesi 83,70 MPa olan iç gerilme de÷eri 350 qC 24 h tavlannca 60,45 MPa’a gerilemiútir.
Gerilmesiz bölge
Gerilmeli bölge
83,70 2 N/m
a
ùekil 5: 24h farkl tavlama scaklklarnda tutulan deney numunelerinin tavlama öncesi ve sonras tavlama süresine ba÷l ortalama iç gerilme de÷erleri [11]
Bu çalúmada el imalat olarak üretimi yaplan ayn boyutlardaki ve kimyasal bileúimdeki cam mamullerin iç gerilmeleri üzerine tavlama süresi ve scakl÷nn etkileri incelenmiútir. Cam mamuller için gerilme durumunun tespitinde polariskop görüntülerin analizinden yararlanlmútr. 60,45 2 N/m
Cidar kalnl÷ 10mm, dip kalnl÷ 25mm olan cam mamul için 400 qC yaplan tavlama da en düúük iç gerilme 24 h beklemede elde edilmiútir.
b ùekil 4: 24h tavlama süresinde ve 350 qC’de tavlanan deney numunesinin tavlama öncesi (a) ve tavlama sonras (b) polariskopta iç gerilme da÷lm ve hesaplanan de÷erler [11]
24 h süre için farkl tavlama scaklklarnda yaplan deneylerde tavlama sonras 350 qC’de yaplan tavlamada gerilme de÷erinde yaklaúk % 30, 400 qC’de yaplan tavlamada gerilme de÷erinde yaklaúk % 43, 450 qC’de yaplan tavlamada gerilme de÷erinde yaklaúk % 58 ve 500 qC’de yaplan tavlamada ise tavlama öncesine göre gerilme de÷erinde yaklaúk % 50’lik bir düúüú görülmektedir, ùekil 5. 24 h süre için farkl tavlama scaklklarnda yaplan tavlamalarda en düúük iç gerilme 450 C’de yaplan tavlama da 36,07 MPa olarak tespit edilmiútir, ùekil 5. ùekil 5’den görülece÷i üzere 24 h tavlama süresi için en az iç gerilim 450 qC’de 36,07 MPa olarak tespit edilmiútir.
4. SONUÇLAR Cam ürünlerin üretimi esnasnda ürün içerisinde önemli miktarda iç gerilme kalmakta olup bu gerilmelerin uygun tavlama scaklk ve sürelerinde azaltlmas gerekir. Ürünün baúta cidar ve dip kalnl÷ olmak üzere boyutlar, kimyasal bileúimi, a÷rl÷, rengi ve so÷utma ortam tavlama öncesi ortaya çkan iç gerilmeleri oluúturan en önemli faktörlerdendir. 241
Cidar kalnl÷ 10mm, dip kalnl÷ 25mm olan cam mamul için sabit 24h yaplan tavlama da en düúük iç gerilme 450 qC tavlama scakl÷nda elde edilmiútir. Bu de÷erler ayn zamanda optimum de÷erler olarak belirlenmiútir.
5. KAYNAKÇA [1] Leea, J.W., Tomozowa, M. and MacCronea, R.K. (2007) Building Science, V10, Northend Ltd. 72s. [2] Schroersa, J., Pekerb, A. and Patonb, N. (2007) Rationales In Old World Base Glass Compositions, Ceramics International, 34: 1145-1152. [3] Huff, N.T., Shetterly, D.M. and Hibbits, L.C. (2003) Glass to Metal Heat Flow During Glass Container Forming, Journal of Non-Crystalline Solids, 2(38-39): 873-878. [4] Guignard, M., Werner, U., and Zwanziger, J.W. (2007) Glass Former-GlassModifier Interactions and the StressOptic Response, Journal of Non-Crystalline Solids, 354(29): 79-83. [5] Avramov, I. (2007) The Role of Stress Development and Relaxtion on Crystal growth in Glass, Journal of NonCrystalline Solids, 353: 218-220. [6] Zuberek, R., Szymczak, H. and Gutowski, M. (2007) Internal Stress Influence On Fmr In Amorphous GlassCoated Microwires, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 316: 890-892. [7] Poutos, K.H., Alani, A.M., Walen P.J. and Sangha, C.M. (2006) Relative Temperature Changes Within
Concrete Made With Recycled Glass Aggregate, Construction and Building Materials, 22(4): 557-565. [8] Kocaba÷, D. (2002) Cam Kimyas, Özellikleri, Uygulamas, Birsen Yaynevi, østanbul, 417s. [9] Persson, H.R. (1983) Glass Technology, Manufacturing and Proporties, Cheong Moon Gak Publ.Co., Seoul-Korea, 25-27s.
242
[10] La Course, W.C. (1972) The Strength of Glass in Introduction to Glass Science, Plenum Pres., London, 451512s. [11] Sidem Küçükodac, Cam Ürün Üretim Aúamalarnn ve Ürün Özelliklerine Etki Eden Faktörlerin øncelenmesi, Pamukkale Üniversitesi, Temmuz 2008 (Tez Danúman: Doç.Dr. Cemal Meran)
GGG 50 ve 60 SERİSİ KÜRESEL GRAFİTLİ DÖKME DEMİR MALZEMELERDE KESİT KALINLIĞININ MEKANİK ÖZELİKLERE ETKİSİ Serhan Karaman1, Cem S. Çeitnarslan2 Trakya Üniversitesi Müh. Mim. Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü 22180 Edirne Türkiye E-posta:
[email protected] Özet Dökme demir, dökümde akıcılık, korozyon dayanımı, titreşim sönümleme kabiliyeti, talaşlı işlenebilirlik ve iyi aşınma dayanımı özellikleriyle endüstriyel üretimde geniş kullanım alanına sahip bir dökme metal malzemedir. Dökme demirler ailesi içinde küresel grafitli dökme (sfero, nodüler) demirler daha üstün özelliklere sahiptirler. Kimyasal ve fiziksel özellikler açısından diğer dökme demirlere, mekanik özellikler açısından da çeliklere benzeyen küresel grafitli dökme demirler, çeliğe göre düşük maliyetli olduklarından yaygın kullanılan mühendislik malzemelerindendir. GGG50 ve GGG60 serisi küresel grafitli dökme demirler bu yaygın kullanılan grup içerisinde önemli bir yer teşkil ederler ve endüstride çokça kullanılırlar. Bu çalışmada GGG50 ve GGG60 malzemelerin döküm kesit kalınlıklarına göre mekanik özelliklerinin (bilhassa sertlik ve çekme özellikleri) değişimi incelenmiştir. Malzemenin üretiminde kum kalıba döküm yöntemi kullanılmıştır. Çekme numuneleri de bu yöntemle üretilmiş olan çubuklardan talaşlı işlemeyle elde edilmiştir.
az miktarda ilâvesi ile gerçekleştirilir. [6] Her aşamanın önemli olduğu üretim prosesinde en kontrollü yapılması gereken ilk ve en önemli aşama şüphesiz döküm prosesidir. Bu prosesin gerek harmanlama gerekse aşılama çeşitliliğinin doğurduğu değişik sonuçlar hakkında birçok çalışmalar yapılmıştır[7-10]. Bunlar içerisinde en kullanışlı görülen aralıklar bugün sanayimizde kullanılmaktadırlar. Bu çalışmada, üretimde bulunan fabrikada GGG50 ve GGG60 için kullanılan belirli harmandan, sıcaklık ve diğer parametreler süregeldiği üzere olmak kaydıyla, birbirine yakın farklı çaplara yapılan döküm sonucunda elde edilen numunelere çekme ve sertlik deneyleri yapılmıştır.
2. DENEYSEL PROSEDÜR 2.1. Deney Numunelerini Hazırlanması GGG50 ile GGG60 malzemelerinden döküm yolu ile üretilen deney numuneleri; 20/25/30 mm olmak üzere üç farklı çapta ve 225 mm boyunda olup, kimyasal içerikleri Tablo 1 ve Tablo 2 de verildiği gibidir. Tablo 1. GGG50 Malzemeden Üretilen Numunelerin Kimyasal Bileşimi
Anahtar sözcükler: GGG 50; GGG 60; küresel grafitli dökme demir; döküm; çekme; sertlik
%C
%Si
%Mn
%P
1. GİRİŞ
3.64
2.75
0.16
0.031
Günümüzün sürekli ilerleyen teknolojisinde, klasik yöntemler de dahil olmak üzere, üretim prosesindeki ürün eldesinde kalitenin sürekli artışı beklenmektedir. Bu beklentinin karşılanabilmesi hatasız üretime olabildiğince yaklaşmaya çalışmakla mümkündür. Bunu sağlamak her geçen gün daha da zor olmaya başlamıştır. Zira her yeni üretimde artık daha da dar tolerans aralıklarına uymak gerekmektedir. Bu durumda da ağır sanayinin can damarı olan metal malzemelerin istenilen mühendislik özelliklerini sağlamasının yanı sıra, olabildiğince yüksek performanslara ulaşması gerekmektedir.
%S
%Cr
%Cu
%Mg
0.004
0.022
0.023
0.028
Dökme demirler, dökümde akıcılık, korozyon dayanımı, titreşim sönümleme kabiliyeti, talaşlı işlenebilirlik ve iyi aşınma dayanımı özellikleriyle endüstriyel üretimde geniş kullanım alanına sahiptirler.[1]. Özellikle küresel grafitli dökme demirler üstün mekanik özellikleri nedeniyle otomotiv endüstrisi ve benzer sektörlerde yaygın kullanılan alaşımlardır [2-3-4] . Grafitin küresel biçimi en küçük yüzey/hacim oranını ve dolayısla en büyük taşıyıcı kesiti sağlar [5]. Küresel grafitli dökme demir adını ihtiva ettiği grafitlerin küreler halinde bulunuşundan alır. Bu durum sıvı kır dökme demire Mg veya Ce metal veya alaşımlarının pek
Tablo 2. GGG60 Malzemeden Üretilen Numunelerin Kimyasal Bileşimi %C
%Si
%Mn
%P
3.52
2.53
0.27
0.032
%S
%Cr
%Cu
%Mg
0.002
0.025
0.024
0.031
Farklı çaplarda ve 225 mm boyundaki çubuk şeklinde elde edilen deney numunelerinin tümü X-ray cihazından geçirilerek, en uygun kısımları belirlendikten sonra bu bölgelerden, sertlik testi için kesilerek 20 mm uzunlunda silindir şeklinde sertlik testi numuneleri ve çekme testi için de tornada talaşlı işlemeyle 58 243
mm boyunda ve DIN 50 125 standartlarına uygun çekme testi numuneleri (Şekil 1.) elde edilmiştir.
(Şekil 3, 4) . Bunlardan biri σ(F)-ε diyagramı olmak üzere; diğeri ise σmax noktasındaki uzaması (mm), deformasyon miktarı (%), yükü(KN), gerilmesi (MPa), kopma uzaması(%), kopmadaki yük(KN), kopmadaki gerilme (MPa); %0.2’lik akmadaki uzama(mm), deformasyon miktarı (%),yük(KN), gerilme (σa) (MPa), Young modülü(MPa), akma enerjisi(J), kopma enerjisi(J), kopmadaki plastik deformasyon(%) sonuçlarının görülebildiği bir çekme test sonuç dokümanıdır (çıktısıdır).
Şekil 1. Çekme test numunesi
Sertlik testinde numune yüzeyinden en iyi sonucun alınabilmesi için yüzeye farklı numaralı zımparalarla (farklı tane boyutlarında) yüzey zımparalama işlemi yapılmış ve ardından parlatma işlemiyle deney numunemiz sertlik testine hazır hala getirilmiştir(Şekil 2). Uygulanan zımpara numaraları ve parlatma sıvısı özellikleri ve aşamaları, Tablo 3’te verildiği gibidir. Şekil 3. σ(F)-ε diyagramı
Tablo 3. Sertlik testi için numune yüzeyine uygulanan işlemler. İşlem sırası Zımpara numarası Elmas süspansiyonu
1.
2.
3.
4.
180
320
600
1000
6 mikron
1 mikron
Şekil 4. Çekme test sonuç dokümanı (çıktısı)
2.2.2 Sertlik Testi Sertlik testi için Brinell testi seçilmiştir.[11-12-13] Yüzeyi zımparalanmış ve parlatılmış sertlik testi numuneleri, sertlik testinin yapılacağı cihaza, plaka yüzeyine paralel ve esnemeye imkan vermeyecek bir şekilde yerleştirilmiştir. Deney izlerinin birbirinden ve parçanın kenarından yeterli uzaklıkta olması test cihazının optik kontrolü ile sağlanmıştır. Sertlik test cihazında, deney numunesi üzerine batırılacak uca 5mm çapında Tungsten karbür bilye takılarak, deney numunesi üzerine 750kgf deney yükü uygulanmıştır. Bu şekilde GGG50 ve 60 malzemelerden olan ve 20/25/30 mm olmak üzere üç farklı çapta dökülen çubuklardan elde edilen numunelerin her birinden, şekil 5’te görüldü üzere merkezden ve diğer belirlenen bölgelerden sertlik testi sonuçları alınmıştır.
Şekil 2. Yüzeyi parlatılmış sertlik test numunesi
2.2. DENEYLERİN YAPILIŞI 2.2.1. Çekme Testi Çekme testleri için Instron üniversal test cihazı kullanılmıştır. [2] Çekme testine uygun olarak hazırlanmış, çapı 5mm ve boyu 58 mm olan, GGG50 ve 60 malzemelerinden farklı çaplarda dökülmüş çubuklardan elde edilen çekme numunelerinin her biri sabit sıcaklık ve çekme hızında çekme testine tabi tutulmuşlardır. Yapılan çekme testlerinde iki farklı formatta sonuçlar alınmıştır. 244
GGG 60
σmax(MPa)
900 850 800 750 700 650 600 550 500 15
20
25
30
35
Çap (mm)
Şekil 5. Farklı çaplardaki sertlik test numunelerinin ölçüm yapılan bölgelerinin üstten şematik görünümü
Sekil 7. Farklı çaplara dökülmüş GGG60 malzemesinin değerleri değişimi
3. DENEYSEL SONUÇLAR
3.2 Sertlik Test Sonuçları
3.1 Çekme Test Sonuçları
GGG50 ve 60 malzemelerden üç farklı kalınlıkta dökülmüş silindirik kütüklerden alınmış numunelere uygulanan sertlik testi sonuçları şekil 8 ve 9’da verilmiştir. Grafiğin yatay ekseninde farklı döküm kütük çap değerleri, düşey ekseninde ise bu değerlere karşılık HBW Brinell serlik değerleri verilmiştir. Şekilden anlaşıldığı gibi ince dökülen kütükte daha yüksek sertlik değerleri elde edilmiştir, yani sertlik, döküm kalınlığının artmasıyla azalmaktadır. Ancak değişim 25mm’den 20mm’ye düşüşte, 30mm’den 25 mm’ye düşüşe nazaran daha belirgin olmaktadır. Ayrıca merkezdeki sertlik değerlerinin daha yüksek olduğu ve merkezden uzaklaşıldıkça sertliğin düşüş gösterdiği gözlemlenmektedir. Max. sertlik değerlerinin ise nispeten yüksek perlit oranı sebebiyle GGG 60 malzeme de daha fazla olduğu belirgin bir şekilde görülmektedir (Şekil 9) Sertlik açısından da döküm kesit kalınlığı azaldıkça sertlik değerinin arttığı da görülmektedir. Ayrıca numunelerin bölgelerine göre de, merkezden uzaklaşıldıkça sertlik düşmektedir.
GGG50 malzemeden üç farklı kalınlıkta dökülmüş silindirik kütükten standart çekme numuneleri çıkarılarak gerçekleştirilen çekme testi sonuçları şekil 6’da verilmiştir. Grafiğin yatay ekseninde farklı döküm kütük çap değerleri, düşey ekseninde ise bu değerlere karşılık gelen max. çekme gerllmesi değerleri verilmiştir Kütük çap kalınlığı düştükçe, numunelerin σmax değerlerinin arttığı görülmektedir. Düşüşünün parabolik bir davranış gösterdiği de gözlemlenmektedir.
GGG50 750
σmax(MPa)
σmax
700 650 600 550 500 15
20
25
30
35
Çap (mm)
Sekil 6. Farklı çaplara dökülmüş GGG50 malzemesinin σmax değerleri değişimi.
GGG60 malzeme için de aynı testler yapılmıştır ve sonuçlar şekil 7’de verilmiştir. Artan perlit oranı sebebiyle max. gerilme değerlerinin yükselmesi haricinde benzer davranış gözlemlenmektedir. Bilindiği gibi GGG serisi malzemelerde 40’tan 80’e gidildikçe perlit oranı artmaktadır [1] .Ayrıca döküm kesit kalınlığı azaldıkça dayanımın arttığı da görülmektedir. Sekil 8. Farklı çaplara dökülmüş GGG50 malzemesinin farklı bölgelerinin Brinell sertlik numaraları
245
Gabrovo International scientific conference, II, 2010, 117122 [2] C. Berdin, M. J. Dong and C. Prioul , “Local approach of damage and fracture toughness for nodular cast iron” ,Engineering Fracture Mechanics, 68, 9, 2001, 1107-1117 [3] Hug, E., Keller, C., Favergeon, J. Dawi, K.. Berdin, M. J. Dong and C. Prioul , “Application of the Monkman–Grant law to the creep fracture of nodular cast irons with various matrix compositions and structures”, Materials Science and Engineering, 518, 1-2, 2009, 65-75 [4] Hamberg Kenneth, Bengt Johannesson, and Anders Robertson. “Defect sensitivity in nodular cast iron for safety critical components.”, Fatigue Design of Components, 22, 1997, 37-47 [5] Ahmet ARAN, “Metal Döküm Teknolojisi”, Birsen Yayınevi, Istanbul ,1993 [6] Tayfun Uzunova, “Küresel Grafîtlî Dökme Demir”, Madencilik, 06/04,Istanbul, 1967, 240 [7] Lee, R S. “Some Effects of Equipment, Materials, and Methods of Melting on Mechanical Properties of Nodular Iron.”, AFS Transactions, 83, 1975, 153-158. [8]Ruff, G F, and J F Wallace. “Control of Graphite Structure and its Effect on Mechanical Properties of Gray Iron.”, AFS Transactions, 84, 132, 1976, 705-728. [9]Lerner, Y S, and M I Vainer. “Development of Investment Cast Ductile Iron.”, AFS Transactions, 102, 1994, 631-635. [10]John Pearce,“Inoculation of Cast Irons: Practices and Developments.”, Metal Casting Technologies, March 2007 , 16-22. [11] Basaj, L. J., Dorn, T. A., Headington, F. C., Rothwell, M. D., Johnson, B. D., & Heine, R. W. “Tensile Properties Continuum With Brinell Hardness of As-Cast Ductile Iron”, AFS Transactions, 1999, 107, 671-677. [12]Wahlberg, A. “Brinell s method of determining hardness and other properties of iron and steel.” Journal Of The Iron And Steel Institute , 59, 1901, 243-298. [13]Hardness, AB et al. “Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials 1.” Annual Book of ASTM Standards i.C ,2010, 1-32. [14] J. Lacaze, “Solidification of spheroidal graphite cast irons: III. Microsegregation related effects”, Acta Materialia, 47, 14, 19 October 1999, 3779-3792. [15] Liu, W Y, J X Qu, and F Y Lin. “A study of bainitic nodular cast iron for grinding balls.”, Wear, 205, 1-2, 1997, 97-100. [16]Morgan H.L,“ Introduction to Foundary Production and Control of Austempered Ductile Irons”, The British Faundaryman’s, 1987, 98-108.
Şekil 9. Farklı çaplara dökülmüş GGG60 malzemesinin farklı bölgelerinin Brinell sertlik numaraları
4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA 1.Dökülerek üretilen küresel grafitli demir malzemelerde istenilen özellikleri tam olarak elde edebilmek ve daha homojen bir iç yapı elde edebilmek için ısıl işlemin gerekli olduğu anlaşılmıştır. 2.Yüksek mekanik özelliklerin gerekli olduğu durumlarda İnce mamul dökmek veya ince dökülmüş hammaddeden ürün çıkarılması daha uygundur (Bilhassa ısıl ilemin uygulanmayacağı durumlarda). 3. GGG 50 ve 60 malzemeler arasındaki çekme sonuçları farkı malzemelerin iç yapı farklılıklarından (perlit/ferrit oranı) kaynaklanmaktadır. Ayrıca kütük hammadde kalınlığının da çekme dayanımının üzerinde etkin olduğu görülmektedir. Kesit düşüşüyle artan soğuma hızı sebebiyle hammadde çapına göre max. çekme dayanımının düşüşünün parabolik bir davranış gösterdiği de gözlemlenmektedir. 4. GGG 50 ve 60 malzemeler arasındaki sertlik sonuçları farkı da yine iç yapı farkından kaynaklanmaktadır. GGG50 ve 60 malzemelerin içeriğindeki alaşım elementlerinin (özellikle Si yüzdesi) farklılığın da ferrit/perlit oranını değiştirdiği, dolayısıyla sertlik ve çekme özelliklerini etkilediği anlaşılmaktadır. Ayrıca hammadde (kütük) kalınlığı da yine sertlik üzerinde etkendir. C ve Si içeriği ayrıca kesit inceldikçe artan soğuma hızı yapıda perlit oranını arttırmaktadır [5,14] Ayrıca Mn içeriği de mekanik özellikleri etkilemektedir[15].
ÖZGEÇMİŞ
5. Ayrıca döküm esnasında orta bölgede C segregasyonu oluşması ve akabinde toplanan inklüzyonlar ve kalıntılar sebebiyle de sertlik merkez bölgelerde daha yükseltmektedir[10-16].
Serhan KARAMAN, 1984 yılında İstanbul’da doğdu. İlk ve ortaöğretimini İstanbul’da tamamladı. 2008 yılında Trakya Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü’nden Lisans derecesiyle mezun oldu. 2008-2011 yıllarında Trakya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı’nda yüksek lisans eğitimini tamamlayarak, 2011 yılında doktora eğitimine başladı. 2009 yılında Trakya Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Konstrüksiyon ve İmalat Anabilim
5. KAYNAKÇA [1] Serhan Karaman, Cem S. Çetinarslan, “Manufacturing Process of GGG40 Nodular Cast Iron”, Unitech’10
246
arasında Lisansını, 1994-1997 yılları arasında Yüksek Lisansını ve 1998-2003 yılları arasında Doktorasını tamamladı. 2005 yılında Trakya Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Konstrüksiyon ve İmalat Anabilim Dalı’na Yrd. Doç. olarak atandı. Halen bu göreve devam etmektedir.
Dalı’nda Araştırma Görevlisi olarak çalışmaya başladı. Halen bu göreve devam etmektedir. Cem S. ÇETİNARSLAN, 1968 yılında Lüleburgaz’da doğdu. İlk ve ortaöğretimini Hayrabolu’da tamamladı. Trakya Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü’nde 1986-1991 yılları
247
PARTİKÜL TAKVİYELİ ALÜMİNYUM ESASLI METAL MATRİS KOMPOZİTLERİN DİFÜZYON KAYNAK KABİLİYETLERİNİN İNCELENMESİ Sertan Ozan1, Serdar Karaoğlu2, Rasim İpek3 Ege Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Bornova-İzmir
[email protected],
[email protected],
[email protected] Özet Modern mühendislik malzemeleri olan Metal Matrisli Kompozitlerin (MMK), klasik metallere göre birçok avantajları mevcuttur. MMK malzemeler klasik metallere göre,daha yüksek mukavemet/ağırlık oranına, aşınma direncine, sürünme dayanımına, kırılma tokluğuna ve korozyon direncine sahiptir. MMK malzemelerin tüm bu avantajlarına rağmen, kullanım alanlarını kısıtlayan en büyük engel, bu malzemelerin birleştirme işlemlerinde karşılaşılan zorluklardır. Bu çalışmada, MMK malzemeler arasında yüksek kullanım oranına sahip alüminyum esaslı metal matris kompozitlerin difüzyon kaynağı ile birleştirilmelerinde ara yüzey elemanı, kararlı ve kararsız oksit tabakası oluşumu, ara yüzeydeki mikro birleşim tipi, takviye hacim oranı, matris malzemesi, sıcaklık, basınç ve sürenin kaynaklı birleştirmenin mikroyapı ve mekanik özellikleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. Anahtar sözcükler: Difüzyon kaynağı, metal matrisli kompozit, MMK, arayüzey, , mikroyapı.
1. GİRİŞ Metal matrisli kompozit malzemeler (MMK), kompozit malzemelerin bir grubunu temsil eder. Metal matrisli kompozitler, tüm kompozitler gibi kimyasal ve fiziksel olarak farklı olan en az iki fazı içerir. Bu kompozit, elde edilebilir tek fazlı malzemelerde olmayan özellikleri ortaya çıkarmayı amaçlar. Genellikle (fiber yada partikül formunda olan) takviye fazları metalik matris içinde dağıtılarak metal matrisli kompozit oluşturulur. Metalik matrise seramik takviye edilmiş metal matris kompozitler mükemmel mekanik performans sergilerler [1]. Metal matrisli kompozit malzemeler, havacılık ve uzay endüstrisinin yüksek özgül dayanım ve rijitliğe sahip malzeme gereksiniminde vazgeçilemez malzeme grubudur [2]. Partikül takviyeli metal matrisli kompozitler sürekli fiber takviyeli kompozit malzemeler ile kıyaslandığında maliyetinin daha düşük olması [3], yüksek aşınma direnci ve ısıl kararlılık özellikleri ile ön plana çıkmaktadırlar [2]. Matris malzemesi olarak genellikle Al, Mg, Fe, Ti, Ni, Cu, Ag, Co, Nb malzemeleri kullanılmaktadır [3]. Matris malzemeleri içerisinde Al, Ti ve Mg yaygın olarak kullanılmaktadır [1]. Dayanım, düşük yoğunluk, yüksek korozyon direnci ve düşük maliyet özelliklerinden dolayı en fazla kullanılan malzeme ise alüminyumdur [2]. Alüminyum esaslı metal matris kompozitlerin ergitme kaynak yöntemleri [4,5], katı ve sıvı faz difüzyon kaynağı [6-43], sürtünme karıştırma kaynağı [44-54] ile
birleştirilebilirliği birçok araştırmacı tarafından incelenmiştir. Kaynak bölgesinde oluşan ve önlenemeyen bazı yaygın kusurlar yüzünden, ergitme kaynak yöntemlerinin yetersiz kaldığı alüminyum esaslı MMK malzemelerin birleştirilmesinde, katı hal kaynak yöntemleri daha iyi sonuçlar vermektedir. Bir katı hal kaynak yöntemi olan "difüzyon kaynağı" nın alüminyum esaslı MMK malzemelere uygulanabilirliği, yöntemin bu alandaki önemini arttırmakta ve araştırmacıların ilgisini çekmektedir. Alüminyum esaslı metal matrisli kompozitlerin, yaygın endüstriyel kullanımlarının önündeki başlıca engel birleştirme işlemlerinde karşılaşılan zorluklardır [6-9]. Alüminyum esaslı metal matrisli kompozitlerin difüzyon kaynağında birleştirilecek olan parçaların yüzeylerinde oluşan oksit tabakaları difüzyon için engel teşkil eder. Kaynak işlemi öncesi etkili bir yüzey temizliği ön şarttır. Birleştirme yüzeylerinde metalik bağın oluşabilmesi ve etkili bir difüzyon sürecinin gelişebilmesi için yüzeyin oksit tabakasından arındırılması oldukça önemlidir. Bununla birlikte oksit tabakasının kaynak işlemi esnasında da oluşmaması için gerekli tedbirler alınmalıdır [10]. Bu çalışmada, partikül takviyeli alüminyum esaslı metal matris kompozitlerin difüzyon kaynağı ile birleştirilmelerinde, ara yüzey elemanı, kararlı ve kararsız oksit tabakası oluşumu, ara yüzeydeki mikro birleşim tipi, takviye hacim oranı, matris malzemesi, sıcaklık, basınç ve sürenin kaynaklı birleştirmenin mikroyapı ve mekanik özellikleri üzerindeki etkisi incelenmiştir.
2. KATI HAL DİFÜZYON KAYNAĞI Difüzyon kaynağı; sıcaklık, basınç ve birleştirme süresi ile kontrol edilebilen, alüminyum esaslı metal matrisli kompozitler gibi kimyasal olarak kararlı oksit tabakasına sahip olan malzemelerde difüzyon olayının meydana gelebilmesi için etkili bir yüzey temizliğine ihtiyaç duyulan, genellikle koruyucu gaz veya vakum altında gerçekleştirilen bir kaynak yöntemidir [11-13]. Difüzyon kaynağı katı ve sıvı faz difüzyon kaynağı olarak iki ana gruba ayrılır. Şekil 1’de difüzyon kaynak cihazının şematik olarak gösterilmiştir.
249
%40 mertebesinde uygulanan plastik deformasyon miktarının olumlu sonuçlar verdiği saptanmıştır [10].
Şekil 2. Katı hal difüzyon kaynağı işleminde ara yüzeyde birleşmenin oluşumu [10].
Katı hal difüzyon kaynağı işleminde, oksit tabakası oluşumu probleminin ortadan kaldırılmasında yüksek yüzey pürüzlülüğü değerlerine sahip alüminyum alaşımlarda, düşük yüzey pürüzlülüğü değerine sahip olan alüminyum alaşımlara göre birleşme ara yüzeyinde daha iyi kesme dayanımı elde edilmiştir. Şematik olarak Şekil 3’de görüldüğü gibi yüzey pürüzlülüğü değerinin artması ile birlikte yüzey pürüz tepeleri daha fazla plastik deformasyona uğrar, dolayısıyla daha fazla miktarda oksit tabakasında kırılma meydana gelir. Sonuç olarak, oksit tabakasında meydana gelen yüksek miktardaki kırılma neticesi, metal/metal temas oranı artacaktır [10]. Al-8090 alaşımının katı hal difüzyon kaynağı işleminde, ara yüzey birleşme kesme dayanımının yüzey pürüzlülüğü yüksek malzemelerde arttığı belirlenmiştir [10,15]. Ancak, Nicholas ve arkadaşlarının [16] farklı yüzey pürüzlüklerine sahip bakır malzemeler ile gerçekleştirdikleri difüzyon kaynağı işleminde, yüzey pürüzlülüğü fazla olan bakır malzemelerin birleştirme işleminde daha düşük kesme dayanımı elde edilmiştir [10]. Bu durum, bakır oksit tabakası ile alüminyum oksit tabakasının farklı özelliklere sahip olmasından kaynaklanmaktadır [10].
Şekil 1. Difüzyon kaynak cihazının şematik gösterimi: (1) Yük; (2) Argon çıkışı; (3) Isı bobini; (4) Argon girişi; (5) Numuneler; (6) Sıcaklık ölçer [14].
Partikül takviyeli alüminyum esaslı metal matris kompozitlerin difüzyon kaynak kabiliyetlerini olumsuz yönde etkileyen yüzeyde oluşan kararlı oksit tabakalarının ortadan kaldırılması ve süreksiz hale getirilmesi oldukça önemlidir. Bu bağlamda, alüminyum alaşımların oksit tabakalarının süreksizleştirilmesine yönelik yapılan çalışmalar partikül takviyeli alüminyum esaslı metal matris kompozitlerin difüzyon kaynak kabiliyetlerinin iyileştirilmesinde esas alınabilir. Alüminyum alaşımların katı hal difüzyon kaynağı ile birleştirilmelerinde yüzeyde oluşan oksit tabakalarının kimyasal olarak kararlı olmasından dolayı, bu durum metalik bağın oluşmasında ve dolayısı ile sağlam bir birleşme ara yüzeyi elde etmek için engel teşkil eder. Bakır, titanyum, tantal, niyobyum, zirkonyum gibi malzemelerinin yüzeylerinde oluşan oksit filmleri birleştirme sıcaklıklarında kararsız hale gelirler ve basınç etkisi ile kolaylıkla bozunurlar [10]. Alüminyum esaslı metal matrisli kompozit malzemelerin katı hal difüzyon kaynağı işleminde gevrek ve sürekli karakterde olan oksit tabakası birleştirme işlemi sırasında uygulanan basıncın etkisi ile kararsız hale getirilebilir. Matris malzemesi, oluşan oksit tabakasına göre oldukça sünektir. Şematik olarak Şekil 2’de görüldüğü gibi birleştirme esnasında basıncın uygulanması ile birlikte ara yüzeyde bulunan, gevrek karakterdeki oksit tabakası kırılır ve süreksiz duruma geçer. Oksit tabakasının uygulanan basıncın etkisi ile bölgesel olarak ortadan kalkması, birleşme ara yüzeyinde metal/metal temasını sağlar. Birleştirme yüzeylerinde metalik bağın oluşabilmesi ve etkili bir difüzyon sürecinin gelişebilmesi daha fazla basıncın uygulanması ile mümkün olmakla birlikte, uygulanan basıncın yüksek olması durumunda birleştirilecek parçalarda şekil değişimlerinin olması muhtemeldir. Daha önce yayınlanmış olan çalışmalarda, alüminyum alaşımların katı hal difüzyon kaynağı işleminde
Şekil 3. Katı hal difüzyon kaynağı işleminde yüzey pürüz tepelerinde oluşmuş oksit tabakasının kırılması sonucu metalik birleşmenin oluşumu [10].
Alüminyum alaşımların katı hal difüzyon kaynağı işleminde magnezyum, lityum gibi alaşım elementlerinin birleşme ara yüzeyinin kesme dayanımı üzerindeki etkisi farklı araştırmacılar tarafından incelenmiştir [10]. Alüminyum alaşım içerisinde bulunan bu elementlerin kimyasal olarak ara yüzeyde bulunan oksit tabakası ile 250
etkileşime girdiği ve sürekli ve amorf yapıdaki bu tabakayı süreksizleştirdiği, dolayısı ile metal/metal temasını artırdığı belirtilmiştir. Şekil 4.a’da lityum ve magnezyum içermeyen Al-8090 alaşımının sürekli oksit tabakasını gösteren TEM görüntüsü verilmiştir. Buna karşılık Şekil 4.b’de lityum ve magnezyum içeren Al-8090 alaşımının süreksiz durumdaki oksit tabakası verilmiştir. Birleştirme ara yüzeylerinde metalik bağın oluşabilmesi ve etkili bir difüzyon sürecinin gelişebilmesinde, magnezyum elementinin lityumdan daha etkili olduğu belirtilmiştir [10].
Şekil 5. Ara yüzey formunun sıcaklığın artması ile birlikte değişimi: (a) 540 oC; (b) 560 oC; (c) 580 oC [17].
Şekil 6a’da Al-MMK’de SiCp takviye partiküllerinin düzlemsel ara yüzey oluşturduğu varsayılmıştır. Buna karşılık, takviye partiküllerinin matris malzemesine doğru nüfuz etmesi ile birlikte birleşme ara yüzeyinde mekanik olarak kilitlenmiş partiküller oluşur (Şekil 6b). İkinci durumda SiCp takviye partiküllerinin mekanik kilitleme etkisi ve her iki temas yüzeyinde oksit tabakasının bölgesel olarak kırılmasından dolayı ara yüzeyde birleşme dayanımı daha yüksek olacaktır [10].
Şekil 4. Difüzyon kaynağı ile birleştirilmiş aluminyum malzemelerin geçirimli elektron mikroskobu görüntüleri: (a) Mg veya Li içermeyen Al-8090 alaşımı; (b) Mg veya Li içeren Al8090 alaşımı [10].
Nami ve arkadaşları [17], in-situ (yerinde oluşan) yöntemini kullanarak üretmiş oldukları Al/Mg2Si metal matrisli kompozit malzemelerin kaynağında birleştirme sıcaklığının, birleşme süresinden daha etkili olduğunu ortaya koymuşlardır. Sıcaklığın artması ile birlikte, ana malzemenin deformasyonu sonucunda ara yüzeyin dalga formunda oluştuğu saptanmıştır (Şekil 5). Bu sonuçları destekleyen diğer bir çalışmada, Arik ve arkadaşları in-situ yöntemini kullanarak üretmiş oldukları Al esaslı Al4C3 takviyeli metal matrisli kompozit malzemelerin kaynağında birleştirme sıcaklığının, birleşme süresinden daha etkili olduğunu ortaya koymuşlardır. Mikroyapı görüntülerinde ara yüzeyin belirgin olmayışı sağlam ara yüzey bağlantısının göstergelerinden biri olduğunu belirtmişlerdir [18].
Şekil 6. SiC partikül takviyeli alüminyum matrisli kompozit malzemede, takviye partiküllerin ara yüzeyde dağılımını: a) Teorik olarak düzlemsel temas ara yüzeyi; b) Takviye partiküllerinin temas ara yüzeyinde matris malzemesine doğru nüfuz etmesi ile birlikte düzlemsel olmayan ara yüzey oluşumu [10].
251
Temas yüzeylerinde bulunan oksit tabakası atomların difüzyonunu engeller ve dolayısıyla matris/matris mikro birleşimini zorlaştırır. Matris malzemesine göre daha sert olan takviye partikülleri temas ara yüzeylerinde matris malzemesine doğru içeri girerler. Takviye partiküllerinin bu şekilde matris malzemesinin içine doğru nüfuz etmesi sonucunda ara yüzeyde kesme dayanımını artmasını sağlayan kilitleme mekanizması oluşur. Takviye partiküllerinin matris malzemesine doğru nüfuz etmesi mekanik dayanım artırıcı kilitlemenin yanında oksit tabakasını bölgesel olarak ortadan kaldırarak matris/matris mikro birleşiminin oluşmasını sağlar [17].
Şekil 7. Mekanik olarak kilitlenmiş Mg2Si partikülünün SEM görüntüsü [17].
Aydın ve arkadaşlarının [22], %3 SiCp takviyeli Al-7075 matrisli kompozit çiftini katı hal difüzyon kaynağı yöntemiyle vakum ortamında, 560 oC’de, 2 MPa basınç altında, 60-120 dakika süre birleştirdikleri çalışmada takviye partiküllerinin matris malzemesine doğru nüfuz etmesinin ve oksit tabakasının süreksiz hale gelmesinin ara yüzey kesme dayanımını artırdığı belirtilmiştir. Ayrıca en iyi kesme dayanımı 2 saatlik birleştirme süresi ile elde edilmiştir.
Katı hal difüzyon kaynağı sonrasında ara yüzeyde üç tip birleşme olmaktadır. Bunlar; a) Matris/Matris mikro birleşim b) Matris/Takviye mikro birleşim c) Takviye/Takviye mikro birleşim Bu üç tip mikro birleşim türünden hangisinin daha baskın olacağı, metal matrisli kompozit malzemenin içerdiği takviye miktarına ve takviye partiküllerinin dağılımına bağlıdır. Matris/matris mikro birleşimi kesme dayanımı açısından oldukça iyi bir mikro birleşme durumudur. Matris/takviye ve takviye/takviye mikro birleşme durumu kesme dayanımı üzerinde matris/matris mikro birleşim durumuna göre kıyaslandığında olumsuz etkiye sahiptir [10,12, 17,19, 20]. Matris/matris mikro birleşim durumu ara yüzey kesme dayanımının artırılmasında oldukça etkilidir. Zhang ve arkadaşları [20], SiCp takviyeli alüminyum matrisli kompozitlerde takviye partikül hacim oranının artması ile birlikte ara yüzey kesme dayanımının azaldığını belirtmişlerdir. Takviye partikül hacim oranın artması ile birlikte, matris/takviye ve takviye/takviye mikro birleşim durumunun oluşması neticesinde ara yüzeyde, zayıf mikro birleşim durumu artacaktır. Dolayısıyla, bu durum ara yüzey kesme dayanımı üzerinde olumsuz bir etki yaratacaktır.
Liming ve arkadaşları [12], alüminyum esaslı metal matrisli kompozitlerin difüzyon kaynağında en iyi kesme dayanımının elde edilebileceği sıcaklık aralığının katı-sıvı faz çizgisinin arasında olduğunu ortaya koymuşlardır. Difüzyon kaynak sıcaklığı, bu sıcaklık aralığına ulaştığında eriyen matris takviye/takviye mikro birleşme oluşumu arasına nüfuz eder, böylelikle takviye/matris/takviye mikro birleşimi meydana gelir. Solidus ve likudus eğrilerinin arasında optimum bir sıcaklıkta , bağlantının dayanımı açısından en iyi sonuç zayıf mikro birleşme oluşumlarının dayanımlarının artırılması ile mümkündür. Takviye partiküllerinin eriyen matris tarafından ıslatılması sonucu matris/takviye partikülü ara yüzey oluşumu daha sağlam bir yapı oluşturur ve takviye/takviye ara yüzey oluşumları takviye/matris/takviye ara yüzey oluşumları olarak meydana gelir.
3. GEÇİCİ SIVI FAZ DİFÜZYON KAYNAĞI
Küçükkara ve arkadaşları [21], toz metalurjisi (TM) yöntemiyle üretilen Al- SiCp kompozitinin 6063 Al alaşımı ile difüzyon kaynak kabiliyetini incelemişlerdir. Farklı oranlarda SiCp içeren Al- SiCp kompoziti 6063 Al çiftinin difüzyon kaynağı, 600 °C’de 3,5 saat ve 2 MPa basınç uygulanarak gerçekleştirilmiştir. SiCp artışıyla kesme dayanımının azaldığını tespit etmişlerdir. Çaligulu ve arkadaşları [22] , SiCp takviyeli Al esaslı kompozit çiftinin difüzyon kaynağı yöntemiyle birleştirilmesinde kaynak süresinin birleşme üzerindeki etkisini araştırmıştır. Difüzyon kaynakları, özel olarak hazırlanmış difüzyon kaynak aparatında 600 °C’lik sabit sıcaklıkta, 20-40-60 dakikalık sürelerde ve 30 N yük uygulayarak argon atmosferinde yapılmıştır. % 5 ve 10 SiCp içerikli numunelerde 20 ve 40 dakikalarda yapılan birleştirmelere göre, 60 dakikada yapılan birleştirmelerde daha yüksek kayma dayanımı değerleri elde edilmiştir. Kesme dayanımı değerlerine göre, % 5-10 SiCp içerikli numuneler için 600 °C’de yapılan birleştirmelerde 60 dakikalık sürenin daha uygun olduğu, % 20 SiCp içerikli numunede ise 40 dakikalık sürenin daha uygun olduğunu saptamışlardır.
Toz metalurjisi yöntemiyle üretilmiş malzemelerin birleştirilmesinde bir diğer alternatif yöntem geçici sıvı faz difüzyon kaynağıdır. Yöntem, esas itibariyle ara kesitte ana metallerin birleştirilecek yüzeylerini ıslatabilecek ince bir sıvı filmi oluşturma ve bu tabakanın izotermal olarak katılaşması esasına dayanmaktadır. Sıvı film ana metal ile folyo arasında ötektik ya da peritektik ergime noktası bulunması halinde, bu sıcaklığa ulaşılınca meydana gelir. Folyo ile ana metal arasında bu sıcaklıkta difüzyon gerçekleşince ötektik ya da peritektik bileşime ulaşıldığında bir sıvı tabaka oluşur. Bu yöntemle, ana metalin mekanik ve mikro yapı özelliklerine benzer birleştirmeler yapılabilir. Folyo veya kaplamanın ara yüzeyde kullanılmasının amaçları; plastik akışı hızlandırmak, temiz bir yüzey elde etmek, difüzyonu hızlandırmak, arzu edilmeyen intermetaliklerin oluşumunu en aza indirmek, ana metalin difüzyonunu hızlandırmak için geçici ötektik ergimeyi oluşturmak, kaynak süresini kısaltmak, arzu edilmeyen elementleri uzaklaştırmak ve oksidasyonu önlemektir [24,25]. Solidus ve likudus eğrilerinin arasında optimum 252
bir sıcaklıkta, bağlantının dayanımı açısından en iyi sonuç zayıf mikro birleşme oluşumlarının dayanımlarının artırılması ile mümkündür. Takviye partiküllerinin eriyen matris tarafından ıslatılması sonucu matris/takviye ara yüzey oluşumu daha sağlam bir yapı oluşturur ve takviye/takviye ara yüzey oluşumları takviye/matris/takviye ara yüzey oluşumları olarak meydana gelir [12]. Buna karşılık, Shirzadi ve arkadaşları [10] oluşan sıvı faz hacminin %3’ü geçmesi halinde tane sınırlarında çatlak oluşumunun meydana geldiğini ve birleşme ara yüzeyinde porozite oluşumunun artığını belirtmiştir.
meydana gelmediğini belirtmişlerdir. Ancak nikel ara tabaka kullanıldığında birleşme sıcaklığının 650 °C civarında olduğunu, bu sıcaklığın alüminyumun ergime sıcaklığına çok yakın olduğunu ve dolayısı ile makro boyutta bir deformasyonun kaçınılmaz olduğunu bildirmişlerdir. Dolayısı ile Yan ve arkadaşları [35] daha düşük sıcaklıklarda birleşme yapılabilmesi için Cu-Ni-Cu ara tabaka kullanımının işlevselliğini araştırmışlardır. Al2O3p/6061 Al metal matrisli kompozitin kullanıldığı çalışmada hacimsel olarak 30% takviye partikülü kullanılmıştır. Takviye partiküllerin ortalama çapı 0.4 µm’dur. Sıvı faz difüzyon kaynağı 580 °C’de 30-90 dakika aralığında ve vakum altında gerçekleştirilmiştir [35].
Zhang ve arkadaşları [20], SiCp takviyeli alüminyum matrisli kompozitlerde katı hal ve geçici sıvı hal difüzyon kaynağının birleşmenin kesme dayanımı üzerindeki etkisini karşılaştırmışlardır. Geçici sıvı faz difüzyon kaynağı ile yapılan birleştirmeler, takviye partikül miktarı artsa dahi kesme dayanımı açısından olumlu sonuç vermiştir. Al-SiMg aktif sert lehim alaşımının ara tabaka olarak kullanılması sonucunda, Mg elementinin kimyasal olarak ara yüzeyde bulunan oksit tabakası ile etkileşime girdiği ve dolayısı ile birleşme ara yüzeyinde SiCp/SiCp ve SiCp/Al ara yüzeylerinde oluşabilecek zayıf mikro birleşme durumunu azalttığı belirtilmiştir [20].
Kumar [36], ortalama olarak 23µm çapında SiCp kullandığı çalışmasında matris malzemesi olarak Al-6061 kullanmıştır. Çalışmada hacimsel olarak %15 SiCp, ara tabaka olarak bakır folyo ve bakır tozları kullanılmıştır. Sıvı faz difüzyon kaynağı argon atmosferinde, 560 °C’de, 2-3 MPa basınç altında, 30-60-90-120 dakika yapılmıştır. Çalışma sonunda artan süre ve basınç ile kayma dayanımlarının arttığı saptanmıştır (Şekil 8, Şekil 9). Ayrıca ara tabaka olarak bakır tozları kullanıldığında uygulanan ara tabakanın kalınlığının artması ile birlikte kayma dayanımlarının arttığı tespit edilmiştir (Şekil 10) [36].
Urena ve arkadaşları [26], SiCp/2124Al metal matrisli kompozitin sıvı faz difüzyon kaynağı işleminde ara tabaka olarak Al-Li alaşımı ve Al-Cu alaşımı kullanmışlardır. Lityum içeren ara tabaka folyosu ile yapılan kaynak işlemi neticesi daha iyi kesme dayanımı sonuçları elde edilmiştir . Kesme dayanımındaki yükselişin sebebi oksit tabakası ile Li’nin reaksiyona girmesi sonucu sürekli oksit tabakasının süreksizleşmesidir. LiO2, LiAlO2, LiAl508 gibi süreksiz, daha az sertliğe sahip oksitler oluşur. Urena ve arkadaşları [27] diğer çalışmalarında, SiCp/2014Al metal matrisli kompozitin sıvı faz difüzyon kaynağı işleminde ara tabaka olarak Al-Li alaşımı ve saf gümüş kullanmışlardır. Lityum içeren ara tabaka folyosu ile yapılan kaynak işlemi neticesi daha iyi kesme dayanımı sonuçları elde edilmiştir. Saf gümüşün, birleşme ara yüzeyinde sürekli intermetalik tabaka oluşumunu engellemek için bir önceki çalışmaya [28] göre gümüş folyo kalınlığı 3 µm olarak belirlenmiştir. Buna rağmen, birleşme ara yüzeyinde oluşan iğnemsi intermetalik oluşumları kesme dayanımı açısından tatmin edici sonuçlar vermemiştir [27]. Maity ve arkadaşları [29] 50 µm kalınlığında bakır folyo kullanarak gerçekleştirdikleri sıvı faz difüzyon kaynağı işleminde, daha önce literatürde yer almayan uzun zamanlı (6 saat) birleştirmenin kesme dayanımı üzerinde olumlu etkileri olduğunu saptamışlardır.
Şekil 8. Geçici sıvı faz difüzyon kaynağı yöntemi ile bakır folyo kullanılarak birleştirilmiş Al-SiC MMK malzemenin birleşme süresine bağlı kesme dayanımı değerleri (basınç 2 MPa) [36].
Diğer taraftan, matris malzemesinin difüzyon kaynağı sonrası elde edilen kesme dayanımı değerinin %92 oranındaki kesme dayanımı değeri Shirzadi ve Wallach [24] tarafından, Al MMC için sıvı faz difüzyon kaynağı ile 560 °C, 0.1–0.2 MPa basınçta, 7 µm kalınlığında bakır ara tabaka kullanarak, 20 dakikalık birleştirme işlemi sonrası izostatik presleme ile sağlanmıştır. Şekil 9. Geçici sıvı faz difüzyon kaynağı yöntemi ile bakır folyo kullanılarak birleştirilmiş Al-SiC MMK malzemenin basınç değerine bağlı kesme dayanımı değerleri (süre 30 dak.) [36].
Bakır ara tabaka kullanıldığında birleşme bölgesinde SiCp’in segregasyonu sonucu dayanım değerinde düşüş meydana gelir [30-33]. Ancak, Askew ve arkadaşları [34] nikel ara tabaka kullanıldığında böyle bir durumun 253
4. SONUÇLAR Partikül takviyeli alüminyum matrisli kompozitlerin (PTAMK) difüzyon kaynağı işleminde gevrek ve sürekli karakterde olan oksit tabakası difüzyon için engel teşkil eder. Bu bağlamda, difüzyon kaynak kabiliyetini olumsuz yönde etkileyen yüzeyde oluşan kararlı oksit tabaklarının ortadan kaldırılması ve süreksiz hale getirilmesi oldukça önemlidir. PTAMK malzemelerin yüzeylerinde oluşan oksit tabakası alüminyum matrise göre oldukça gevrektir. Birleştirme yüzeylerinde etkili bir difüzyon sürecinin gelişebilmesi daha fazla basıncın uygulanması ile mümkün olmakla birlikte, uygulanan basıncın yüksek olması durumunda birleştirilecek parçalarda şekil değişimlerinin olması kaçınılmazdır. PTAMK malzemelerin sıvı hal difüzyon kaynağı işleminde, lityum ve magnezyum elementleri kararlı oksit tabaklarının ortadan kaldırılması ve süreksiz hale getirilmesinde oldukça etkilidir.
Şekil 10. Geçici sıvı faz difüzyon kaynağı yöntemi ile bakır toz kullanılarak birleştirilmiş Al-SiC MMK malzemenin ara tabaka kalınlığına bağlı olarak kesme dayanımı değerleri ( süre 20 dak., basınç 2 MPa) [36].
PTAMK malzemelerin difüzyon kaynağı işleminde basınç, zaman ve sıcaklık değerlerinin artırılması ile birlikte kesme dayanımında artış sağlanır. Matris/Matris mikro birleşimi kesme dayanımı açısından oldukça iyi bir mikro birleşme durumudur. Takviye partikül hacim oranının artması ile birlikte matris/takviye ve takviye/takviye mikro birleşim durumunun oluşması neticesinde ara yüzeyde zayıf mikro birleşim durumu artar. Ara yüzeyde mekanik olarak kilitlenmiş partiküller temas yüzeylerinde bulunan oksit tabakasının süreksizleşmesinde etkilidir. PTAMK malzemelerin difüzyon kaynağı işleminde ara tabaka olarak toz formlar kullanılabilir. Titanyum tozu kullanılması SiCp ıslatılabilirliğini artırır.
Huang ve arkadaşları [37], hacimsel olarak %15 SiCp ihtiva eden alüminyum esaslı (Al6063) metal matrisli kompozitin difüzyon kaynağında ara tabaka olarak kullanılan metal tozlarının, birleştirmenin kayma dayanımı üzerindeki etkilerini araştırmışlardır. Ara tabakada titanyum kullanılmasının birleştirmenin kesme dayanımının artırılmasına olumlu yönde etki ettiği saptanmıştır. Al-Si ve Al-Cu tozlarının ara tabaka olarak kullanıldığı birleştirmelerde elde edilen kayma dayanımı, Al-Si-SiC tozlarının ara tabaka olarak kullanıldığı birleştirmelerden daha iyi sonuç vermiştir (Şekil 11). SiCp/6063 MMK malzemenin Al–Si, Al–Cu, Al–Si–SiC ve Al–Si–SiC–Ti tozlarının ara tabaka olarak kullanılması ile elde edilen kesme dayanımı değerleri (Şekil 11) incelendiğinde Al–Si– SiC ara tabakasına titanyum eklendiğinde kesme dayanımının en düşük değerden en yüksek değere yükseldiği görülmektedir. Titanyum tozunun SiCp segregasyonunu azalttığı, SiCp ıslatılabilirliğini artırdığı belirtilmiştir [37].
5. KAYNAKÇA [1] Soy, U. Metal Matriks Kompozit Malzemeler. SAÜ Teknoloji Fakültesi 2009; s.45 [2] Torralba J.M, da Costa C.E. and Velasco F.Journal of Materials Processing Technology 2003; 133:203. [3] Chawla K. Metal Matrix Composites. Springer, USA 2006; p.401 [4] Gurler R. Fusion welding of SiC particulate-reinforced aluminum 392 metal matrix composite. Journal of Materials Science Letters 1998;17:1543. [5] Wang XH, Niu JT, Guan SK, Wang LJ, Cheng DF. Investigation on TIG welding of SiCp-reinforced aluminum-matrix composite using mixed shielding gas and Al-Si filler. Materials Science and Engineering a-Structural Materials Properties Microstructure and Processing 2009;499:106. [6] Shirzadi AA, Wallach ER. New approaches for transient liquid phase diffusion bonding of aluminium based metal matrix composites. Materials Science and Technology 1997;13:135.
Şekil 11 SiCp /6063 MMK malzemenin Al–Si, Al–Cu, Al–Si–SiC ve Al–Si–SiC–Ti tozlarının ara tabaka olarak kullanılması ile elde edilen kesme dayanımı değerleri (sıcaklık 595 °C, süre 90 dak.) [37].
254
[7] Bushby R.S., Scott V.D. Liquid phase bonding of aluminium and aluminium/Nicalon composite using interlayers of Cu–Ag alloy. Mater. Sci. Technol. 1995; 11: 643.
[22] Çalıgülü U, Dikbaş H, Taşkın M. Sıcak presleme yöntemiyle imal edilmiş SiCp takviyeli alüminyum esaslı kompozitlerin difüzyon kaynağında sürenin birleşme üzerindeki etkisinin incelenmesi. Fırat Üniv. Fen ve Müh. Bil. Dergisi 2006; 18:437. [23] Aydin M, Gurler R, Turker M. The diffusion welding of 7075Al-3%SiC particles reinforced composites. Physics of Metals and Metallography 2009;107:206. [24]Shirzadi, A. A., Wallach, E. R., (1997). “Temperature Gradient Transient Liquid Phase Diffusion Bonding: A New Methot for Joining Advanced Materials”, Science and Technology of Welding and Joining, 2, 3, 89–94. [25] Taşkın M, Kejanlı H, Firat EH, Çalıgülü U. T/M yöntemiyle üretilmiş Ni-Ti-Cu alaşımlarının TLP difüzyon kaynağında Ni ve Cu folyo arasındaki mikrosertlik değerlerinin istatistiki olarak incelenmesi. Fırat Üniv. Fen ve Müh. Bil. Dergisi 2008; 20:379. [26] Urena A, Desalazar JMG. Bondıng of aluminummatrix composites for applicatıon in the transport industry. Journal De Physique Iv 1993;3:1037. [27] Urena A, deSalazar JMG, Escalera MD. Diffusion bonding of an aluminium-copper alloy reinforced with silicon carbide particles (AA2014/SiC/13p) using metallic interlayers. Scripta Materialia 1996;35:1285. [28] A. Urena, J.M. Gomez de Salazar, M.D. Escalera. Metal Matrix Composites. Part 2: Microstructural Characterization, Thermomechanical Behavior and Modeling. (Ed. G.M. Newaz, et al.) Trans Tech Publications, Zurich, p. 523 (1995). [29] Maity J, Pal TK, Maiti R. Transient liquid phase diffusion bonding of 6061-15 wt% SiCp in argon environment. Journal of Materials Processing Technology 2009;209:3568. [30] Li Z, Fearis W, North TH. Particulate segregation and mechanical-properties in transient liquid-phase bonded metal-matrix composite-material. Materials Science and Technology 1995;11:363. [31] Li Z, Zhou Y, North TH. Counteraction of particulate segregation during transient lıquid-phase bonding of aluminum-based MMC material. Journal of Materials Science 1995;30:1075. [32] Zhai Y, North TH, SerratoRodrigues J. Transient liquid-phase bonding of alumina and metal matrix composite base materials. Journal of Materials Science 1997;32:1393 [33] Macdonald WD, Eagar TW. TRANSIENT LIQUIDPHASE BONDING. Annual Review of Materials Science 1992;22:23 [34] Askew JR, Wilde JF, Khan TI. Transient liquid phase bonding of 2124 aluminium metal matrix composite. Materials Science and Technology 1998;14:920. [35] Yan JC, Xu ZW, Wu GH, Yang SQ. Interface structure and mechanical performance of TLP bonded joints of Al2O3p/6061A1 composites using Cu/Ni composite interlayers. Scripta Materialia 2004;51:147.
[8] Devletian J.H. SiC/Al metal matrix composite welding by a capacitor discharge process. Weld. J. 1987; 66:33. [9] Shirzadi AA. PhD Thesis, University of Cambridge, Cambridge,1998. [10] Shirzadi AA, Assadi H, Wallach ER. Interface evolution and bond strength when diffusion bonding materials with stable oxide films. Surface and Interface Analysis 2001;31:609. [11] Lee CS, Li H, Chandel RS. Stimulation model for the vacuum-free diffusion bonding of aluminium metal-matrix composite. Journal of Materials Processing Technology 1999;90:344. [12] Liu LM, Zhu ML, Pan LX, Wu L. Studying of microbonding in diffusion welding joint for composite. Materials Science and Engineering a-Structural Materials Properties Microstructure and Processing 2001;315:103. [13] Nami H, Halvaee A, Adgi H, Hadian A. Investigation on microstructure and mechanical properties of diffusion bonded Al/Mg2Si metal matrix composite using copper interlayer. Journal of Materials Processing Technology 2010;210:1282. [14] Aydın M. TR2002 02710 U patented diffusion bonding machine. Department of Machine Engineering, Faculty of Engineering, University of Dumlipinar, Kutahya, Turkey. [15]Ricks RA, Mahon GJ, Parson NC, Heinrich T, Winkler PJ. Proc.Conf. Diffusion Bonding 2, Stephenson DJ (ed.). Elsevier: Amster-dam, 1990; 69. [16] Nicholas NH, Nichting RA, Edwards GR, Olson DL. Proc. Conf. Recent Trends in Welding Science & Technology,DavidSA, Vitek VM (ed.) ASM International: Ohio-USA, 1990; 547. [17] Nami H, Halvaee A, Adgi H, Hadian A. Microstructure and mechanical properties of diffusion bonded Al/Mg2Si metal matrix in situ composite. Materials & Design 2010;31:3908. [18] Arik H, Aydin M, Kurt A, Turker M. Weldability of Al4C3-Al composites via diffusion welding technique. Materials & Design 2005;26:555. [19] Muratoglu M, Yilmaz O, Aksoy A. Investigation on diffusion bonding characteristics of aluminum metal matrix composites (Al/SiCp) with pure aluminum for different heat treatments. Journal of Materials Processing Technology 2006;178:211. [20] Zhang XP, Ye L, Mai YW, Quan GF, Wei W. Investigation on diffusion bonding characteristics of SiC particulate reinforced aluminium metal matrix composites (Al/SiCp-MMC). Composites Part a-Applied Science and Manufacturing 1999;30:1415. [21] Küçükkara H, Acarer M, Ahlatcı H, Türen Y. Toz metalurjisi yöntemiyle üretilen Al-SiCp kompozitlerin difüzyon kaynak kabiliyetlerinin incelenmesi. 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye .
255
AA2009/SiCp composite. Composites Science and Technology 2008;68:2141. [51] Fuchs U, Zimmermann K, Sauer HW, Trautmann KH, Biallas G. Similar and dissimilar friction stir welded joints made from AA2124+25% SiC and AA2024. Materialwissenschaft Und Werkstofftechnik 2008;39:531. [52] Mahmoud ERI, Takahashi M, Shibayanagi T, Ikeuchi K. Effect of friction stir processing tool probe on fabrication of SiC particle reinforced composite on aluminium surface. Science and Technology of Welding and Joining 2009;14:413. [53] Minak G, Ceschini L, Boromei I, Ponte M. Fatigue properties of friction stir welded particulate reinforced aluminium matrix composites. International Journal of Fatigue 2010;32:218. [54] Nami H, Adgi H, Sharifitabar M, Shamabadi H. Microstructure and mechanical properties of friction stir welded Al/Mg(2)Si metal matrix cast composite. Materials & Design 2011;32:976.
[36] Pal TK. Joining of aluminium metal matrix composites. Materials and Manufacturing Processes 2005;20:717. [37] Huang JH, Dong YL, Wan Y, Zhao XK, Zhang H. Investigation on reactive diffusion bonding of SiCp/6063 MMC by using mixed powders as interlayers. Journal of Materials Processing Technology 2007;190:312. [38] Feng T, Chen XZ, Wu LH, Lou SN. Diffusion welding of SiCp/2014Al composites using Ni as interlayer. Journal of University of Science and Technology Beijing 2006;13:267. [39] Guo W, Hua M, Law HW, Ho JKL. Liquid-phase impact diffusion welding of SiCp/6061Al and its mechanism. Materials Science and Engineering a-Structural Materials Properties Microstructure and Processing 2008;490:427. [40] Huang JH, Wan Y, Zhang H, Zhao XK. TLP bonding of SiCp/2618Al composites using mixed Al-Ag-Cu system powders as interlayers. Journal of Materials Science 2007;42:9746. [41] Huang JH, Wan Y, Zhao HT, Cheng DH, Zhang H. Effect of Ti on TLP bonding of SiCP/2618Al composites using interlayers of mixed Al-Ag-Cu system powders. Materials Science and Technology 2007;23:87. [42] Maity J, Pal TK, Maiti R. Microstructural characterization of TLPD bonded 6061-SiCp composite. Journal of Materials Engineering and Performance 2008;17:746. [43] Maity J, Pal TK, Maiti R. Transient liquid phase diffusion bonding of 6061-13 vol.% SiCp composite using Cu powder interlayer: mechanism and interface characterization. Journal of Materials Science 2010;45:3575. [44] Bozkurt Y, Uzun H, Salman S. Effect of tool wear on mechanical properties of friction stir welded AA2124/SiCp/25 composite plates. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University 2011;26:139. [45] Ceschini L, Boromei I, Gambaro C, Minak G, Morri A, Tarterini F. Friction Stir Welding of aluminium based composites reinforced with Al(2)O(3) particles. In: Chandra T, Wanderka N, Reimers W, Ionescu M, editors. Thermec 2009, Pts 1-4, vol. 638-642. 2010. p.87. [46] Ceschini L, Boromei I, Minak G, Morri A, Tarterini F. Microstructure, tensile and fatigue properties of AA6061/20 vao.%Al2O3p friction stir welded joints. Composites Part aApplied Science and Manufacturing 2007;38:1200. [47] Ceschini L, Boromei I, Minak G, Morrri A, Tarterini F. Effect of friction stir welding on microstructure, tensile and fatigue properties of the AA7005/10 vol.%Al2O3p composite. Composites Science and Technology 2007;67:605. [48] Ceschini L, Boromei I, Minak G, Morrri A, Tarterini F. Effect of friction stir welding on microstructure, tensile and fatigue properties of the AA7005/10 vol.%Al2O3p composite. Composites Science and Technology 2007;67:605. [49] Chen XG, da Silva M, Gougeon P, St-Georges L. Microstructure and mechanical properties of friction stir welded AA6063-B(4)C metal matrix composites. Materials Science and Engineering a-Structural Materials Properties Microstructure and Processing 2009;518:174. [50] Feng AH, Xiao BL, Ma ZY. Effect of microstructural evolution on mechanical properties of friction stir welded
ÖZGEÇMİŞ Sertan OZAN-2007 yılında Afyon Kocatepe Üniversitesi Uşak Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü’nde lisans derecesini, 2010 yılında Ege Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği A.B.D.’da yüksek lisans derecesini aldı. 2009-2010 yılları arasında Bozok Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü’nde araştırma görevlisi olarak görev yaptı. 2010 yılında doktora eğitimine başladığı Ege Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği A.B.D.’da 2011 yılından itibaren araştırma görevlisi olarak görev yapmaktadır. Serdar KARAOĞLU-Dokuz Eylül Üniversitesi Makina Mühendsiliği Bölümünden 1988 yılında mezun olduktan sonra, aynı bölümde yüksek lisansını 1993 ve doktorasını 1998'de tamamlamıştır. Dokuz Eylül Üniversitesinde başlayan öğretim üyeliğine, 2005 yılından beri Ege Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümünde devam etmektedir. Başlıca ilgi alanları; yüzey işlemleri, metal matrisli kompozit malzemeler ve kaynak teknolojisidir. Rasim İPEK-1981 yılında Yıldız Teknik Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü’nde lisans derecesini, 1987 yılında Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü’nde yüksek lisans derecesini aldı. 1993 yılında Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü’nde doktora öğrenimini tamamladı. Cumhuriyet Üniversitesi, Dumlupınar Üniversitesi’nde öğretim üyesi olarak görev yaptı. 2006 yılından itibaren Ege Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü’nde Prof.Dr. olarak çalışmaya devam etmektedir. Başlıca ilgi alanları; Mühendislik Malzemeleri, Üretim Yöntemleri, Yüzey Mühendisliği (Aşınma, Yüzey İşlemleri) Metal Matris Kompozitlerdir.
256
POLİPROPİLEN KÖPÜK MALZEME ÜRETİMİNDE KULLANILAN KİMYASAL KÖPÜK AJANININ HÜCRE MORFOLOJİSİNE ETKİSİ Salih Hakan Yetgin1,Hüseyin Ünal2 1
Sakarya Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Metal Eğitimi Bölümü, TÜRKİYE Tel: 264 295 65 06 GSM: 533 521 41 83 E-Posta:
[email protected] 2 Sakarya Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, TÜRKİYE Tel: 264 295 64 90 GSM: 533 697 75 07 E-Posta:
[email protected] Özet Bu deneysel çalışmada; geleneksel enjeksiyonla kalıplama yöntemi kullanılarak polimer köpük malzeme üretimi gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla, polimer köpük üretimi için enjeksiyonla ve basınçlı kalıplamaya uygun, otomotiv endüstrisinde kullanılan homopolimer polipropilen kullanılmıştır. Köpük ajanı olarak ise 140oC bozunma sıcaklığına sahip endotermik kimyasal köpük ajanı (KKA) kullanılmıştır. Köpük ajanı, ana matris malzeme olan polipropilen’e ağırlıkça %1 ve %2 oranında ilave edilmiştir. Çalışma sonucunda, kullanılan köpük ajanı miktarının, polipropilen köpük malzemenin ortalama hücre boyutuna, hücre sayısına, köpük tabakası kalınlığına, hücreler arası mesafeye ve köpük yoğunluğuna etkisi incelenmiştir. Hücre boyutu ve köpük tabaka kalınlığı optik mikroskop kullanılarak ve bir analiz programı yardımı ile tespit edilmiştir. Köpük ajanı miktarının artmasıyla, ortalama hücre boyutu ve kabuk tabaka kalınlığının azaldığı, hücre yoğunluğunun ise arttığı tespit edilmiştir. Anahtar sözcükler: Enjeksiyon köpük kalıplama, polimer köpük, polipropilen, kimyasal köpük ajanı, hücre morfolojisi
1. GİRİŞ Otomobillerin üretilmeye başlandığı yıllardan günümüze kadar gerek konfor açısından gerekse güvenlik açısından yeni sistemlerin veya mekanizmaların otomobillere eklenmesi ile otomobil ağırlığında zamanla bir artış meydana gelmiştir. Artan otomobil ağırlığı otomobil yakıt sarfiyatını da artırmaktadır. Petrol fiyatlarının sürekli olarak arttığı günümüzde otomobil üreticileri üretilen araçlarda hafif malzeme kullanmanın gerekliliği ön plana çıkarmaktadır. Son yıllarda otomobil değişik kısımlarında kullanılan parçalarda polimerlerin yerine, yaklaşık olarak %75 oranında daha düşük ağırlıktaki (yoğunluktaki) polimer esaslı köpük malzemelerin kullanılması ile otomobil ağırlığının daha da azaltılması amaçlanmaktadır. Polimer esaslı köpükler, genellikle katı polimer matris ve köpük ajanı tarafından üretilen gazlı faz olmak üzere en az iki faz içerirler. Bunlar; hücresel veya genleşmiş plastikler olarak tanımlanabilmektedirler. Düşük yoğunluk, üstün dayanım/ağırlık oranı, mükemmel yalıtım kabiliyeti, enerji absorbe etme performansı, üstün darbe dayanımı gibi eşsiz özellikleri nedeniyle polimerik köpüklere olan ilgi ise her geçen gün artmaktadır [1-4].
Fiziksel veya kimyasal köpük ajanları kullanılarak, poliüretan (PU), polistiren (PS), polietilen (PE), polipropilen (PP), polivinil klorür (PVC) ve polikarbonat (PC) gibi genel amaçlı polimerler batch prosesi, enjeksiyon kalıplama ve döner kalıplama gibi süreksiz prosesler ve ekstrüzyon köpüklenme gibi sürekli prosesler ile üretilebilmektedir [5]. Bu üretim yöntemleri arasında, enjeksiyonla köpük kalıplama yöntemi ile parçada azalan ağırlık, daha hızlı çevrim zamanı, parça ölçüsü kararlılığı ve yüksek dayanım-ağırlık oranı gibi avantajlar sağlanarak istenilen geometrik ölçülerde parçalar üretilebilir [6, 7]. Kalıplanmış parçanın mikroyapısı ve mekaniksel özellikleri, proses şartlarına ve malzeme sistemine bağlıdır. Batch ve ekstrüzyon proseslerinde hücrelerin çekirdeklenmesi ve büyümesi üzerine ergiyik basıncının [8], basınç azalım oranının [9], ergiyik sıcaklığının [10], çekirdekleyici ajanın [9] ve kayma gerilmelerinin [11] etkileri deneysel olarak çalışılmıştır. Ekstrüzyon ve batch köpüklenme prosesleri ile karşılaştırıldığında, enjeksiyon köpük kalıplama prosesine enjeksiyon hızı, vida adımı ve geri besleme basıncı gibi kontrol edilebilir parametreler de eklenmektedir [7,12,13]. Polimerlerin köpüklenme davranışını etkileyen en önemli parametrelerden birisi de kullanılan köpük ajanı ve miktarıdır [14]. Farklı üretim yöntemlerine ait parametrelerinin hücre morfolojisi ve mekaniksel özelliklere etkisi bazı araştırmacılar tarafından geniş bir şekilde çalışılmıştır. Ahmedi ve Hornsby [15, 16]; enjeksiyon kalıplı PP köpüklerde proses parametrelerinden yapının nasıl etkilendiğini araştırmışlardır. Enjeksiyon hızı, kalıp sıcaklığı ve ergiyik sıcaklığının final PP köpük yapısı üzerine etkilerini incelemişlerdir. Kalıp içerisindeki polimer ergiyiğinin yüksek enjeksiyon oranı ile oldukça üniform ve ince hücre yapısına sahip PP köpükler üretilmiştir. Buna karşılık, düşük enjeksiyon oranı ile üretilen köpükler geniş hücre boyutu ve üniform olmayan hücre yapısı göstermiştir. Yüksek ergiyik basıncı ve düşük ergiyik sıcaklığı ile hücre boyutunun düşürülebileceğini göstermişlerdir. En düşük ortalama hücre boyutu yaklaşık 120µm olarak bulunmuştur. Guo ve arkadaşları [7] nano boyutlu kil ve maleik anhidrit asit aşılanmış polipropilen (MAH-PP) içeren dallanmış ve lineer PP köpüklerin hücre yapısı ve özelliklerini incelemişlerdir. Enjeksiyon kalıplama yöntemi ile üretilen PP ve nano boyutlu kil içeren PP kompozitlerin köpüklenebilirliğini ve kimyasal köpük ajanı miktarı, vida adımı, geri besleme basıncı, enjeksiyon hızı, ergiyik sıcaklığı, kalıp sıcaklığı ve farklı enjeksiyon metotları gibi enjeksiyon parametrelerinin etkilerini incelemişlerdir. Deneyler sonucunda, geri besleme basıncının artması ile hücre yoğunluğunun azaldığını belirlemişlerdir. Benzer şekilde, köpük ajanı miktarı ve enjeksiyon hızının artırılması ile hücre 257
yoğunluğunun arttığını, hücre boyutunun ise azaldığını tespit etmişlerdir. 16-24 mm arasında değişen vida adımı uygulamasının sonucunda, dallanmış PP için ideal vida adımının 16mm, lineer PP için ise 24mm olduğunu belirlemişlerdir. Kalıp sıcaklığının azalması ise köpük yapısının homojenliğini bozmuş ve kabuk tabakası kalınlığının artmasına sebep olmuştur. Ayrıca, enjeksiyon metodunun (enjeksiyon giriş durumu) hücre çekirdeklenmesi ve buna bağlı olarak hücre yapısında önemli etkiye sahip olduğunu belirtmişlerdir. Chien ve arkadaşları [17]; enjeksiyonla köpük kalıplama yöntemi ile PP köpük malzemelerin mekanik özelliklerini ve kalıplama karekteristiklerini araştırmışlardır. Enjeksiyon hızı, ergiyik sıcaklığı, kalıp sıcaklığı ve geri besleme basıncı gibi enjeksiyon parametrelerinin, çekme dayanımı, eğme dayanımı ve rijitlik gibi mekanik özelliklerle parça ağırlığına etkilerini incelemişlerdir. Aynı zamanda köpüklenme derecesi üzerine köpük ajanı miktarının ve parça kalınlığının da etkilerini incelemişlerdir. Yaptıkları çalışmalarda 0.5mm kalınlığındaki çekme numunelerinde yaklaşık olarak %4 ile %9 oranında ağırlıkta azalma elde etmişlerdir. 15mm kalınlığındaki eğme numunelerinde ise yaklaşık olarak %43-50 arasında ağırlıkta azalma tespit etmişlerdir. Bu sonuçlardan parça kalınlığının köpüklenme derecesini belirlemede önemli bir faktör olduğunu da belirtmişlerdir. Artan eriyik sıcaklığı, kalıp sıcaklığı ve enjeksiyon hızı ile parça ağırlığı, çekme dayanımı, eğme dayanımı ve rijitlik azalırken, geri besleme basıncının artması ile artış göstermiştir. Köpük ajanı miktarının %0.8’ den %1.6’ya çıkarılmasıyla mekaniksel özelliklerde azalma tespit etmişlerdir.
enjeksiyon hızı, 100 bar ütüleme basıncı altında toplam çevrim zamanı 40 s olacak şekilde üretilmiştir. Daha sonra ise ağırlıkça %1 ve %2 oranında köpük ajanı ilaveli PP köpük malzemeler, farklı enjeksiyon parametreleri kullanılarak üretilmiştir. Polipropilen homopolimer esaslı köpük malzemeleri karakterize etmek için hücre yoğunluğu ve hacimsel genleşme oranı kullanılmıştır. Köpük yoğunluğu, ISO 1183 standardına göre belirlenmiştir. Köpüklerin ortalama hücre çapı, Nikon Eclipse L150A optik mikroskobu ve buna bağlı olarak çalışan Clemex Vision Lite görüntü analiz programı kullanılarak hesaplanmıştır. Birim hacimdeki hücre yoğunluğu ( Nf ) ise, literatürde Kumar ve Suh [18] tarafından verilen Eşitlik 1’deki formül kullanılarak hesaplanmıştır. Burada, “n” optik mikroskopta elde edilen görüntüdeki hücre sayısıdır. A, optik mikroskopta elde edilen görüntünün alanı ve M ise büyütme faktörüdür.
⎛ n×M 2 ⎞ ⎟⎟ N f = ⎜⎜ A ⎝ ⎠
3
2
(1)
Köpüksüz üretilen PP numunenin 1 cm3’ündeki hücre sayısı ( N0 ) ise Eşitlik 2 ile hesaplanır.
No =
Bu deneysel çalışmada, polipropilen (PP) polimeri enjeksiyonla kalıplama tekniği kullanılarak köpüklendirilmiştir. Köpük yapıcı olarak, 140oC bozunma sıcaklığına ve 130ml/g CO2 gaz oranına sahip endotermik kimyasal köpük ajanı kullanılmıştır. Köpük ajanı miktarının, PP köpüğün ortalama hücre boyutuna, hücre yoğunluğuna, hücreler arası mesafeye, köpük tabakası kalınlığına ve köpük yoğunluğuna etkisi incelenmiştir.
Nf 1−V f
(2)
Burada, Nf birim hacimdeki hücre yoğunluğunu, Vf köpükteki yoğunlukta azalma miktarını ifade eder. Kabuk tabakası kalınlığı ve hücreler arası mesafe ölçümleri, imaj analiz programı yardımıyla mikroyapı fotoğraflarından yararlanılarak bulunmuştur.
3. DENEYSEL SONUÇLAR
2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR
Şekil 1’de, 60 bar enjeksiyon basıncı, 100mm/s enjeksiyon hızı, 100 bar ütüleme basıncı ve 180oC ergiyik sıcaklığı kullanılarak üretilen %1 ve %2 köpük ajanı ilaveli PP köpüklere ait mikroyapı fotoğrafları verilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi köpüklerin hücre yapısı kapalı hücre şeklindedir. Köpük ajanı miktarının hücre yapısı ve hücre çapını önemli oranda etkilediği görülmektedir. %1 köpük ajanı ilaveli PP numunesinde homojen olmayan hücre boyutu dağılımı ile büyük hücreli bir yapı elde edilmiştir. Bazı bölgelerde ise hücrelerin oluşmadığı belirlenmiştir. Bunun sebebi, polimer ergiyik içerisinde köpük ajanı dağılımının üniform olmamasıdır [19].
Bu deneysel çalışmada, Exxon-Mobil Kimya firmasından temin edilen enjeksiyonla kalıplamaya uygun, otomotiv ve paketleme endüstrisinde kullanılmaya elverişli 0.90g/cm3 yoğunluklu PP3374E3 kodlu homopolimer polipropilen (PP-H) malzeme kullanılmıştır. Kimyasal köpük ajanı olarak, Tosaf firmasından temin edilen ekstrüzyon ve enjeksiyon kalıplamaya uygun endotermik köpük ajanı (Foaming MB-FA 2984 PE) kullanılmıştır. Köpük ajanının bozunma sıcaklığı yaklaşık olarak 140oC’dir ve toplam bozunma miktarı 130ml/gr’dır. Bozunma sonucunda ise büyük oranda karbondioksit gazı açığa çıkmaktadır.
Köpük ajanı miktarının artması ile polipropilen köpükte oluşan hücre sayısının önemli oranda arttığı ve genel olarak hücrelerin yapı içerisinde homojen olarak dağıldığı ve oluşan hücre çaplarının azaldığı görülmüştür. Artan köpük ajanı miktarı, ergiyik polimerde çözünen gaz miktarını ve aynı zamanda ergiyik polimerde çekirdeklenme alanlarının sayısını artırmıştır. Sonuçta, ergiyik polimerde hücrelerin sayısı artmıştır. Hücrelerin sayısının artması ise sistemdeki mevcut gazı hızlı bir şekilde tüketmiş ve hücre boyutu azalmıştır [20].
Granül formundaki polimer ile Masterbatch formundaki köpük ajanı, homojen bir karışım sağlanması için öncelikle mekanik olarak karıştırılmıştır. Ana matris malzeme olan PP homopolimer malzemeye kimyasal köpük ajanı ağırlıkça %1 ve %2 oranında olacak şekilde katılmıştır. PP homopolimer köpük üretimi için ise geleneksel tip enjeksiyon kalıplama makinesi kullanılmıştır. Öncelikle PP homopolimer, 110 bar enjeksiyon basıncı, 100mm/s 258
enjeksiyon basıncı, ergiyik polimerdeki gazı tamamen çözemez ve polimer köpükte daha düşük genleşme oranına sebep olur. Artan enjeksiyon basıncı, ergiyik polimerdeki köpük ajanının bozunmasını geliştirir, basınç azalım oranını artırır ve sonuçta hücre çekirdeklenmesi ve hücre yoğunluğu artar [20]. Köpük ajanı miktarının artması ile polimer köpüklerde elde edilen hücre yoğunluğu ortalama %36 oranında artmıştır. Bu beklenilen bir sonuçtur, çünkü polimer matris içerisinde artan köpük ajanı miktarı, kabarcıkların çekirdeklenme oranını artırmıştır [5]. Kharbas ve arkadaşları [21]; artan köpük ajanı ile birlikte, hücre yoğunluğunun arttığını buna karşılık hücre çapının azaldığını belirlemişlerdir.
a) %1 KKA
Şekil 2. Köpük ajanı miktarına bağlı olarak hücre çapı ve hücre yoğunluğundaki değişim
Şekil 3'de enjeksiyon basıncındaki değişime bağlı olarak %1 ve %2 kimyasal köpük ajanı ilaveli numunelerde elde edilen hücreler arası mesafe sonuçları verilmiştir. Köpük ajanı miktarının artması ile hücreler arası mesafenin ortalama %26.5 oranında azaldığı belirlenmiştir. Polimer köpüklerde iki bitişik hücre arasındaki mesafe, oluşan hücre sayısı ile ilişkilidir. Köpük ajanı miktarına bağlı olarak artan hücre sayısı hücreler arası mesafenin azalmasını sağlamıştır. Bu durum Şekil 1'de verilen mikroyapılarda da görülmektedir.
b) %2 KKA Şekil 1. Farklı köpük ajanı miktarları için hücre morfolojisi
Şekil 2'de, köpük ajanı miktarına bağlı olarak ortalama hücre çapı ve hücre yoğunluğu arasındaki değişim verilmiştir. Enjeksiyon basıncının artması ile ortalama hücre çapı azalmıştır. %1 köpük ajanı ilaveli PP köpük numunesinde, 450-550µm hücre çapı elde edilirken, %2 köpük ajanı ilaveli numunede 325-405µm aralığında hücre çapı elde edilmiştir. Köpük ajanı miktarının %1'den %2'ye çıkmasıyla, enjeksiyon basıncına bağlı olarak, hücre çapında, sırasıyla %25, %26.5 ve %27.5 oranlarında azalma meydana gelmiştir. Köpük ajanı miktarına bağlı olarak hücre çapındaki azalma Barzegari ve arkadaşlarının [20] yaptığı çalışmada da elde edilmiş olup yapılan bu çalışma ile benzerlikler tespit edilmiştir. Köpük ajanı miktarının artması ile hücre yoğunluğunun arttığı belirlenmiştir. PP köpüklerde birim hacimde ortalama 103 adet hücre elde edilmiştir. En yüksek hücre yoğunluğu 100bar enjeksiyon basıncında %2 köpük ajanı katkılı numunede elde edilmiştir. Hücre yoğunluğu, polimer ergiyiğindeki hücre çekirdeklenme oranı ile ilişkilidir. Hücre çekirdeklenmesi, polimer-gaz çözelti basıncının, çözünürlük basıncının altına düştüğünde meydana gelir. Hücre çekirdeklenmesi meydana geldiğinde, gaz molekülleri, ergiyikten çekirdeklenen hücrelerin içerisine difüze olur. Her bir hücrenin büyüme oranı ise, gazın miktarı ve ergiyik dayanımı ile ilişkilidir. Örneğin, düşük
Şekil 3. Köpük ajanı miktarına bağlı olarak hücreler arası mesafedeki değişim
259
Şekil 4'de köpük ajanı miktarına bağlı olarak kabuk tabakasındaki değişim verilmiştir. Artan köpük ajanı miktarı ile kabuk tabakası kalınlığının azaldığı görülmektedir. Enjeksiyon basıncına bağlı olarak bu azalma ortalama %54.7 oranında elde edilmiştir. Kabuk tabakası kalınlığı, köpüklenen numunede, köpüklenmemiş kabuk tabakasının kalınlığı olarak tanımlanır. Enjeksiyon kalıplama tekniği ile üretilen köpüklerde köpüklenmemiş kabuk tabakası bulunur. Ergiyik polimer/gaz karışımı kalıba enjekte edildiğinde, kalıpta basıncın ani azalması yüzeye yakın olan gaz moleküllerinin malzemeden çok kolay difüze olmasına sebep olur ve numunenin yüzeyinde hiçbir hücre çekirdeklenmez. Sonuç olarak, numunedeki katı kabuk tabakası şekillenir [5]. Kabuk tabakası kalınlığındaki azalma, polimer köpükte oluşan hücre yoğunluğu ile de ilişkilidir. Artan hücre yoğunluğu ile polimer köpükte oluşan kabuk tabakası azalacak, köpüklenmiş bölge ise artacaktır.
Şekil 5. Köpük ajanı miktarına bağlı olarak yoğunluktaki değişim
4. SONUÇLAR Yapılan deneysel çalışmalar sonucunda aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir: Köpük ajanı miktarı, hücre yapısı ve hücre çapını önemli oranda etkilemiştir. %1 köpük ajanı ilaveli numunelerde 450-550µm aralığında hücre çapı, %2 köpük ajanı ilaveli numunelerde ise 325-405µm aralığında elde edilmiştir. Köpük ajanı miktarının artmasıyla hücreler arası mesafe ortalama %26.5 oranında azalmıştır. En yüksek hücre yoğunluğu, 2.4x103 hücre/cm3 değeri ile 100bar enjeksiyon basıncında ve %2 köpük ajanı katkılı numunede elde edilmiştir. Köpük ajanı miktarının artması ile polimer köpüklerde elde edilen hücre yoğunluğu ortalama %36 oranında artmıştır. Enjeksiyon basıncına bağlı olarak kabuk tabaka kalınlığında ortalama %54.7 oranında azalma sağlanmıştır. Köpüklendirilen polimerlerde, köpüksüz polimere göre yoğunlukta ortalama %13 ve %18 oranlarında azalma meydana gelmiştir. En düşük köpük yoğunluğu, 0.74 g/cm3 değeri ile 100bar enjeksiyon basıncında ve %2 köpük ajanı ilaveli numunede elde edilmiştir.
Şekil 4. Köpük ajanı miktarına bağlı olarak kabuk tabakası kalınlığındaki değişim
Şekil 5'de ise köpük yoğunluğunun enjeksiyon basıncına bağlı olarak değişimi verilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi enjeksiyon basıncının artması polimer köpüklerin yoğunluğunu azaltmıştır. Yüksek enjeksiyon basıncının uygulanması, kabarcıkların çekirdeklenmesi ve büyümesi için yararlı olan polimer içerisindeki köpük ajanının daha fazla çözünmesini ve ayrıca çok sayıda çekirdek alanının oluşmasını sağlar. Sonuç olarak, küçük hücre boyutu ile daha fazla hücre üretilir ve köpük yoğunluğu azalır [22]. Köpüklendirilmemiş PP polimerinin yoğunluğu 0.91g/cm3 iken %1 köpük ajanı ilaveli numunelerde yoğunluk 0.780.80g/cm3 arasında, %2 köpük ajanı ilaveli numunelerde ise 0.74-0.76g/cm3 arasında elde edilmiştir. Köpüklendirilen polimerlerde, köpüksüz polimere göre yoğunlukta ortalama %13 ve %18 oranlarında azalma meydana gelmiştir. En düşük köpük yoğunluğu 100 bar enjeksiyon basıncında %2 köpük ajanı ilaveli numunede elde edilmiştir. Qin ve arkadaşları [23]; endotermik ve ekzotermik kimyasal köpük ajanlarını kullanarak, farklı köpük ajanı miktarı ve kalıp sıcaklıkları altında ürettikleri AYPE ve TPO polimer köpüklerinde, artan köpük ajanı miktarı ile daha fazla gazın serbest kaldığını ve köpük yoğunluğunun azaldığını bildirmişlerdir.
TEŞEKKÜR Bu deneysel çalışma, Sakarya Üniversitesi 2008-50-02007’nolu Bilimsel Araştırma Projesi ile desteklenmektedir. Bu destekten dolayı yazarlar Sakarya Üniversitesi, Bilimsel Araştırma Projeleri Komisyon Başkanlığına teşekkür etmeyi bir borç bilir.
5. KAYNAKÇA [1] R. Pop-Ilıev and C. B. Park, “Melt Compounding Based Rotational Foam Molding Technology for Manufacture of Polypropylene Foams,” Journal of Reınforced Plastıcs and Composıtes, vol. 21, no. 2, 2002, 101-120.
260
[2] C.M. Wong, S. J. Tsaı, C.H. Yıng and M.L. Hung, Foam,” Journal of cellular plastıcs, vol. 42, March 2006, 153-163. [3] Z. Xu, P. Xue, F. Zhu and J. He, “Effects of Formulations and Processing Parameters on Foam Morphologies in the Direct Extrusion Foaming of Polypropylene using a Single-screw Extruder,” Journal of Cellular Plastıcs, vol. 41, March 2005, 169-185. [4] J. Stange and H. Münstedt, “Effect of Long-chain Branching on the Foaming of Polypropylene with Azodicarbonamide,” Journal of Cellular Plastıcs, vol. 42, November 2006, 445-467. [5] Z. X. Xin, Z. X. Zhang, K. Pal, J. U. Byeon, S. H. Lee, J. K. Kim, “Study of Microcellular Injection-Molded Polypropylene/Waste Ground Rubber Tire Powder Blend”, Materials and Design, vol. 31, 2010, 589–593. [6] P. Rachtanapun, S. E. M. Selke, L. M. Matuana, “Microcellular Foam of Polymer Blends of HDPE/PP and Their Composites with Wood Fiber”, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 88, 2003, 2842–2850. [7] Ming-Cheng Guo, Marie-Claude H., Pierre J. C., “Cell Structure and Dynamic Properties of Injection Molded Polypropylene Foams”, Polymer Engineering and Science, 2007,1070-1081. [8] Han X.M., Koelling K.W., Tomasko D.L., Lee L.J., Polym. Eng. Sci., 42, 2002, 2094. [9] Chen L., Blizard K., Straff R., Wang X., J. Cell. Plast., 38, 2002,139. [10] Lee C.H., Lee K. J., Jeong H.G., Kim S.W., Adv. Polym. Technol., 19, 2000, 97. [11] Chen L., Wang X., Straff R., Blizard K., Polym. Eng.Sci., 42, 2002, 1151. [12] A. K. Bledzki and O. Faruk, “Injection moulded microcellular wood fibre–polypropylene composites”, Composites: Part A, vol. 37 2006, 1358–1367. [13] A. K. Bledzki, O. Faruk, “Effects of the Chemical Foaming Agents, Injection Parameters, and Melt-Flow Index on the Microstructure and Mechanical Properties of Microcellular Injection-Molded Wood-Fiber/Polypropylene Composites”, Journal of Applied Polymer Science, vol. 97 2005, 1090–1096. [14] Wentao Z., Hongying W., Jian Y., Jin-Yong D., Jiasong H., “Foaming behavior of isotactic polypropylene in supercritical CO2 influenced by phase morphology via chain grafting”, Polymer, 49, 2008, 3146–3156. [15] Ahmedi A. A., Hornsby P. R., “Moulding and Characterization Studies with Polypropylene Structural Foam, Part 1: Structure-Property Interrelationships”, Plas. Rubber Proc. Appl., 5, 1985, 35.
“Effect of Low Density Polyethylene on Polystyrene [16] Ahmedi A. A., Hornsby P. R., “Moulding and Characterization Studies with Polypropylene Structural Foam, Part 2: The Influence of Processing Conditions on Structure and Properties”, Plas. Rubber Proc. Appl., 5, 1985, 51. [17] R. D. Chıen, S. C. Chen, P. H. Lee and J. S. Huang, “Study on the Molding Characteristics and Mechanical Properties of Injection-molded Foaming Polypropylene Parts”, Journal of Reinforced Plastics and Composites, vol. 23, no. 4, 2004, 429-444. [18] V. Kumar and N.P. Suh, “A process for making microcellular thermoplastic parts”, Polym. Eng. Sci., vol. 30, 1990, 1323–1329. [19] Chang Dae Han and Hee Ju Yoo, "Studies on Structural Foam Processing. IV. Bubble Growth During Mold Filling", Polymer Engineering and Science, June 1981, vol. 21. no. 9, 518-533. [20] M. Reza Barzegari, Denis Rodrigue, “The Effect of Injection Molding Conditions on the Morphology of Polymer Structural Foams”, Polymer Engineering and Science, 2009, 949-959. [21] Hrıshıkesh Kharbas, Paul Nelson, Mıngjun Yuan, Shaoqın Gong, ve Lıh-Sheng Turng, "Effects of NanoFillers and Process Conditions on the Microstructure and Mechanical Properties of Microcellular Injection Molded Polyamide Nanocornposites", Polymer Composites, December 2003, vol. 24, No. 6, 655-671. [22] Ioannis Tsivintzelis, Anastasia G. Angelopoulou, Costas Panayiotou, "Foaming of polymers with supercritical CO2: An experimental and theoretical study", Polymer, 48, 2007, 5928-5939. [23] X. Qin, M.R. Thompson, A.N. Hrymak, "Rheology Studies of Foam Flow During Injection Mold Filling", Polymer Engineering and Science, 2007, 522-529.
ÖZGEÇMİŞ Salih Hakan YETGİN – Kütahya’da 1979 yılında doğdu. İlk, orta ve liseyi Kütahya’da tamamladı. 1997 yılında Pamukkale Üniversitesi, Makina Mühendisliği Bölümünü kazandı ve 2001 yılında Makina mühendisi olarak mezun oldu. 2005 yılında Dumlupınar Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makina Mühendisliği Bölümünde Yüksek Lisansını eğitimini tamamladı. 2006 yılından beri Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Metal Eğitimi Anabilim dalında doktora yapmaktadır. Çalışma konuları: Plastik esaslı köpük malzeme üretimi, plastik malzemeler ve polimerlerin tribolojik davranışlarıdır.
261
AKUT LENFOSİT LÖSEMİ TEŞHİSİNDE YENİ BİR YÖNTEM: DESTEK VEKTÖR MAKİNELERİ TABANLISINIFLANDIRMA Esra Parmaksız1, Figen Özen2 Haliç Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, İstanbul TÜRKİYE Tel: 212 343 08 87 1 E-Posta:
[email protected], E-Posta:
[email protected]
Özet
Anahtar sözcükler: Destek vektör makineleri, biyomedikal görüntü işleme, akut lenfosit lösemi
Literatürde sınıflandırma ile ilgili birçok yöntem bulunmaktadır. ÖrneğinYapay Sinir Ağları problemdeki değişimlere göre tekrar eğitilebilir. Geleneksel yöntemlere göre hatayı tolere etme yetenekleri son derece yüksektir.Ancak yapıları oldukça karmaşıktır.KanOksijen Seviyesindeki Bağımlılık yöntemi isebu alanda kullanılan tekniklere başka bir örnektir. Manyetik parametrelere duyarlı kontrast değişiklikleri değerlendirir. Ancak kanda yabancı maddelerle karşılaştığında yanlış sonuç verebildiği gözlemlenmiştir [1].Destek Vektör Makineleri, uygulama kolaylığı ve gürbüzlüğüyle ön plana çıkmaktadır.
1. GİRİŞ
2. DESTEK VEKTÖR MAKİNELERİ (DVM)
Lösemi, kan hücrelerinin, özellikle de akyuvarların normalin üzerinde çoğalması ile kendini gösteren bir kanser türüdür. Hastalıktan etkilenen hücreler, denetimden çıkarak bağımsız hareket etmeye başlar ve kan hücrelerinin üretildiği organlara, ayrıca başka organ ve dokulara yerleşip yapısal yıkıma neden olur.
Destek Vektör Makineleri son yıllarda, örüntü tanıma, yüz bulma ve tanıma, veri madenciliği gibi alanlarda kullanılmaya başlanmıştır ve birçok gerçek problemde başarılı sonuçlar vermiştir. DVM’nin temel mantığı doğrusal olarak ayrıştırılabilen veri yapıları için en iyi ayırıcı düzlemin belirlenmesidir. Doğrusal olarak ayrıştırılamayan veri yapıları ise dönüşüm tekniği ile farklı bir boyuta taşınarak çözülür. Destek vektörü öğrenmesi, basit fikirler üzerine kurulması ve pratik uygulamalarda yüksek performans göstermesi bakımından oldukça kullanışlıdır. DVM’lerde kullanılacak örnek sayısı önemli değildir. DVM eğitim esnasında görülmemiş verileri de sorunsuz olarak sınıflandırır. Bu DVM’nin genelleştirebilme yeteneğini gösterir. Genelleştirebilme özelliği DVM’yi diğer tekniklere göre (YSA, karar ağacı vd.) üstün kılmaktadır [2].
Bu çalışmada lösemi türlerinden akut lenfosit lösemi (ALL) ile ilgilenilmiştir. Bu türde erken müdahale çok önemlidir. Aksi takdirde hastanın kaybı söz konusu olabilir. Çalışmanın amacı, kanserli hücreleri sağlıklı hücrelerden ayırt etmektir. Bunun için morfolojik yöntemlerin destek vektör makineleri ile uygun bir birleşimi kullanılmıştır.
Hastalığın tedavisinde, son yıllarda oldukça önemli adımlar atılmışsa da, sebepler bilinemediği için sebebe yönelik tedavi yapılamamaktadır. Günümüzde tatbik edilen tedavilerin temel amacı, hastalıklı hücreleri ortadan kaldırmaktır. Tedavi edilmezse,hasta kısa sürede kaybedilebilir. Bu sebeple lösemide erken teşhis çok önemlidir. Erken teşhis, tedavi prensiplerini belirlemede yardımcı olur. İyileşme şansı daha yüksek olacağından, erken teşhis konması ve ardından tedavinin doğru hücrelere uygulanması çok önemlidir. Kanserli ve kanserli olmayan hücreleri birbirinden ayırt ederek tedavide yüksek başarı elde etmek mümkündür. Lösemi akut ve kronik olmak üzere iki gruba ayrılır. Akut Lösemi, birden ortaya çıkan, hızla ilerleyen ve hastayı düşkün bırakan bir hastalık olup, Akut LenfositLösemi (ALL) ve Akut MyelositLösemi (AML) olmak üzere iki ana tipten oluşmaktadır. Kronik Lösemi ise, daha yavaş seyirli, hastayı birden kötüleştirmeyen tiptir. Kronik MyelositLösemi (KML) ve Kronik LenfositLösemi (KLL) olmak üzere iki ana tipi içermektedir [5]. Bu çalışmadaAkut LenfositLösemili (ALL) hücrelerin sağlıklı olanlarından ayırt edilmesi problemi çözülmüştür. ALL, çoğunlukla çocuklarda görülür, erken teşhis ile tedavi şansı oldukça yüksektir. Hücreleri sağlıklı ve hastalıklı olarak sınıflandırırken Destek Vektör Makineleri yöntemi kullanılmıştır.
Bir noktalarkümesi verildiğinde, ikisınıflı DVM, doğrusal biralt düzlemine gelen sınıfın mesafesini maksimize ederken, aynıtaraftaaynısınıfın olası en büyük kısmınıbırakarakalt düzlemibulur. DVM çıkarma gerektirmeyen yüksek boyutta noktaları değerlendirerek görüntülerde tanıma işlemini gerçekleştirir [3]. DVM her geçen gün sinir ağlarının biraz daha önüne geçmekte olan bir yöntemdir. Aslında bu durum teorik altyapısının sinir ağlarından çok farklı olmasının sonucudur. DVM, sağlam bir teorik alt yapıyla örneklerin önce belirlenmiş bir Hilbert uzayına taşınması, daha sonra bu uzayda istatistiksel riskin minimize edilmesi mantığına dayanmaktadır. Öğrenme algoritması estetik tasarlanmıştır. DVM’nin temel amacı, sınıflandırma sonucunda hata yapılması daha olası veri noktalarına diğer noktalardan daha fazla önem vermektir [4].
263
2.1 Destek Vektör Makinelerinde Öğrenme
•
DVM, olasılık dağılımının temel alındığı istatistiksel eğitme algoritması olarak bilinir. Birçok pratik durumda, istatistiksel tekniklerin temelini oluşturan dağılım yasalarının hakkında yeterli bilgi bulunmamaktadır. Bu eksiklik uygulamalarda çok ciddi sorunlara yol açar.
•
Yüksek boyutlu örüntüleri eğitmek zordur. Öğrenen makine algoritmaları yüksek boyutlu uzaylarda çalıştırabilmeli ve az sayıda veriden öğrenme işlemini yapabilmelidir. Boyut indirgeme işlemi yapılırsa, veri çiftleri kolay bir şekilde elde edilir.
•
DVM temelinde, öncelik değişkenini bir özellikle çağırıp, çok boyutlu düzlemde kullanılan niteliğe dönüştürür. En uygun temsili seçme, özellik seçimi olarak bilinir. Özellikler doğru seçilirse, iyi temsiller elde edilerek doğru sonuçlara ulaşılabilir. Bir olayı tanımlayan özellik takımı bir vektör ile çağırılır. Bundan dolayı DVM modelinin amacı, hedef değişkeninin bir kategorisiyle olayların vektör kümelerini ayıran optimalhiperdüzlemi bulmaktır. Verileri sınıflandırırken, doğrusal veya doğrusal olmayan veriler farklı sonuçlara varmamıza sebep olur. Eldeki verilere göre en iyi sonucu alabilmek için doğrusal veya doğrusal olmayan ayrıştırıcılar kullanılır.
• •
•
Çekirdek alanı: Hücre içindeki çekirdeğin alanı bulunur. Hücre gri seviye oranı: Görüntüde ilgilenilen hücrenin gri seviye ortalaması bulunur. Çekirdek gri seviye oranı: Hücre içindeki çekirdeğin gri seviye ortalaması bulunur. Merkezlerin oranı: Hücre ve çekirdeğin merkezlerinin birbirine olan uzaklığı bulunur. Çevrelerin oranı: Hücre ve çekirdeğin hesaplanan çevrelerinin oranı bulunur. Alanların oranı: Hücre ve çekirdeğin hesaplanan alanlarının oranı bulunur.
Özellik seçimi, sınıflandırmada doğru sonuç elde etmek amacına hizmet ettiğinden çok önemlidir. Problemi çözmeye yardımcı olmayan özelliklerin çıkarılıp işlemlere dahil edilmesi başarıyı doğru yönde etkilemez. DVM, temel çözüm için önemlerine göre özellikleri kullanarak sınıflandırma yapmaktadır. Doğrusal DVM iki sınıf arasında karar verme prensibi üzerinde çalışan özel bir sınıflandırıcıdır.
4. Sınıflandırma Algoritması Geliştirilen sınıflandırma algoritmasının akış diyagramı Şekil 1’de gösterilmiştir.
Bu çalışmada DVM’nin tercih edilmesinin nedeni,literatürdekidiğer sınıflandırma yapan yöntemlere göre oldukça iyi bir ayrıştırıcı düzlem oluşturmasıdır. Eğitilen bir yöntem olması da,yeterli ölçüde özellik seçimi ile iyi sonuçlara varılabileceğini gösterir.
Görüntüyü oku
Uygun renk uzayını belirle
Simülasyonlar MATLAB programıyla yapılmıştır.
Otsu metodu ile otomatik eşikleme yap
3. ÖZELLİK SEÇİMİ Hücreye erozyon uygula
ALL ve sağlıklı hücreler dikkate alındığında, bu hücrelerin arasındaki temel farklılıklar, çekirdek ve hücrenin bütün dokusuna yönelik kıyaslamalarda ortaya çıkmaktadır. Her hücrenin çekirdek oranı, şekli, alanı, çevresi farklıdır. Bu da sınıflandırmada kullanılacak özellikleri çıkarmaya yardımcı olur. Görüntülerin etkin bir şekilde tanınması için farklılıkların anlaşılması gerekir. Üzerinde çalışılan hücrelerin seçilen özelliklerini baskın hale getirmek için çeşitli ön işlemler uygulamak gerekir. Özelliklerin çıkarılması, baskın hale getirilmesi ve işlenmesi için çeşitli morfolojik işlemlerden yararlanılmıştır. Bunlar renk uzayını belirleme, etiketleme, daraltma, açma veeşikleme gibi işlemlerdir. Elde edilen sayısal değerler hücrenin tamamının ve çekirdek kısmının özellikleridir. Kan hücrelerinin karakterizasyonu parametreler kullanılmıştır:
için
Etiketleme işlemini gerçekleştir
Gereksiz alanları ele Merkeze en yakın olan hücreyi bul
Etiketleme işlemini gerçekleştir
Morfolojik işlem uygula
aşağıdaki
Eğitim ve test kümesi için özellikleri çıkar
• Hücre çevresi: Görüntüde ilgilenilen hücrenin çevresi bulunur. • Çekirdek çevresi: Hücre içindeki çekirdeğin çevresi bulunur. • Hücre alanı: Görüntüde ilgilenilen hücrenin alanı bulunur.
SVM ile sınıflandırma yap
Görüntü okumaya geri dön
Şekil 1. Algoritmanın akış diyagramı
264
Öncelikle üzerinde çalışılacak hücre görüntüsü okunur. Sonra görüntünün baskın renklerine göre bir renk uzayı belirlenir. Bu daha iyi sonuç almak için yapılır. Baskın rengi belirlemek, daha sonraki işlemlerde ayrıntıları saklayabilmekiçin önemlidir.
Önce incelenen görüntüdeki baskın rengi vurgulamak için hücre Cb bandında gösterilir (Şekil 2). Daha sonra daraltma ve açma işlemleri uygulanır (Şekil 3). Bu işlemden sonra gerekli alanların ayrıldığından emin olmak için etiketleme yapılır (Şekil 4). Merkeze en yakın hücre bulunur (Şekil 5). Bu işlemlerin ardından hücre ve çekirdek bölgeleri belirlenir (Şekil 6).
Ardından Otsu metodu ile eşikleme yapılır. Otsu metodu görüntüyeotomatik olarak eşikleme yapan bir yöntemdir. Programcı tarafından belirlenen değerlerle yapılan eşikleme yeterli hassasiyete sahip olmayabilir. Görüntünormalize edildikten sonra daraltma ve açma işlemleri uygulanır. Daraltma birleşik hücreleri ayırmak için önemli bir adımdır. Birbirine yapışık görünen hücreler program tarafından tek bir hücre gibi algılanmamalıdır. Böyle bir hata sağlıklı ve sağlıksız hücreleri ayırt etmede engel teşkil eder. Birleşik olan hücrelerden biri veya ikisi birden sağlıklı ya da sağlıksız olabilir. Açma işlemi ise daraltmadan önceki görüntüyü yakalamak amacıyla yapılır. Çevresi daralan hücreyi diğer hücreyle birleştirmeden eskisine yakın bir dağılım olması için görüntü üzerine açma işlemi uygulanır.
Şekil 2. Cb bandındaki görüntü
Şekil 3. Birleşik ayrılan görüntü
hücreleri
Açmaişleminden sonra görüntüye etiketleme uygulanır. Etiketleme, birleşik hücrelerin ayrılıp ayrılmadığını sayısal verilerle gösterir. Görüntü bu aşamalardan geçtikten sonra asıl çalışılması gereken hücre dışında kandaki diğer hücrelerhala görüntüde yer alıyor olabilir. Bunlar asıl hücre ile çalışmaya engeldir. Bunun için gereksiz alanları elemek gerekir. Ortalama bir değer belirleyip bu değerin altındaki küçük yapılar elenir. Fakat bazı hücrelerde bu alanlarkalmaktadır. Burada çözüm, daha büyük bir eşik değeri ile bu alanları elemek değil, bütün hücrelere uygulanabilecek bir eşik değeri bulmaktır. Bunun için daireselliği en büyük olan kısımdan yararlanılır. Merkeze en yakın olan hücre asıl hücredir. Bu görüntünün hemen hemen ortasında yer alan kısımdır. Merkeze en yakın olan bu hücre bulunduktan sonra, küçük alanların elendiğinden emin olmak için etiketleme işlemi tekrar yapılır. Sonuç sayısal bir ifadedir. Artık hücre işlenebilir hale gelmiştir. Bundan sonraki aşama klasik morfolojik işlemlerdir(eşikleme, gri seviyeye çevirme, boşluk doldurma, vb.). DVM eğitilen bir yöntem olduğundan,çalışılacak veri eğitim ve test olarak otomatik bir şekilde ikiye bölünmektedir. Program tarafından rastgele bölünen veri kümesi belirlenen özelliklere göre çeşitli sayısal değerlere atanır. Bu aşamadan sonra DVM görüntülerle değil, onların sayısal değerleriyle ilgilenir. DVM, belirlenen özellikler doğrultusunda verileri doğrusal bir ayırıcı ile ayırır. Herbir hücre için bu baştan yapılır. Program sona geldiğinde yeni bir görüntü okumak için başa dönülür.
5. SİMÜLASYON SONUÇLARI Program çok sayıda veri ile çalıştırılmıştır. Elde edilen sonuçlardan bir tanesi burada örnek olması amacıyla gösterilmektedir.
Şekil. 4 Etiketleme işleminin sonucu
Şekil 6. Daireselliği en fazla olan bölge
Şekil 5. Küçük parçalardan ayrıştırılan görüntü
Şekil 7. En son elde edilen görüntü
Yukarıdaki adımlar görüntüye uygulandıktan sonra, görüntü ile ilgili sayısal veriler oluşur ve programda işlenir. Sınıflandırıcının son kararıbusayısalverilere dayanmaktadır. Tablo 1, 2 ve 3 programın sınıflandırma amacıyla hesaplayıp kullandığı örnek sonuçlarının bir bölümünü göstermektedir.
6. SONUÇ Akut Lenfositik Lösemili hücrelerin sağlıklı hücrelerden ayırt edilmesini sağlamak içinDestek Vektör Makinelerini baz alan yeni bir yöntem önerilmektedir. Buyöntem DestekVektör Makineleritekniğinin morfolojikişlemlerle birleştirilmesinden elde edilmiştir. Programın başarı oranını sağlıklıbir şekilde belirleyebilmek için birkaç kez çalıştırmak gerekir. Program rastgele
265
örnekler seçerek gerekli işlemleri uygulamaktadır. Sonuçta başarı oranları program tarafından hesaplanır ve ekranda gösterilir. İki değişik çalışmanın sonuçları Tablo 4’te verilmiştir. Önerilen yöntemin performansı geniş bir veri kümesi ile ölçülmüştür. Başarı oranı ortalama%92 ila %93 arasındadır. Sonuçlar yöntemin Akut Lenfositik Lösemi tanısında başarıyla kullanılabileceğini göstermektedir.
Tablo 4. Rastgele çalışan program sonuçları Çalışma #1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ortalama
Tablo 1. Hücre ve çekirdek parametreleri Hücre alanı 444.0315 433.5462 356.4335 349.2203 448.4752 381.6468 444.2742 402.5757 466.9605 358.5341 377.8478 342.0488
Çekirdek alanı 499.8478 427.7473 354.2498 357.9066 451.8478 387.3625 473.9483 407.9483 457.1615 360.4924 386.5341 346.5929
Çevrelerin oranı 1.1257 0.9866 0.9939 1.0249 1.0075 1.0150 1.0668 1.0133 0.9790 1.0055 1.0230 1.0133
Çekirdek alanı
Alanların oranı
14043 11759 9028 8725 11092 9380 13141 10747 13784 8795 10246 8299
12295 10645 8486 8972 9862 9304 11922 9800 12621 8754 10217 7973
0.8755 0.9053 0.9400 1.0283 0.8891 0.9919 0.9072 0.9119 0.9156 0.9953 0.9972 0.9607
Çekirdek gri seviyesi 53.6757 54.0603 45.0100 47.3778 63.2784 57.9046 61.2176 62.5298 63.1001 51.0211 53.0100 42.2118
Kütle merkezleri arasındaki uzaklık 5.2789 4.1927 2.4905 1.0631 7.2271 3.2111 2.3401 6.9804 2.0144 0.0873 2.6773 2.2509
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ortalama
Başarı oranı 91.66% 88.33% 91.66% 95% 90% 95% 90% 96.66% 95% 96.66% 92.99%
[1]http://www.bilgininadresi.net/Madde/35397/L%C3%B6s emi-ve-L%C3%B6seminin-%C3%87e%C5%9Fitleri [2]http://en.wikipedia.org/wiki/Functional_magnetic_reson ance_imaging [3] Karagülle Fatih, Trakya Üniversitesi Yüksek Lisans Bitirme Tezi, 2008, s.17-34 [4]http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/summary?doi=10.1.1 .3.8540 [5]http://www.eksisozluk.com/show.asp?t=support%20vect or%20machines
ÖZGEÇMİŞ Esra Parmaksız, 1989 yılında, İstanbul'da doğdu. Lise öğrenimini Eminönü Cibali Lisesi'nde tamamladı. 2011 yılında Haliç Üniversitesi Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü'nden mezun oldu. Bitirme tezini lösemi hastalığının teşhisinde destek vektör makinelerinin kullanımı üzerine yaptı.
Tablo 3. Hücre çekirdek ve kütle merkezleri arasındaki mesafe ve gri seviyeleri Hücre gri seviyesi 59.4725 60.5216 48.5251 45.6605 72.1852 59.6198 66.5581 69.0248 68.7824 51.5037 53.1636 44.5142
Çalışma #2
7. KAYNAKÇA
Tablo 2. Hücre ve çekirdek alanları Hücre alanı
Başarı oranı 96.66% 88.33% 90% 95% 96.66% 91.66% 91.66% 93.33% 90% 96.66% 92.33%
Figen Özen, lisans, yüksek lisans ve doktora öğrenimini Boğaziçi Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü'nde tamamladı. Doktora çalışmaları sırasında New Jersey Institute of Technology'de dersler alıp, araştırma yaptı. Master ve doktora tezlerini Robot kontrolü konusunda yazdı. Boğaziçi Üniversitesi'nde ve New Jersey Institute of Technology'de araştırma görevlisi, Koç Üniversitesi'nde öğretim görevlisi olarak çalıştı. Halen Haliç Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü'nün tam zamanlı, İstanbul Teknik Üniversitesi Matematik Mühendisliği Bölümü'nün yarı zamanlı öğretim üyesidir. İşaret ve görüntü işleme konularında araştırmalar yapmaktadır.
266
ÖZYÜZ YÖNTEMİ İLE YÜZ TANIMA Müge Çarıkçı1, Figen Özen2 T.C. Haliç Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, İstanbul, TÜRKİYE Tel: 212 343 08 87 E-posta:
[email protected], E-posta:
[email protected] Özet
•
Yüz tanıma sisteminin temelinde her insanın farklı ve benzersiz bir yaratılışta yüz yapısına sahip olması yatmaktadır. 1960'lı yıllarda yüz tanıma konusunda çalışmalara başlanmıştır ve günümüzde çeşitli kuruluş ve şirketlerde güvenlik sağlama amacıyla kullanılmaktadır.
•
Bu çalışmada Özyüz yöntemi ile yüz tanıma üzerinde durulmuştur. Geliştirilen algoritma ile 2660 görüntüden oluşan bir veritabanı üzerinde tanıma işlemi gerçekleştirilmiştir. Sonuçta bütün görüntüler başarıyla tanınmıştır. Simülasyon çalışmalarından örnekler bildiriye eklenmiştir. Anahtar sözcükler: Yüz tanıma, Özyüz yöntemi, Temel Bileşenler Analizi
1. GİRİŞ Yüz tanıma sisteminin temelinde her insanın farklı ve benzersiz bir yaratılışta yüz yapısına sahip olması yatmaktadır. Tıpkı parmak izinde olduğu gibi yüz yapısında da insana özgü olan benzersiz yapılar vardır. Fakat yüzdeki bu benzersiz yapının varlığı fazla bilinmez. Yüzlerin simetrisi olarak bilinen hatların bilgisayar ortamında yapılan eşleştirilmesiyle yüz tanıma işlemi gerçekleştirilmiş olur. 1960'lı yıllarda yüz tanıma konusunda çalışmalara başlanmıştır ve çeşitli kuruluş ve şirketlerde güvenlik açısından kullanılmaktadır. Bilgisayar ortamında tanıma için görüntülerin doğru bir şekilde kullanılması gerekmektedir. Öncelikle görüntü içerisindeki yüzün bulunması, daha sonra yüze özgü farklılıkların saptanması ve bunun sayısal olarak iki boyutlu biçimde ifade edilmesi gerekir. Bu işlemleri yapabilmek için yüz görüntülerinden oluşan veri tabanına ve bu görüntüleri tanımada kullanılacak bir yordama ihtiyaç vardır. Bazı uygulamalarda yüz görüntüsü, bireyi tanımak için uygun olan tek veri kaynağıdır. Bunun bir örneği videodan elde edilen yüz görüntüsüdür. Yüz tanımadaki başarı oranı, güvenliği arttırmada önemlidir. Örneğin ATM ve kredi kartı şirketleri, hatalı kullanım ve sahtekârlığı önlemek için kredi kartına kişinin resmini ekleyebilir. Yüz tanıma sistemi kredi kartı sahibinin resmini tanıyabilir ve yüksek seviyede güvenlik sunabilir [1]. Yüz tanımadaki zorluklar şu şekilde sıralanabilir: • Resmin kayması ve ölçeklendirilmesi,
•
Yüz ifadelerindeki farklılıklar (poz farklılığı, değişik saç şekilleri, makyaj, sakal, vb.), Işık durumu (iki farklı ışık gelmesinden kaynaklanan problemler, ortam ışığının yetersizliği, vs.), Yaşlanma [2].
Kullanılan algoritmanın bütün bu zorluklara karşın başarılı sonuç vermesi gerekir. Çünkü ışık her ortamda aynı olmayabilir, ya da bir insanın o anki görüntüsü ile 2 ay sonraki görüntüsünde farklılıklar olabilir [1]. Literatürde çeşitli yüz tanıma algoritmaları bulunmaktadır. Bunların bir kısmının sonuçları aşağıda özetlenmiştir. Temel Bileşenler Analizi (TBA), 400 adet görüntüden oluşturulan eğitim setinde kullanılmış ve tanımada %79.65 oranında başarı elde edilmiştir. Temel Bileşenler Analizi ve İlişkili Bileşenler Analizi birlikte kullanılarak aynı eğitim setindeki tanımada başarı oranı arttırılmıştır [3]. Bağımsız Bileşenler Analizi (BBA) ile yüz tanımanın başarısı, iki farklı fonksiyonun kullanımıyla değişmektedir. Aynı eğitim setindeki görüntülerde hiperbolik tanjant fonksiyonu ile %69.40, Gauss fonksiyonu ile %81.35 oranında doğru tanıma elde edilmiştir [4]. Saklı Markov Modeli (SMM), görüntülerden bazı kesitler alınarak ve bu kesitleri matematiksel işlemlerden geçirerek yapılan tanıma yöntemidir. Bu yöntemle 200 adet görüntüden oluşan eğitim setinde tanıma oranı %84 olarak belirlenmiştir [5]. Aktif Görünüm Modeli (AGM), yapıların tahmini şekillerini, bu şekiller üzerindeki belli başlı noktaları ve noktalar arasındaki ilişkileri kullanan yöntemdir. Eğitim seti 60 ila 65 arasında olan görüntülerde doğru tanıma oranı %78.12 - %92.05'tir [6], [7]. Dalgacık Dönüşümü, tanıma işleminden önce yüz resminin boyutunu azaltmak için, ya da bir sinyali ortalama bir şekil ve detay katsayılarına çözümlemek için kullanılabilir. Avantajı, görüntünün boyutlarında küçülme sağlamasıdır. Yüz adetlik bir eğitim setinde yüz tanıma başarısının %80%91 oranında olduğu bulunmuştur [1]. Destek Vektör Makineleri (DVM), doğrusal olarak ayrıştırılabilen veri yapıları için en iyi ayırıcı düzlemin belirlenmesinde kullanılan bir yöntemdir. Yüz tanımada ve diğer örüntü tanıma uygulamalarında da kullanılmaktadır. Avantajı, öğrenme ve pratik uygulamalarda yüksek performans göstermesidir. Eğitim setindeki örnek sayısının 267
durumlarda elde edilen değerlerin birbirine eşit olmasıdır. Bunun sebebi şudur: Eğer bir vektör bir oranda ölçeklenirse biraz daha uzun ya da kısa hale gelir. Bu sayede veri x ve y eksenlerinde ifade ediliyorken, artık sadece tek boyutlu dikey bir vektörün terimleri olarak ifade edilebilir. Her bir özvektör onunla ilintili özdeğer olarak adlandırılan bir değere sahiptir. Temel özvektörler de kendileri ile ilintili en yüksek özdeğerlere sahip olan özvektörlerdir [13].
önemi olmayan bir yöntemdir. Tanımadaki başarı oranı %85-%92.1 arasında değişmektedir [8], [9]. Gabor Dalgacık Dönüşümü, gelişmiş canlılardaki konik görme sinirlerinin uzaysal frekans ve yönelim seçici özelliklerinden esinlenmektedir, görüntüleri etkin bir şekilde analiz etmeyi sağlar. Bu dönüşümle 600 adet test resminden oluşan eğitim setinde %92 oranında doğru tanıma yapılmıştır [10].
2.2 Özyüz Yönteminin Matematiksel İfadesi Yapay Sinir Ağı (YSA), bir öğrenme sürecinden sonra bilgiyi toplama, hücreler arasındaki bağlantı ağırlıkları ile bu bilgiyi saklama ve genelleme yeteneğine sahip paralel dağılmış bir işlemcidir. Ses tanıma, karakter tanıma, robot kontrolleri, görüntü işleme ve yüz tanıma sistemlerinde çok sık kullanılmaktadır. Yüz tanımada %92-%100 oranında başarı sağlamaktadır [11].
Görüntü N×N’lik çok boyutlu uzayda tanımlıdır. Yani N×N görüntünün boyutlarıdır. Görüntü N×N boyutlu bir dizide saklanabilir. Bu görüntü vektörü [Г] olarak düşünülebilir. 1
Bu çalışmada Özyüz (eigenface) yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntemin tercih edilmesinin sebepleri: • Yöntemin yüzün geometrisinden bağımsız olması, • Gerçeklenmesinin kolay olması, • Özel donanım kullanılmadan bile gerçek zamanda çalışabilmesi, • Tanımanın diğer yöntemlere göre çok daha kolay ve hızlı olması, • Başarı oranının diğer yöntemlere göre daha yüksek olmasıdır.
1
Γ
{ Гi⏐ i= 1, 2, 3, … , M }
M: Görüntü sayısı
Her bir görüntünün ortalamadan farkı ayrı ayrı hesaplanır. i
;
Γi
1, 2, … ,
(2)
Kovaryans matrisi aşağıdaki gibi hesaplanır: C
ATA
A
,
, ... ,
(3)
C matrisinin boyutu N×N'dir. Ancak C matrisi oluşturulurken M tane görüntü kullanılmıştır. Pratikte C matrisinin boyutu N×M olur. Öte yandan, C matrisinin N tane özvektöründen sadece M tanesi dışındakiler 0 öz değerine sahiptir. C matrisini oluştururken kullanılan A matrisi N×M boyutunda olduğundan ve A matrisinin rankı M olacağından, M tane özvektöre sahiptir.
2. ÖZYÜZ (EIGENFACE) YÖNTEMİ Özyüz yöntemi Temel Bileşenler Analizine dayanır. Amaç, verilen yüzün karakteristik özelliklerini elde ederek, bu yüzü daha önce bu karakteristik özelliklerden oluşturulan özyüzlerin doğrusal bileşimi olarak ifade etmektir. Bu amaçla eğitim kümesinde yer alan yüzlerin temel bileşenleri oluşturulur. Tanıma işlemi, yeni bir yüzün elde edilen özyüzlerden oluşturulan yüz uzayına izdüşümü ile gerçeklenmektedir. Özyüzlerden oluşturulmuş özvektörler ile sisteme tanıtılmış yüzlerin karakteristik özelliklerinden bulunmuş yüz uzayındaki konumları arasında karşılaştırma işlemi yapılır. Karşılaştırma sonucunda ortaya çıkan uzaklık yeteri kadar yakın ise bu yeni yüz, sisteme daha önce tanıtılmış demektir. Aksi halde yeni yüzün yüz uzayındaki konumu saklanarak, sistemin bu yüzü tanıması sağlanır. Bu yöntemin tercih edilme sebebi basit olması, hızlı bir tanıma sağlaması ve öğrenme becerisidir [12].
Bu yaklaşımdaki problem, kovaryans matrisinin boyutlarının çok büyük olmasıdır. Bu işlem verilen görüntü grubu için tamamlanamayabilir. Örneğin; 256×256 boyutlu bir görüntünün kovaryans matrisi 256×256 satır ve 256×256 sütun olacaktır. Bu matrisin saklanması çok zordur. Ayrıca bu matrisin bulunması da çok zor hesaplamalar gerektirir. Bu problemi çözmek için öncelikle L matrisi hesaplanır. L
2.1 Özdeğerler ve Özvektörler
AT A
(4)
Bununla ilişkili özvektör Vi (i= 1, 2, ... , M) bulunur:
Kare bir matris, bir vektör ile çarpılırsa, orijinal pozisyonu değiştirilmiş başka bir vektör elde edilir. Matris sol çarpan olarak kullanıldığında vektörü üzerine yansıtan bir dönüşüm matrisi için üzerinde bir vektör, vektörün hem kendisini hem de yansımasını temsil etmektedir. Bu vektör (ve vektörün bütün çarpanları) dönüşüm vektörünün özvektörleridir. Özvektörler sadece kare matrisler için bulunabilir. Özvektörleri tanımlı olan N×N’lik bir matrisin N tane özvektörü vardır.
C kovaryans matrisinin özvektörleri şu şekilde bulunabilir: U
,
, ...,
]
, .
, ...,
][ ,
, ...,
] (5)
Yukarıdaki yöntemle elde edilen özyüzler ancak ışıklandırmanın test ve eğitim setlerinde aynı miktarda kullanıldığı, verilen yüz görüntülerinin test ve eğitim setinde aynı büyüklükte olduğu, kişinin kameradan uzaklığının iki küme için de aynı olduğu, atkı gibi yüzün belirli kısımlarının işlenmesini engelleyici faktörlerin iki
Özvektörlerin diğer bir özelliği, eğer vektör ölçeklenip de kullanılırsa, ölçeklenmiş ve ölçeklenmemiş olduğu 268
kümede de bulunmadığı uygun görüntülerini tanımada yeterlidir [14].
durumlarda
yüz
3. SİMÜLASYON SONUÇLARI Bu çalışmada kullanılan veritabanından alınan örenk görüntüler Şekil 2’de gösterilmiştir.
Küçük özdeğerlere karşılık gelen özvektörler, kovaryans matrisindeki küçük değişiklikleri gösterir. Bunların bir kısmını ihmal etmek, yüzün birçok ayırıcı özelliğini kaybetmek anlamına gelmez. İstenilen özvektörlerin sayısı veritabanını ne kadar doğrulukla tanımak istediğimize bağlı olarak değişir ve deneyerek bulunabilir. Seçilen bu özvektörler grubu özyüzler olarak isimlendirilir. Özyüzler bir kere elde edilince veri tabanındaki her görüntü özyüz alanına yansıtılır ve izdüşümünden elde edilen katsayılar kaydedilir. Test görüntüsünü sınıflandırmak için bu görüntünün özkatsayıları benzer şekilde hesaplanır ve daha sonra veritabanındaki her bir görüntünün özkatsayısı ile karşılaştırılır. Bundan sonra ise deneme görüntüsü en iyi özkatsayıya sahip olan kişi olarak sınıflandırılır.
Şekil 2. Kullanılan veritabanından alınan örnek görüntüler
2.3 Özyüz Algoritması
Eğitim setinin örnek yüz görüntülerinin bir kısmı şekil 3’te gösterilmiştir. Eğitim seti, kişilerin 20'şer farklı görüntüsünden oluşturulan veritabanıdır. Bu farklılıklar kişilerin yüzlerindeki mimikler, bakışlar ve duruşlarından oluşmaktadır. Bu görüntülere ilişkin bir örnek Şekil 4’te gösterilmiştir.
Kullanılan Özyüz algoritmasının akış diyagramı Şekil 1’de gösterilmiştir. Orijinal görüntüler tanıma sistemi girişine eklenir. Bu görüntüler ile özyüz veritabanı oluşturulur. Oluşturulan veritabanı içindeki görüntülerin özvektörleri bulunur. Bu işlem tamamlandıktan sonra eğitim seti oluşturulmuş olur. Tanıma sisteminin bilmediği test görüntüsü sistem girişine geldiğinde tanıma işleminin ilk adımı başlamış olur. Bu test görüntüsünün özvektörü bulunduktan sonra veritabanı içerisindeki görüntülerin özvektörleriyle karşılaştırması yapılır. Özvektörler arasındaki fark sıfırdan küçük ise yüz tanınmış demektir ve sistem çıkışına verilir. Aynı zamanda bu görüntü veritabanına da eklenir. Özvektörler arasındaki fark sıfırdan küçük değil ise yüz tanınamamıştır bilgisi çıkışa verilir. başla
NxN boyutlu eğitim görüntüleri okunur
N2xM boyutlarında eğitim seti oluşturulur (M: örnek sayısı)
ortalama yüz bulunur, eğitim setindeki yüzlerden çıkartılır, A matrisi oluşturulur
kovaryans matrisi hesaplanır: AA'
her bir özyüz ile aradaki Öklid uzaklığı hesaplanır
en küçük Öklid uzaklığı olan görüntü bulunur
görüntüler N2x1 boyutlarına getirilir
kovaryans matrisi için özvektörler hesaplanır
özyüzler hesaplanır
seçilen örnek görüntü için özyüz hesaplanır
azaltılmış özyüz uzayı oluşturulur
Şekil 3. Eğitim setinden alınan örnek yüz görüntüleri
Şekil 4. Kişinin 20 farklı görüntüsünden oluşan örnek
çıkış: Öklid uzaklığı en küçük görüntü
Eğitim setindeki görüntülerin ortalama yüz görüntüsü şekil 5’teki gibidir.
Şekil 2. Özyüz algoritmasının akış diyagramı
269
Bu görüntüye ilişkin tanıma işleminin grafiği Şekil 8'de gösterilmiştir. Grafikte düşey eksen Öklid uzaklığını, yatay eksen ise görüntülerin veritabanında kayıtlı olduğu örnek numarasını simgelemektedir. Bu görüntü için program tarafından 1900 numaralı görüntünün doğru kişi olduğuna karar verilmiştir.
Şekil 5. Eğitim setindeki görüntülerin ortalama yüz şekli
En yüksek özdeğerlere sahip 10 adet özyüz, şekil 3’te örnek olarak verilen eğitim setinden hesaplanmıştır ve Şekil 6’da gösterilmektedir.
Şekil 8. Birinci örneğin tanıma işleminin grafiği
Diğer bir sonuç da Şekil 9'da gösterilmektedir; tanıma işleminin grafiği ise Şekil 10'dadır. Bu görüntü için program tarafından 1650 numaralı görüntünün ait olduğu kişinin doğru kişi olduğuna karar verilmiştir.
Şekil 6. En yüksek özdeğere sahip 10 adet özyüz
Her bir yüz, özyüzlerin lineer bir kombinasyonu olarak, kesin bir şekilde temsil edilebilir. Her yüz, ayrıca sadece ‘en iyi’ özyüzleri kullanarak tahmin edilebilir. Bu en iyi özyüzler en büyük özdeğerlere sahiptir ve bu nedenle yüz görüntüleri seti içinde en fazla değişime karşılık gelir. En iyi M özyüz, tüm muhtemel görüntülerin oluşturduğu ‘yüz uzayı’ adı verilen bir M boyutlu alt uzayını gerer [15]. Bu çalışma için yazılan program çalıştırılırken, sisteme 133 faklı kişiden istenilen görüntü girilir. Bu görüntü test görüntüsü olur. Geriye kalan 2659 adet görüntüden Öklid uzaklığının en az olduğu görüntü seçilerek tanıma işlemi gerçekleştirilir.
Şekil 9. İkinci örneğin tanınması
Programın çalışması iki görüntü üzerinden örneklenmektedir. Şekil 7'deki test görüntüsü gözlüklü bir kişiye aittir. Çoğu algoritma gözlük gibi bir detay söz konusu olduğunda yanılabilmektedir. Ancak burada çalışılan algoritma, bu konuda başarılı bir sonuç elde etmiştir.
Şekil 10. İkinci örneğin tanıma işleminin grafiği Şekil 7. Birinci örneğin tanınması
270
Proceedings of the 2nd IEEE Workshop on Applications of Computer Vision, Sarasota, Florida, 1994. [6] Çağlar Tırkaz, Songül Albayrak, "Aktif Görünüm Modeli Kullanarak Yüz Tanıma", Sinyal İşleme ve İletişim Uygulamaları Kurultayı (SIU2009), 16-18 Mayıs, Erciyes Üniversitesi, Kayseri, 2009, s. 43-66. [7] Fatih Kahraman, Binnur Kurt, Muhittin Gökmen, "Aktif Görünüm Modeline Dayalı Yüz Tanıma", Sinyal İşleme ve İletişim Uygulamaları Kurultayı (SIU2005), 8-10 Nisan, Antalya, 2005. [8] Burcu Kepenekci, Gözde Bozdağı Akar, "Destek Vektör Makinası ile Yüz Sınıflandırma , IEEE 12. Sinyal İşleme ve İletişim Uygulamaları Kurultayı, 28-30 Nisan, Kuşadası, 2004. [9] Fatih Karagülle, "Destek Vektör Makinelerini Kullanarak Yüz Bulma", Yüksek Lisans Tezi, Trakya Üniversitesi Bilgisayar Mühendisliği Bölümü, Edirne, 2008. [10] E.S. Konak, O. Öztaş, "Bilgisayar Destekli Yüz Tanıma Sistemi", Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Üniversitesi Bilgisayar Mühendisliği Bölümü, 2006. [11] Halit Ergezer, "Yüz Tanıma: Özyüzler, Yapay Sinir Ağları, Gabor Dalgacık Dönüşümü Yöntemleri", Yüksek Lisans Tezi, Başkent Üniversitesi Bilgisayar Mühendisliği Bölümü, Ankara, 2003. [12] Matthew Turk, Alex Pentland, "Face Recognition Using Eigenfaces", Proceedings of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, USA, 1991, pp. 586-591. [13] http://individual.utoronto.ca/rav [Ziyaret tarihi: 20.3.2011]. [14] Kubilay Kıymacı, "Yüz Tanıma Sistemi Algoritmalarının Geliştirilmesi", Bitirme Tezi, Kocaeli Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Bilgisayar Mühendisliği, 2010. [15] Matthew Turk, Alex Pentland, "Eigenfaces for Recognition", Journal of Cognitive Neuroscience, Vol. 3, 1991, pp. 71-86.
4. SONUÇLAR Bu çalışmada kullanılan veritabanı, 133 kişinin 20 farklı görüntüsünden olmak üzere toplam 2660 adet görüntüden oluşturulmuştur. Kişilerin 20 farklı pozu 133 adet klasörde toplanmıştır. Bu görüntüler, kişinin yüz ifadesindeki ufak mimik farklılıklarını göstermektedir. Tanıma işlemi için 133 farklı kişiden istenilen birisi seçilmekte, böylece seçilen kişinin farklı pozlarının bulunduğu klasör seçilmektedir. Program bu klasördeki farklı pozlardan rastgele birini seçerek, diğer 2659 adet görüntünün daha önceden hesaplanmış özdeğerleri ile karşılaştırmakta, bu karşılaştırma sonucunda farkın en az olduğu görüntüyü bulunarak tanımayı gerçekleştirmektedir. Yapılan denemeler sonucunda doğru tanıma oranı %100 olarak bulunmuştur. Alınan sonuçlar göstermektedir.
Özyüz
yönteminin
güvenilirliğini
5. KAYNAKÇA [1] Abdullah Özdemir, Mustafa Artıklar, "Dalgacık Dönüşümünü Kullanarak Ön Cepheden Çekilmiş İnsan Yüzü Resimlerinin Tanınması", Yüksek Lisans Tezi, Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi ElektrikElektronik Mühendisliği, 2007. [2] Muhittin Gökmen, Binnur Kurt, Fatih Kahraman, "Çok Amaçlı Gürbüz Yüz Tanıma", Tubitak Projesi, İstanbul Teknik Üniversitesi Bilgisayar Mühendisliği Bölümü, 2007. [3] Bilal Karaduman, "Bilgicik Tabanlı İlişkili Bileşen Analiziyle Eğiticisiz Yüz Tanıma Modeli", Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü, 2008. [4] Işıl Yazar, Hasan Serhan Yavuz, Mehmet Atıf Çay, "BBA Yönteminde Tanh ve Gauss Fonksiyonları Kullanılarak Yüz Tanıma Verimliliklerinin Karşılaştırılması", 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu IATS'09, Karabük, 2009. [5] F. S. Samaria, A. C. Harter, “Parameterization of a Stochastic Model for Human Face Identification”,
271
RÜZGÂR GÜCÜNDEN; BASINÇLI HAVA, GAZ ve ELEKTRİK ENERJİSİ ÜRETİMİ Mehmet Aygün Büyükçekmece/İstanbul Tel:0212 8833383 GSM:0533 525 26 15, E-Posta:
[email protected] primer enerji kaynaklarını oluştururken ne kadar temiz, ne kadar ucuz, ne kadar güvenli olduğu artık sorgulanmayan, bilinen bir gerçektir. kyoto sözleşmesiyle enerji üretiminde çevre faktörleri önemli bir yer tutmuş ve kirlilik oluşturan enerji kaynaklarının sınırlandırılmasına gidilmiştir. Son zamanlarda Japonya da meydana gelen depremde çok ileri ve güvenlikli bir teknoloji olan nükleer santralin zarar görmesiyle oluşan felaket durup bir daha düşünmemiz gerektiğini göstermiştir. Bunun yanında günümüzde deniz ve okyanuslardaki dalga hareketleri, güneş, rüzgârdan vs. elde edilen enerjinin ihtiyaca ne kadar cevap vereceğidir bu nedenle enerji kaynaklardaki çözüm arayışları devam edeceği muhakkaktır.
Özet Rüzgâr bilindiği gibi güneş ten dünyamıza yansıyan ışınlarının oluşturduğu sıcaklığın etkisi ve bölgeler arası sıcaklık farkları sonucu cephe sistemlerinin yer değiştirmesi ile meydana gelir. Bu oluşum dünyanın kendi ekseni atrafındaki dönüş hareketi sonucu oluşan,savrulması (coriolis) kuvveti ve dünya üzerindeki tepe, dağ sıraları, denizler, yamaçların vs. bu oluşumları kılavuzlamasıyla akış alanları oluşturarak rüzgârlar meydana getirir. Rüzgârın bu akışından yararlanılarak, rüzgâr türbinlerinden elde edilen güç ile pompa çevrimi sağlanarak, basınçlı havanın sistem içerisinde depolanması, depolanarak kontrol edilen basınçlı havanın uygun değerlerde kullanılmasıdır.
Rüzgârdan elde edilen elektrik enerjisi bu gün bilinen yöntem: rüzgâr türbini, şaft, dişli kutusu, fren sistemleri, jeneratör, akümlatör sistemi, invantör ve ulusal şebekeye aktarılmasıyla süreç tamamlanırken tek amaç vardır oda elektrik üretimidir. bu projemde; Rüzgar türbini, şaft, dişli kutusu, hava pompası, çekvalf, basınçlı hava tankları ile kontrol edilen basınçlı havanın ulusal ağ oluşturularak ihtiyaç alanlarında direkt kullanılması ve basınçlı hava içerisindeki özellikle azot ve oksijenin özel yöntemlerle ayrıştırılarak ihtiyaç alanlarında kullanılması ve ilave basınç yükseltmeleri, ısıtıcı, regülatör valf, basınç güç türbini, jeneratör ve elde edilen büyük miktardaki elektrik enerjisi olarak kullanılmasıdır
1-Planlanan ihtiyaca göre belli bir kademeden basınçlı hava olarak kullanıma sunulması, 2-Rantabl değerler içerisinde (optimize edilerek) basınçlı havanın, basınç güç türbininin jeneratörü çevirmesiyle elektrik enerjisi çıktısı elde edilerek kullanıma sunulması, 3-Rüzgâr türbini aracılıyla elde edilen basınçlı hava, içerisinde bol miktarda bulunan azot, oksijen vs. gazların özel yöntemlerle elde edilmesiyle kullanıma sunulması,.
Anahtar Sözcükler: Basınçlı hava üretimi. Elektrik enerjisi üretimi, gaz elde edilmesi.
RÜZGÂR TÜRBİNLERİ
AÇIKLAMA
Dünyada ve Türkiye de rüzgârdan, enerji üretimi bilindiği gibi rüzgâr gücünden yararlanılarak elde edilen mekanik güçle jeneratörün çevrilmesiyle elektrik enerjisi elde edilmektedir.
Rüzgâr gücünden yararlanılması çok eski yıllardan beri bilinmekle beraber kullanım alanı çok sınırlı kalmıştır. Ancak son 50 yıl içerisinde sanayileşmeyle beraber enerjiye olan taleplerde artmış olması özellikle petrole olan taleplerin artmasıyla oluşan dar boğazda alternatif enerji kaynaklarına ihtiyaç duyulmuştur. Bir ürünün en önemli girdisini ve rekabetteki avantajı sağlayan ucuz enerji insanları ve ülkeleri alternatif enerji kaynaklarına yöneltti, bu rekabet hep devam etmekle beraber artık enerjide ucuzluğun yanı sıra kaliteli, sürdürülebilirlik, çevreye duyarlı ve güvenli enerji arayışları günümüzün en önemli değerleri olmuştur. İnsanlar daha kaliteli bir yaşam sürdürebilmesi ve gelecekteki nesillere iyi bir miras bırakmadaki yolun yenilenebilir enerji kaynaklarına ağırlık vermenin zaruretini hissetmişler ve bu alandaki faaliyetlere birçok ülke inanılmaz teşvikler vererek desteklemektedir. Bugün ülkemizin ve dünyanın da önemli bir enerji üretim kaynağı olan;petrol,doğalgaz, kömür, hidrolik, nükleer, vs.
Rüzgârın esmesiyle oluşan yüksek değerlerdeki gücü mekanik enerjiye çeviren yapıya rüzgâr türbini denir. Rüzgâr türbinleri farklı yapı ve pozisyonlarda olabilir. *yatay eksenli rüzgâr türbini *düşey eksenli rüzgâr türbinleri
a) Yatay eksenli rüzgâr türbinleri: Yatay eksenli türbinler 2 kanatlı ve çok kanatlı olarak yapılabilir. Yüksek rüzgâr hızlarında ve elektrik üretiminde daha çok 2 veya 3 kanatlı türbinler verimli olurken, çok kanatlı rüzgâr türbinleri daha çok düşük rüzgâr hızlarında verimli olmaktadır. 273
1-Türbin kanadı,2-Göbek,3-Kule,4-Düşük hız şaftı,5-dişli kutusu,6-Rüzgar olçer,yön algılayıcısı,7- Yüksek hız şaftı,8-Jeneratör,9-Elektrik trafosu Yatay eksenli rüzgâr türbinlerinde, kanatlar rüzgârın akış yönüne dik pozisyondadır. Aslında bu bakış açısında rüzgârın güç üretmesi, moment oluşturması olmamaktadır. Moment oluşumu rüzgârın akışına tam 900 de mümkün olmaktadır. Bu yönde etkiyen kuvvetler elde edilecek enerjide sınırlı kalınmasına sebep olunmakta ve göbek şaft ı üzerinde ilave yataklama önlemleri alınmasını gerektirmektedir. Rüzgarın esmesine göre konumlanmış bir türbini göz önüne alırsak,eksenden itibaren sağ ve sol taraflarda rüzgarın etkimesi ile iki şekilde tepki vermektedir.Rüzgar akışına uygun kanat aerodinamik yapıda oluşturulan projeksiyon alana etkiye rüzgarın açısal değişiminin etkisi olan kuvvetler, bizim esas itibariyle rüzgar gücünden faydalandığımız bu kuvvetlerdir. rüzgarın akış çizgisinde devam etmesi için, hareket eden kanat, devrini aşağıdan yukarı doğru devam ettirirken yüzey alanına kaldırma,yukarıdan aşağı doğru hareketinde bastırarak oluşturduğu kuvvetle moment uygulaması meydana getirir.Rüzgar akış çizgisini koruyup yoluna devam etmek isterken,kanat projeksiyon yüzeyine etkimesi ve kanatın tepki vermesiyle mekanik güç oluşur.(Rüzgar akışında türbin kanadını iz düşümde gördüğü yüzey alanı) Rüzgârın akışını kanat üzerinde bir düzlemde çizgi akışında kuvvete indirgeyerek inceleyecek olursak;
Şekil-1 Rüzgar akışı ve dönme yönü
Bunların bazı avantaj ve dezavantajlarına karşın burada ağırlıklı olarak; aralarında 1200 açı olan 3 kanatlı rüzgâr türbinlerini göz önüne alacağız.
y ekseni yönünde dışa savrulan rüzgar kuvvetleri daha küçük değerlerde kaldığı ve olumsuzluk yaratmadığından önemsiz kabul edilmiştir.ancak sistemin çalışmasıyla rüzgarın dışa savrulması, etkiyen kuvvetler kanat uç noktalarında yığılmakta ve sistem verimi düşmekte,bu nedenle daha büyük yapı ve dengelere ihtiyaç duyulur.
a) ön görünüş
Bunu şöyle de gözlemleyebiliriz;durgun bir su yüzeyine yukarıdan düşen bir damlanın etkisiyle meydana gelen merkezden dışa doğru oluşturduğu dalga yayılma etkisindeki gibi,göbekten dışa doğru yayılan rüzgar gücü kayma gradyeni oluşturarak rüzgar gücünün dışa savrulmasına sebep olacak ve daha büyük yapıya ihtiyaç duyulacaktır.
b) yan görünüş
Şekil-2 Rüzgar türbini elektrik üretimi
274
kanat üzerindeki kesme (Fkmax ) kuvveti dağılımı kanat büyüdükçe Fmax da büyüyeceğinden,daha büyük maliyetler oluşturur ve olumsuzluklar artar.dolayısıyla kanat üretiminde boyutlandırmada sınırlı kalınmaktadır.
Şekil-2,3 de K noktasında kanata temas eden rüzgâr
fxmax’dır. Ancak kararsızlık noktasındadır. bu noktada, fzmin’dir. Rüzgâr kanat üzerinde L noktasına doğru ilerlerken, rüzgâr akışının sürekliliğiyle yüzey büyüklülüğü ve yüzeyde oluşacak yığılmayla yüzeye etkiyen rüzgâr gücünden, z ekseni yönünde, fz kuvveti de oluşur. Yüzey alanının büyüklüğüyle, yüzeye basınç etkisi yaparak türbin kanatının tepki vermesiyle moment (fz) üreten kuvvet oluşur. Kararsızlık noktasından hemen sonra ki kanatın J noktasına sarkan rüzgâr akımı bizim istemediğimiz olumsuzluk (duvar) oluşturur ve elde edilecek verimi negatif yönde etkiler. Ancak bu kısma sarkan rüzgâr akımı aerodinamik yapı ile minimize edilerek, diğer yüzey alanı yanında daha küçük değerlerde kalır şekilde düzenlenerek etkisizleştirilir. KLM çizgisi boyunca etkiyen rüzgâr kuvvetleri daha etkin konumdadır. KLM kanat yüzey çizgisi üzerinde L noktasına doğru ilerlerken, fx azalan, fz artan değerler alır. L noktasında bir fxz bileşke kuvveti etkindir. bu çizgi üzerinde harekete devam edildiğinde, M noktasına doğru fx azalır,fz artarak devam eder ve artık rüzgarın moment üreten kuvveti, M noktasında fzmax,fxmin olur ve rüzgardan elde edilecek dinamik süreç tamamlanmış olur. Bu süreç içerisinde göbek (hub) etrafında dönme momenti oluşturulmuş ve bu şekilde şafttan mekanik güç elde edilmiş olur.
kanat üzerine etkiyen rüzgar yayılı bir yük etkisi oluşturur bu yayılı yükü moment oluşturan tekil yük (Fortlama) etkisi daha büyük değerlerde olması için kanat uç kısmına uygulanan rüzgar kuvvetlerinin artırılması demektir.
kanat üzerine etkiyen yükler;
Moment yaratan (Fort=Fz,topl) kuvvetlerin etkisi Rüzgar türbininden elde edilen tork, kanat projeksiyon yüzey alanı, kanat uzunluğu, fz ve fz in Ө açısı değişimindeki, toplam kuvvetlerin oluşturduğu momentin fonksiyonudur. Rüzgâr türbinlerinden düşük hızlarda beklenenden daha az (türbin kanadının taradığı alan içerisinden geçen rüzgar kanat tarafından enerjisi alınmadan yoluna devam eder) enerji elde edilirken, daha büyük hızlarda da daha fazla üretim mümkündür ancak daha hızlı rüzgârlarda ise sistem
kanat yapısı
275
bu proje kapsamı içerisinde yer alan rüzgar gücünden yararlanılarak basınçlı hava üretim türbinine kısaca kompreton diyeceğiz.
emniyeti açısından sınırlı kalınmaktadır. Rüzgâr hızıyla dönmekte olan bir önceki kanatın, etkidiği rüzgârın iz düşümü, takibindeki kanatla sınırlandığı noktada en üst değerde verim elde edilir. Burada elde edilen güç ifadesi; P=1/2q.A.Vr3 [Watt] bu ifadede;
KOMPRETON ÇALIŞMA PRENSİBİ
Şekil-2 kanat bindirme sınır noktasında görüntü P=Güç, q=Hava yoğunluğu,A=Rüzgar türbini kanatlarının taradığı alan,Vr =Rüzgar hızını ifade etmektedir.elde edilen çıktı rüzgarın küpüyle orantılı olarak arttığından,rüzgarın hızı en önemli etkendir. Kanat aralarından geçen tüm rüzgâr gücünden yararlanılmış demektir, rüzgâr çok hızlı esiyor ise kanat bindirmesi oluşur. Kanat bindirmesinde, Türbin kanatları arasından geçen rüzgâr bir önceki kanat arasından geçecek rüzgâr, takibindeki kanat üzerine düşüyorsa (yüksek dönme hızı) rüzgâr karşıya geçme fırsatı bulamayacağından türbin önünde baraj oluşturacaktır. Bu yığılma sonucu sistem yükü taşıyamayacak ve aşırı yüke maruz kalan yapı, sistem tahribatına sebep olacaktır. Dolayısıyla sistemden yararlanılması kanat bindirme noktasıyla sınırlıdır. Bu notada sistem emniyet tedbirleri devreye girer.
a) Ön görünüş Şekil-3 Kompreton
Rüzgâr gücünden yararlanılarak Rüzgar türbini kanatları (1) den elde edilen mekanik güç, bir şaft (4) aracılığıyla dişli kutusu (5) ile ihtiyaca uygun devirlerde regüle edilerek, uygun devirlerde elde edilen çıktıyla,Yüksek devir şaftı (7) ile bir hava pompasının (8) çalıştırılması sağlanır. Rüzgâr türbininden alınan güçle çevrilen pompadan sıkıştırılan hava (basınçlı hava) aşağı bir noktada bir çekvalf (8) aracılıyla kontrol edilir. Yani rüzgâr türbini gücüyle hava pompası çalıştırılması işidir, bu da bilindiği gibi güncel hayatta kullanmış olduğumuz kompresör görevidir. Rüzgâr türbininin verimini artırmak için pompa arkasına yerleştirilen bir yelkapan (9) ile izole edilen türbilanslı hava akış hattından vakumlanarak, havanın türbin kanatları içerisinden geçerken emilerek hızlandırılması sağlanır. Böylelikle sıkıştırılmak üzere pompanın ihtiyacı olan hava emilerek rüzgâr türbininin daha verimli çalışması sağlanır.normal türbinlerde hava akışı merkezden uzaklaşan bir dağılım gösterirken vakumlanarak merkeze yönlendirilen rüzgar daha etkin bir şekilde değerlendirilerek,sistem boyutlarının daha küçük boyutlara indirilmesi sağlanır.ayrıca hava kontrolü bölgesinde,hava sürtünmesi dolayısıyla oluşacak soğuk bölgeden eşanjör sistemiyle yaralanılarak,kontrol edilen havanın soğutulmasında ve ihtiyaç duyulan noktalarda kullanılması sağlanır.Ancak burada yelkapan rüzgâr türbininin çevrimini
b) Düşey eksenli türbinler: Rüzgâr, türbin kanatlarına direkt etkir ve kanata etkiyen rüzgâr, kanatı kendi ekseni etrafında döndürmesiyle şafttan mekanik güç elde edilir. Düşey eksenli türbinler çeşitli şekil ve motiflerde olabilir. Önemli olan daha çok rüzgârın, kanatlara daha çok etkimesidir. Bu tip türbin çıktıları alt pozisyonlarda olduğu için ilk kurulum sonrası bakım ve müdahalelerde kolaylık sağlar.Rüzgar gücünden yararlanmada daha büyük alan yaratmada sistem hantallaşmaktadır. Rüzgâr gücünden elde edilecek verim; rüzgârın hızı, sürekliliği, türbin verimi, bakım, sistemde oluşacak arıza çeşidi, arıza sayısı, arıza sıklığı ve arıza giderme sürelerine bağlıdır.
276
b) Yan görünüş
duruma
Birçok elektrikli aletin artık bu temel üzerine inşa edileceğini yakın görmekteyim.
Kompreton tarafından basınçlandırılarak uygun hortum veya boruyla (10) sisteme gönderilen basınçlı hava bir çekvalf (11) tarafından kontrol edilir.Bu durumda 1.kademe basınç devresi elde edilmiş olur,depolanan hava içerisindeki toz vs. yabancı maddelerin sisteme zarar vermemesi için hava bir şartlandırıcıdan (12) geçirilerek filtreleme ve yağlama yapılır. Basınçlı hava, hava tanklarında (13) depolanır. Tankın üzerine basınç ölçmer (manometre-14), tankın alt kısmında havanın içerisindeki nemin, (sistem için zararlıdır) yoğunsan havanın tanktan atılması için su alma musluğu (15) konur.
*Basınçlı havanın direkt kullanımı dönüşüm kayıplarını ortadan kaldırır.
olumsuz etkileyecek düşülmemelidir.
(bariyer
oluşturulacak)
*Döngüyü sağlayan oluşturmaz.
olması
nedeniyle
kirlilik
*ilk yatırımdan sonra fazla bir maliyet yoktur, yakıtsızdır. *olası arızalarda veya bakımlarda bir kaç türbinin devre dışı kalması sistemi olumsuz yönde fazla etkilemeyecektir. *Sistem gözlemlenebilir, basit yapıdadır.
buradaki anlatım, maksat bilinen sistemden anlaşılması üzerine örnekleme yapılmıştır.ayrıca sistem verimini artırmak üzere kanat profillerinde yeni alternatif dizaynlar düşünülmelidir.
*Küçük ve orta ölçekli uygulamalar olması yerli üretime imkân tanır. * Küçük ve orta ölçekli uygulamalar olması nedeniyle gürültü kirliliği azdır.
1- Basınçlı hava üretimi;
*Rüzgâr türbinleri üst yapıda daha az yük olması nedeniyle alt yapı maliyeti azlığı.
Rüzgar gücünden yararlanılarak kompreton tarafından üretilen,(çalışma prensibinde anlatıldığı gibi) 1, kademe basınç devresidir. istenilen değerdeki basınçlı hava lokal olarak bir alanda kullanılabileceği gibi bir ana hat yardımıyla başka ihtiyaç bölgelerinede transferi sağlanır.(normal elektrik enterkonnekte sisteminde olduğu gibi) veya bir fabrikanın,bir tesisin ihtiyacı olarak ,ayrıca hat boyunca veya yakınlarında uygun yerlerde rüzgardan yararlanılarak rüzgar türbinleri kurularak beslemeler yapılır. Havanın kullanılmasıyla boru hattı içerisinde havanın hareketi esnasında sürtünme kayıpları oluşmakta fakat hat boyu beslemelerle takviyeler yapılarak kayıplar en aza indirilebilir. Sisteme basınçlı hava takviyesi küçük rüzgâr santralleriyle takviye etme imkânı olması önemli bir avantajdır.gazların sıkıştırılma özelliğinden yaralanılarak ve uygun şartlar sağlanarak basınçlı hava depolanarak rüzgar olmadığı zamanlarda bir süre yaralanma imkanı sağlar Elde edilen basınçlı hava; pnömatik sistem ihtiyaçlarında, otomasyon kontrol sistemlerinde, fabrikalarda, organize sanayilerde, yer altı (galeri)madenciliğinde, taşımacılıkta, pompaj işlemlerinde, büyük boyutlu yangın söndürmede, tarımsal faaliyetlerde, ilaç sanayinde, hastanelerde, alışveriş merkezlerinde, inşaat sektöründe, asansörlerde, taşocağı işletmeciliğinde, yol yapım işlerinde, kumlama tesislerinde, arkeolojik kazı çalışmalarında ve bütün basınçlı hava ihtiyacı duyulan her alanda kullanılabildiği gibi, hidrolik güç dönüşümü ve elektrik enerjisi dönüşümü yapılarak ta kullanımı mümkün olabilmektedir.
*Yangın riski olmayışı, olumsuzluk halinde müdahalede elektrikte olduğu gibi çarpma olmaması *Seyyar çözümlerde iletim güvenliği ve esnekliği. *Mevcut sorunlara alternatif çözümler üretme imkânı. *Sistemde oluşacak arızaya müdahale kolaylığı. Bu kadar çok olumlu olmakla beraber elde edilecek enerji rüzgâra bağlı (sekonder) ikincil enerji kaynağı olması, rüzgâr olduğunda rüzgâr gücünden yarlanılırken olmadığı zamanlarda primer sistemlerle desteklenmesi veya mevcut sistem aktif tutularak yetersizlik durumunda diğer sistem devreye girmelidir,yedekleme göz önünde bulundurulmalıdır.
2- Elektrik üretimi Rüzgar santralinden elde edilen 1. kademe basınçlı hava birden çok Rüzgar santrali tarafından beslenen bir havuzda toplanır, bu havuzdan beslenen 2. bir rüzgar santrali tarafından (kapalı devre) hava basınçlandırılarak, 2. kademe basınç evresine yükseltilir ve bir çekvalfle kontrol edilir. Bundan sonra basınçlandırma devam edecek ise, 2. kademe basınç devresinin tekrarı şeklinde ötelenerek bir üst kademe basınç devresi elde edilerek devam eder. Elektrik üretiminde rüzgâr değerleri ve planlamalar yapıldığında mesela: 1. kademe basınç devresi birden çok Rüzgar santrali ile elde edilen basınçlı hava takviyesiyle beslenir. Aynı şekilde bir üst kademe basıncı, bir kaç alt kademe beslemesiyle takviye edilir ve her kademe bir çekvalfle kontrol edilir. istenen son kademe basınçlı hava elde edildikten sonra basınçlı hava bir regülatör valften geçirilerek düzenlenir, sonra yersel olarak sisteme ısı verilmek suretiyle (ısı, güneş enerjisinden vs. yararlanılabilir) basıncın daha da artırılması sağlanarak
Ayrıca rüzgar türbininden üretilen basınçlı hava, ihtiyaca göre lokal olarak ana hatta uzak adalarda (rüzgar potansiyeli olan lokal alanlarda) bölgelerdeki ihtiyaca cevap verecek çözümler üretilebilir. Münferit olarak denizlerde tekne üzerine yerleştirilen rüzgâr türbininden elde edilen basınçlı havanın depolanarak teknenin hareketinde kullanılabilir. Bugün için sıfır noktasında olan bu sistemin yarın her bir evin ihtiyacı olacak şekilde, yaygınlaşacağını bekliyorum. 277
hava
hava türbinine gönderilir.burada ilave edilecek bir miktar ısı basınç enerjisine dönüştürülerek,rüzgardan elde edilen güce ilave katkı sağlayacağından,var olan enerji çıkışını daha büyük değerlere taşıyacak ve ürün elde edilmesinde uygun optimum değerler sağlanacaktır. buradan elektrik enterkonnekte sisteme verilmesiyle süreç tamamlanmış olur. Süreç bir otomasyon sistemle kontrol edilerek değerler izlenir. Akış hattı diyagramında: (1):
1 kademe basınç, kompretonlar,
(1-A): (2):
1.kademe basınçlı hava tankları 2.kademe basınç, kompretonlar
(2-A): 2.kademe basınçlı hava tankları (3):
3.kademe basınç, kompretonlar
(3-A): 3.kademe basınçlı hava tankları (4):
Isıtıcı ünite
(5): Regülatör valf (6): Basınç güç türbini (7)
Jeneratör
Şekil- Basınçlı hava hattı ve üretim aşamaları,diyagramı
Avantajları: *Basınçlı hava tahrikiyle çalışan basınç türbininin ve jeneratörün yerde olması uygulama kolaylığı ve esnekliği, 278
*Basınç değer ve ölçümleri her aşamada gözlemlenebilir ve
kontrol edilebilir olması dolayısıyla çok basit yapıdadır.
*Hava tankında basınçlı havanın olması nedeniyle, rüzgârın kesilmesi veya türbülanslı esmesiyle meydana gelecek olumsuzluklar ortadan kalkar, * Otomatik pnömatik kontrol sistem donanımlarıyla sistem izlenebilir ve istenilen noktada kontrol edilebilir,
oksijen, azot vs. gazlar ayrıştırması yapılarak, sanayide, tarımda, büyük sıvı ve gaz tanklarında ve nakliye için tankerlerde, entegre et tesislerinde, balıkçılık sektöründe, hastanelerde, araç ve uçak lastiklerinin şişirilmesinde, ihtiyaç duyulan tüm alanlarda kullanılması, ile büyük kazanımlar ve avantajlar sağlayacaktır.
*Normal rüzgâr türbinlerinde mevcut olan her rüzgâr santralinden elektrik enerjisi üretiminde zorunlu olan jeneratör, invantör, akülü depolama sistemi olmayışı ayrı bir avantajdır.
Gelecekte insanlığa ve canlı yaşamına sağlayacağı refah katkısı dolayısıyla geleceğin teknolojisi olarak görmekteyim. Umarım gelecekte bundan olumsuz etkileneceği durumlar oluşturmaz.
*Elektrik üretimi paket sistemde (1 adet) jeneratör ve hava türbin in yerde olması, montaj, bakım ve arızaya müdahale kolaylığıdır
SONUÇ Bu proje Türk patent enstitüsü şekli uyguluk belgelidir. tübitak teşviki ile yurt dışı patent araştırmasına gönderilmiş olup halen araştırma safhasındadır. proje ile ilgili her hangi bir yatırım veya ar-ge çalışması yapılmamıştır.
* En önemli avantaj olarak bu projenin sıfır noktasında olmasıdır,yapılacak test sonuçları ve değerlendirmeler ışığında kendi teknolojimizi yaratarak bağımsız ürünler elde edilebilir.
KAYNAKÇA
Dezavantajı:
özgün
Önceki sistemde olmayan basınçlı hava tankları, bağlantı boruları. Ancak bunlarda toprak altına alınarak kamufle edilebilir.
ÖZGEÇMİŞ 1956, Sivas-Mangal doğumlu, ilk, orta ve liseyi Sivas ta, tamamladıktan sonra, İTÜ makine fakültesi makine mühendisliği lisans programını bitirdi, kamu kurumu olan, tki genel müdürlüğü iş yerlerinde makine mühendisi olarak çalıştı ve 25 hizmet yılı sonunda bu kurumdan 2008 de emekli oldu.
3-Gaz üretimi Belli basınç değerlerinde sıkıştırılmış olan basınçlı hava, özel işlemlere tabii tutularak hava içerisinde bulunan,
279
PLAZMA NİTRÜRLEME İŞLEMİNİN 316L OSTENİTİK PASLANMAZ ÇELİĞİNİN MALZEME ÖZELLİKLERİNE MİKRO ve NANO ETKİSİ M. Cem İğdil1, Murat Tosun2, Levent Trabzon2 1
2
Tayangu Danışmanlık, E-posta:
[email protected] İstanbul Teknik Üniversitesi, E-posta:
[email protected], E-posta:
[email protected]
Tablo 1.1: Bazı paslanmaz çeliklerin yüzde kimyasal bileşimi
Özet Nitrürleme işlemleri yapılırken, 316L ostenitik paslanmaz çeliğin mükemmel korozyon dayanımını etkilemeden, yüzeysel mekanik ve malzeme özelliklerini geliştirmek amaçlanmıştı. Düşük sıcaklıkta, 400-500 Cº arasında, yapılan deneyler için, plazma nitrürleme seçildi. Yapıda CrN oluşumu korozyon dayanımını düşürdüğünden, ostenit yapısının azot ilgisinden yararlanılarak CrN fazları oluşmamış nitrürlemeler yapıldı.
Çelik Tipi 316L
Yüzde bileşim (%) C 0.01
Mn 1.76
Si 0.21
Cr 17.2
Ni 15.3
Mo 2.7
316L ostenitik paslanmaz çelik kübik yüzey merkezli (kym) kafes yapısına sahip olup kafes sabiti 3,594’tür. Bazı mekanik özellikleri tablo 1.2’de görülmektedir.
Plazma nitrürleme yöntemi kullanılarak, 316L ostenitik paslanmaz çelik mazlemeden çok sayıda numuneye nintrürleme işlemi uygulandı. Nitrürleme sonrasında numunelerin çeşitli malzeme özelliklerindeki değişim incelendi. Nitrürlemeler farklı N2 – H2 gaz karışımında, çeşitli sıcaklık ve nitrürleme sürelerinde tekrarlandı. Yapılan deneyleri, karşılaştırmaları yapabilmek açısından iki gruba ayırmak mümkün. Bir gruptaki nitrürleme işlemleri %10 N2 - %90 H2 gaz karışımı ve 450 Cº sabit parametreler olarak alınıp 15, 30, 60, 120, 240 dakikalık nitrürleme süreleri ile gerçekleştirildi. Diğer gruptaki nitrürleme işlemleri nitrürleme süresi 1 saat süre ile sınırlandırılarak %5, %10 ve %25 N2 içeren ortamlarda 400, 450 ve 500 Cº’lerde yapıldı. Nitrürleme sonrasında numunelere uygulanan testler ile sertlik, yüzey pürüzlülüğü, kafes sabiti ve elastiklik modülündeki değişimlerle nitrür kalınlığı ve faz oluşumları incelendi. Nitrürleme işlemleri sonucunda, malzemenin sertliğinde, yüzey pürüzlülüğünde, kafes sabitinde, elastiklik modülünde artış görüldü. 500 Cº ve %25 azot içeren ortamda yapılan nitrürlemeler haricinde CrN oluşumuna rastlanmadı. Nitrür tabakasının sertliğinin nitrürleme sıcaklığı, nitrürleme süresi ve azot gazının oranına bağlı olarak değişmediği ve sabit bir değere sahip olduğu görüldü. Elastiklik modülündeki artış miktarının nitrürleme koşullarına göre değişmediği dikkat çekti.
Tablo 1.2: 316L paslanmaz çeliğin mekanik özellikleri Akma dayanımı
Çekme dayanımı
Kopma uzaması
σ0,2 (Mpa) 980
σÇ (Mpa) 1050
εk (%) 35
Sertlik VSD (kgf/mm2) 300
2. NİTRÜRLEME VE DİĞER DENEY AŞAMALARI 2.1 Nitrürleme Aşaması Deneylerde 316L ostenitik paslanmaz çelik malzemeden 20 mm uzunluğunda, 10 mm genişliğinde, 3 mm kalınlığındaki numuneler kullanıldı. Nitrürleme işlemi ile hem yüzey pürüzlülüğündeki hem de sertlikteki değişimin ölçülebilmesi için dikdörtgen prizma şeklindeki numunelerin iki büyük yüzeyinden biri, nitrürleme öncesi ayna parlaklığında parlatıldı. Bu işlem, 180 numaralı zımparadan başlayarak sırasıyla 320, 400, 600, 1200 numaralı zımparalarla parlatılarak yapıldı. Parçalar plazma (iyon) nitrürleme yöntemiyle nitrürlendi. Plazma nitrürleme yöntemi için kullanılan düzenek, parçaların nitrürlenmesi için gerekli vakumlu ortamı sağlayan silindirik kap, gerekli elektrik enerjisini sağlamakta ve voltajı ayarlamakta kullanılan güç kaynağı (2 Kw DC), pompa (8L/dak), gaz oranını ayarlamada kullanılan su tankı, hidrojen ve azot gazlarının bulunduğu tüpler, nitrürleme sıcaklığını ölçmekte kullanılan termocouple ve basıncı ölçmekte kullanılan “U” civa sütunlu manometreden oluşmaktadır. Deney düzeneğinin tamamı şekil 2.1’de gözükmektedir.
Anahtar sözcükler: Plazma nitrürleme, 316L, ostenitik paslanmaz çelik
1. 316L OSTENİTİK PASLANMAZ ÇELİK Sağlamlığı ve biouyumluluğu açısından biyomedikal uygulamalar, tıbbi aletler ve implantların üretiminde tercih edilen malzemelerin başında gelen 316L paslanmaz çelik (yüzde bileşimi tablo 1.1) ayrıca sertliği, korozyona dayanımı gibi özellikleriyle kimyasal ve yiyecek endüstrisinde, basınçlı kaplar gibi, kullanılır.
281
seçildi. Sabit sıcaklık ise, literatürde yapılan araştırmalar sonucu, beyaz tabaka oluşumunun görülmeye başlandığı eşik sıcaklık olan 450 C° olarak belirlendi. %10 N2 gaz oranında, 450 C°’de gerçekleştirilen deneylerde süre 15, 30, 60, 120, 240 dakika olacak şekilde belirlendi. Sabit süre seçilerek yapılan deneylerde, nitrürleme süresi 1 saat olarak alındı. 1 saatlik nitrürlemeler %5, %10 ve %25’lik N2 H2 gaz karışımlarının her biri için 400, 450 ve 500 C° olacak şekilde toplam 9 farklı nitrürleme şartını sağlayarak gerçekleştirildi. Şekil 2.1: Nitrürleme mekanizmasının görünümü
Yapılan nitrürleme işlmelerinin tamamı tablo 2.3’te görülmektedir.
Nitrürleme sırasında hidrojen gaz akış hızı 270 cm3/dak. civarında tutulurken, azot gazının akış hızı, karışımın oranına göre ayarlandı. Nitrürleme 10 torr’luk vakum altında gerçekleştirildi. Deney sırasındaki sıcaklık ölçümlerini sağlamak için kullanılan Ni-Cr-Ni termoeleman çifti, parça sıcaklıklarını ölçmek amacıyla, parçaların deney sırasında üzerine konuldukları katot diske bağlandı. Ortalama 600 V’luk bir gerilim altında gerçekleştirilen nitrürleme, doğru akım güç kaynağı aracılığı ile sıcaklıklar, sürekli kontrol edilerek ayarlandı.
Tablo2.3: Yapılan nitrürleme işlemleri Nitrürleme süresi 15 dakika 30 dakika 60 dakika
Parçalara azot difüze edilen bu aşamada çok sayıdaki parça üzerine farklı nitrürleme şartlarında uygulamalar gerçekleştirildi. Yapılan nitrürleme deneyleri genel olarak iki guruba ayrılabilinir. Bir grup parça için sabit gaz oranı ve sıcaklıkta değişik sürelerde nitrürleme yapılırken (Tablo2.1),
120 dakika 240 dakika
450 C° 15 dakika 30 dakika 60 dakika 120 dakika 240 dakika
10%
diğer gurup parçalar için sabit bir süre seçerek gaz oranlarını ve sıcaklıkları değiştirerek (Tablo 2.2) nütrürlenmeleri sağlandı. Böylece nitrürleme sonucu malzemedeki değişimler nitrürleme süresine, sıcaklığına ve gaz oranına bağlı olarak incelendi.
400 C°
450 C°
500 C°
5%
1 saat
1 saat
1 saat
10%
1 saat
1 saat
1 saat
25%
1 saat
1 saat
1 saat
25%
400 C°, 450 C°, 500 C°
Yapılan nitrürlemeler sonrasında parçaları, değişik deney ve ölçümlere maruz bırakarak nitrürleme ile 316L ostenitik paslanmaz çelik malzememizin uğradığı değişimler incelendi.
Tablo 2.2: 1 saat süre ile yapılan nitrürlemelerin işlem parametreleri Azot oranı/ Nitrürleme sıcaklığı
400 C°, 450 C°, 500 C°
10% 450 C° 450 C° 400 C°, 450 C°, 500 C° 450 C° 450 C°
Parçalar nitrürlenmeden önce trikloretilen (trichloroethylene) dolu karıştırıcıda bir süre bekletilerek temizlenmesi sağlanmıştır. İlk temizlikleri trikloretilen (trichloroethylene) ile yapılan parçaların, nitrürleme aşamasında, vakumlu ortamda, sadece H2 gazının ortama verilip akım uygulanması sonucu, iyonize olan hidrojen atomlarının parça yüzeylerini bombardıman edip, temizlenmeleri de sağlanmıştır. Bu işlemin iki amacı vardır. Birincisi parçaların sıcaklığını nitrürleme yapılacak sıcaklığa çıkarmak diğeri ise parça yüzeylerinde oluşmuş, yağ, oksit gibi pislik tabakalarının temizlenmesini sağlamaktır. Nitrürleme işlemleri sırasında hazırlanan parçalar yan yüzleri üzerinde duracak şekilde yerleştirilerek, hem parlatılmış hem de parlatılmamış yüzeylerinin nitrürlenmesi sağlandı.
Tablo 2.1: %10 N2 ve 450 Cº’de yapılan nitrürleme işlemlerinin süreleri Azot oranı\ Nitrürleme sıcaklığı
Azot oranı 5%
2.2 Vikers Sertlik Ölçme Cihazı Vickers sertlik ölçme cihazıyla nitrürlenmiş parçaların sertlikleri ölçüldü. Vickers sertlik ölçüm cihazı 0,01 kgf (98,07 mN), 2 kgf (19,614 mN) kuvvet aralığına sahiptir. Ölçümler sırasında sertlik değerlerinin, malzemenin (316L ostenitik paslanmaz çeliğin) nitrürlenmemiş haldeki sertlik değeri olan 380-400 vikers değerlerine yaklaştığı duruma kadar sertlik ölçme kuvveti arttırıldı. Sertlik ölçümü elmastan yapılmış basık dört kenarlı piramit şeklindeki uçla yapıldı (Uç açısı 136º). Elmas ucun parçaya kuvvet uygulaması sonucu parçada bıraktığı dikdörtgen şeklindeki izin köşegenleri ölçüldü. Bu köşegen uzunluklarının makina
Sabit gaz oranı ve sıcaklıkta tekrarlanan deneyler de gaz oranı %10 N2 (azot) %90 H2 (hidrojen) olacak şekilde 282
değerleri 20, 100, 300, 900 mN seçildi. Yükler 60 adımda uygulandı, her adımın da 1 saniyelik bekleme periyotlarıyla birbirini takip etmesi sağlandı.
tarafından gerekli hesaplamaları yapmasıyla sertlik değeri bulundu. Hesaplamada kullanılan formül (denklem 2.1) verilmiştir [18].
1,8544 F d1 d 2 dir. VSD=
Ultra mikro sertlik ölçümleri sonucu elde edilen datalar çeşitli çıkarımlardan yararlanılarak incelenen malzeme hakkında farklı bilgilerin elde edilmesinde de kullanıldı. Ultra mikro sertlik ölçümü sırasında, malzemenin sertlik ölçme ucunun hareketine karşı verdiği tepkiler kaydedilip, çeşitli bilgilerin elde edilmesinde kullanılmaktadır.
(2.1)
VSD, Vickers sertlik değeri F, uygulanan kuvvet (VSD için N)
Sertlik ölçme ucunun hareketi sırasında, uca verilen enerjinin önemli bir kısmı ölçme yapılmakta olunan malzemeye geçmekte. Malzemede oluşan bu enerji artışı, oluşan iz yardımıyla tanımlanabilmekte. Piramit uçları için oluşan izin hacmi batma derinliğinin küpü ile, yüzeyleri, karesi ile orantılıdır. Enerjideki artış tanımlanırken hacim ve uca değen bölgeler ayrı ayrı ele alınır. Bu işlemler sırasında dinamik etkiler göz ardı edilir.
d1, d2, oluşan izin köşegen uzunlukları Vickers sertlik ölçümü, serliği ölçülecek malzemenin sertlik değerinin yüksekliğine bağlı olarak, ölçümün doğruluğu açısından uygulanan kuvvetin büyük olmasını gerektirir. Özellikle uzun süreli (1 saat ve üzeri) nitrürlenmiş numunelerin sertliklerinin yüksek olması, Vickers sertliğinin ölçülürken büyük kuvvetler kullanılmasını gerektirir. Fakat nitrürlenmiş numunelerin katmanlı yapıya sahip olması ve bu katmanların ince olması nedeniyle, sertlik ölçümünde uygulanan kuvvetin artmasıyla, nitrür tabakasının altında kalan kısmın sertlik ölçümünü olumsuz etkilemesine sebep olur. Çeşitli kuvvetlerle yapılan vickers sertlik ölçümünde, her numune için faklı kuvvetlerde faklı sertlik değerleriyle karşılaşıldı.
Bu kabuller doğrultusunda, aktarılan enerji W ile gösterilecek olursa
W = wv kv s 3 + wAk A s 2 (2.2) V hacmi, A alanı göstermek koşuluyla w ortalama enerji artışını, k sertlik ölçme ucunun şekil faktörünü, s batma
Yapılan Vickers sertlik ölçümlerinin nitrürlenmiş 316L ostenitik paslanmaz çelik numunelerin sertlik değerini doğru vermemesine karşın, farklı kuvvetlerle mazlemenin faklı derinliklerine kadar olan kısmının sertliğinin ölçülmesinden yola çıkarak, yapılacak bazı hesaplarla kabaca nitrür tabakası kalınlığı bulunabilir. Çok sağlıklı bir değer olmasada, kendi arasında karşılaştırma yapmak için kullanılabilecek bu değerler, vickers ölçüm düzeneğinin yapısından yararlanılarak yapılan bir hesaplamaya dayanmakta. Vicker ölçümünde kullanılan ucun piramit şeklinde olduğu, tepe açısının 136o olduğu bilinmekte. Sertlik ölçümü sırasında malzemeye batırılan uç, malzeme üzerinde dörtgen bir şekil oluşturmakta ve oluşan dörtgenin köşegen uzunluklarının yardımıyla sertlik hesaplanmakta. Köşegen uzunlukları, aynı zamanda , ucun malzemeye ne kadar battığını da göstermekte. Bu da yaklaşık olarak köşegenlerin 5’te biri değerindedir.
derinliğini ifade etmekte. wk yerine, özgül enerji artışını ifade eden e kullanılırsa, 2.2 denkleminin batma derinliğine göre ikinci dereceden türevi (d2W/ds2), uygulanan kuvvetin batma derinliğine göre türevine (dF/ds) eşittir. F, sertlik ölçmede kullanılan kuvveti göstermek üzere 2.2 denklemi
d 2W dF = 6ev s + 2eA = 2 ds ds (2.3) dönüşür. F=Hcs2
(2.4)
2.4 denkleminde H, sertlik, c, geometrik faktör olmak üzere, 2.3 denkleminde yerleştirillirse 2.5 denklemi elde edilir.[19]
2.3 Ultra Mikrosertlik Ölçümleri
dF = 2 Hcs ds
Cihaz Fischer- HP 100 XY PROG UItra Mikrosertlik Cihazi ve Classen MFK model görüntüleme ve ölçülendirme sisteminden oluşan ekipman aracılığıyla, nitrürlenen parçaların mikro değerlerde sertlikleri ölçüldü. Cihaz 0,4-1000 mN arasındaki yükün değişik hızlarda uygulanabildigi ve iz derinligini ölçme prensibi ile sertlik, sertlik profili, elastik ve sürünme özellikleri belirleyebilen bilgisayar kontrollu sistemden oluşmaktadır. Yumuşak ve sert ince kaplamaların taban etkisinden bağımsız sertliklerini ölçme olanağı sunmasından dolayı, nitrürlenen parçaların taban etkisini (nitrürlenmemiş kısmının ölçme etkisini) azaltacak şekilde sertliklerini ölçebilmemize olanak sağlamaktadır. Ölçümler sırasında uygulanan kuvvet
(2.5)
2.4 Yüzey Profilometresi Mahr Perhen S&P Perthometer Profimometre ve Focodyn Optik Prob. Dokunmali (mekanik) ve dokunmasız (optik) problar kullanarak bilgisayar kontrollu iki ve üç boyutlu yüzey pürüzlülügü ölçümleri yapabilmekte. Bu cihaz yardımıyla nitrürleme sonrası parçalarımızın yüzey pürüzlülüğünün değişimi incelendi. 283
2.5 Düşük Açılı X-ray Işınları Difraktometresi
Ortalama yüzey pürüzlülüğünün nitrürleme süresiyle değişimi
800 700 Yüzey pürüzlülüğü (nanometre)
Philips PW 3710 X-Işınları Difraktometresi hem x-ray ışın kaynağı hem de dedektör kısmının açılarının ayrı ayrı kontrol edilebilmesi sayesinde ince filmlerin difraktometrik analiz, reflektans ölçüleri i1e ince film kalınlık tayini ve iç gerilim analiz olanakları sunmakta. Bu cihaz yardımıyla, nitrürlenen parçaların x-ray ışınları ölçümlerini gerçekleştirdik. Cihaz 40 V voltaj ve 40 mA akıma ayarlandı. Oluşan Cu-Kα xray ışınları 1,54 Ǻ dalga boyunda (λ=1,54 Ǻ) olup parçalarımızın ölçümleri sırasında yüzeye, parçanın nitrürlenme süresine bağlı olarak, değişik açılarda gönderildi. Yaptığımız ölçümlerde tarama alanı olarak 30-80º seçildi. Yapılan ölçümler sırasında tarama hızı 0,02 º/dak. seçildi. Böylelikle nitrürlenmiş parçaların kafes yapılarındaki değişimler incelendi.
593
600
573
520
500 400 300 237
200
170
100
67
0 0
15
30
60
120
240
Nitrürleme süresi (dakika)
Şekil 3.1: %10 N2 ve 450 Cº’de nitrürlenen numunelerin yüzey pürüzlülüğü
Şekil 3.2 çeşitli N2 oranlarında ve sıcaklıklarda 1 saat nitrürleme sonucu elde edilen yüzey pürüzlülüğü değerlerini göstermekte. Nitrürleme işlemleri sonucu, yüzey pürüzlülüğünün, azot oranıyla doğru orantılı olarak arttığı görüldü. Bununla birlikte nitrürleme sıcaklığının da yüzey pürüzlülüğü üzerinde etkili olduğu anlaşıldı. Nitrürlemenin yapıldığı sıcaklık yükseldikçe, yüzey pürüzlülüğünün arttığı görüldü.
3. DENEY SONUÇLARININ İRDELENMESİ 3.1 Yüzey Pürüzlülüğü Ve AFM Fotoğrafları Nitrürleme deneyleri yapılırken, nitrürlenen malzemenin kullanım alanları, kullanıldığı yerlerde dikkat edilen şartlar gibi, bazı noktalara dikkat edildi. Nitrürlediğimiz 316L ostenitik paslanmaz çeliğin ağırlıklı olarak kullanıldığı yerlerden biri implant olarak insan vucuduna yerleştirilen çeşitli parçaların üretimidir. İnsan vucuduna yerleştirilmesinde biyouyumluluğu, gerilmelere karşı dayanımı gibi malzeme özelliklerinin uygun olmasından dolayı seçilen 316L ostenitik paslanmaz çeliğin, implant olarak kullanılabilmesi için bazı geometrik şartları da sağlaması gerekmekte. İnsan vücuduna yerleştirildiğinde, üzerine binebilecek yükler sonucu hareket etmesi ile vücutta yaralanmalara sebep olmaması için mümkün olduğunca yuvarlak hatlara ve düşük yüzey pürüzlülüğüne sahip olması gerekmektedir. Bunlar geometrik şartlar olduğundan implantın tasarım aşamalarında dikkat edilebilir. Fakat nitrürleme sonrasında yüzey pürüzlülüğünde oluşabilecek değişimin baştan tahmin edilebilmesi önceden yapılacak deneyler örnek alınarak yapılabilir. Bu yüzden yaptığımız deneylerde bu durumu göz önünde bulundurarak, nitrürlediğimiz bazı parçaların yüzey pürüzlülüklerini inceledik. Nitrürleme sonrası yüzey pürüzlülüğünü incelediğimiz parçalar, implant parçaların üretiminde uygulanan ve implantın yüzey pürüzlülüğünü azaltan kimyasal parlatma işlemine uygulanan parçalar arasından seçilerek, sadece bu parçaların yüzey pürüzlülüğü incelendi. Kimyasal parlatma işlemine tabi tutulan parçaların nitrürlemeden önceki yüzey pürüzlülük değerleri 67 nanometre civarındayken, %10, 450 Cº’deki 1 saatlik nitrürlemeden sonra yüzey pürüzlülüğü 520 nanometre, 2 saatlik nitrürlemeden sonra ise 573 nanometre değerlerine çıktı. 450 C°’de yapılan nitrürleme sonrası parçalardaki yüzey pürüzlülüğü değerleri aşağıda verilmiştir. Bu değerler ortalama yüzey pürüzlülüğü olarak adlandırılan Ra değerleridir (şekil 3.1).
Yüzey pürüzlülüğü (nanometre)
300 250 200 150 100
400 ˚C 450 ˚C
50
500 ˚C
0 0
%5
5
%10 % Azot 1 0
1 5
%25
2 0
Şekil 3.2: 1 saat nitrürlenen parçaların yüzey pürüzlülüğü değerleri
Nitrürleme sonrası parçalar üzerinde karartılar oluştuğu görüldü. Bu karartılar parça yüzeyinin bir kısmında çok, bir kısmında az şekilde oluşmuştu. Yapılan ilk yüzey pürüzlülüğü ölçümlerinde bu karartılara dikkat etmeden, yüzey üzerinden rastgele bölgelerden ölçümler yapılmıştır. Daha sonra tekrar parlatma diyebileceğimiz, çuhada alümina ile parlatma olayını (çuhada parlatma işlemi, parça üzerinden 1 mikrondan daha az bir parça kaldırma işlemi yapmaktadır), karartıları giderecek kadar (1-2 saniye) parçalar parlatıldı. Tekrar parlatma işleminden sonra yaptığımız yüzey pürüzlülüğü ölçümleri sonucu tablo 3.1’deki değerler elde edildi. Tekrar parlatma işleminden sonra numunelerin yüzey pürüzlülüklerinin, nitrürleme öncesi değerlere düştüğü görüldü.
284
Tablo 3.1: %10 N2 ve 450 Cº’de nitrürlenen numunelerin parlatıldıktan sonraki yüzey pürüzlülüğü Nitrürleme süresi
Yüzey pürüzlülüğü (nanometre)
Nitrürlenmemiş
45
15 dakika
71
30 dakika
97
60 dakika
85
120 dakika
57
240 dakika
61
Yüzey pürüzlülüğündeki değişimi daha iyi anlayabilmek için AKM (Atomik Kuvvet Mikroskobu, Atomic Force Microscope) ile nitrürlenmemiş (şekil 3.3) ve 240 dakika nitrürlenmiş (şekil 3.4) numunelerden ölçümler alındı. Bu ölçümler sırasında, tekrar parlatma işlemi uygulanmamış parçalar kullanıldı ve parçaların yüzeyleri üzerindeki karartılara dikkat edilerek, yüzey üzeri mat ve parlak bölgeler olarak ayrılarak, her numune için iki yüzeyden ölçümler alındı. Farklı büyüklüklerdeki alanlar taranarak yapılan ölçümlerde, nitrürlemenin etkileri açık şekilde görülmekte. Oluşan tepecikler nitrürlemenin yüzey pürüzlülüğünü arttırdığını göstermektedir.
Şekil 3.4: 240 dakika %10 N2 oranındaki ortamda 450 Co’de nitrürlenen numunenin AKM fotoğrafı
Gaz oranını %10 N2, nitrürleme sıcaklığını 450 Co sabit alarak yapılan bu nitrürleme işlemleri dışında, faklı gaz ve sıcaklıklarda da nitrürleme işlemleri yapıldı. Tekrar parlatma işleminden sonra yüzey pürüzlülükleri ölçülen bu numunelerin yüzey pürüzlülük değerlerinin değiştiği görüldü. Yüzey pürüzlülüğündeki değişimin, 400 Cº üzerindeki nitrürleme işlemlerinde, nitrür sıcaklığı veya gaz karışımındaki azot oranına bağlı olarak büyüdüğü görülmekte. Tablo 3.2’ye göre daha yüksek sıcaklıkta veya daha yüksek azot oranı ile yapılan nitrürleme işlemlerinin yüzey pürüzlülüğünü daha fazla arttırdığı görülüyor. Tablo 3.2: 1 saat nitrürleme yapılan numunelerin yüzey pürüzlülüğü Azot oranı Nitrürleme sıcaklığı C° 400 450 500
5% 72 44 82
10% 71 131 253
25% 235 493
3.2 X-ray Işınları Ölçümleri X-ray, foton adı verilen, bir miktar enerjiden oluşan, bir tür elektromanyetik yayınımdır. X-ray ışınları bir malzeme üzerine yönlendirildiğinde, malzemenin kristal yapısına bağlı olarak yansır. Bragg kanunu olarak bilinen bu ilişki yardımıyla kristal düzlemlerine karşılık gelen difraksiyon açısı arasında bağıntı kurulur. Malzemedeki bu düzlemler ayırtedici bir özellik olup, büyük oranda, malzeme bileşimine göre değişir. Böylelikle X ışını ölçümüyle malzeme yapısındaki bileşenler belirlenebilir. Şekil 3.5’ten anlaşılacağı üzere, malzemeye gönderilen x-ray ışınları birbirine paralel ve eş uzaklıktaki düzlemlerden yansır. Bragg kanunu
Şekil 3.3: Nitrürlenmemiş numunenin AKM fotoğrafı
285
Şekil 3.5: X-ray ışını ölçümünde kullanılan açılar
θi = θ f = θ
Şekil 3.6: %10 N2 ve 450 Cº’de nitrürlenen numunelerin 2º ile yapılan x-ray ışını ölçümü 2θ değerleri
(3.1)
nλ=2d sinθ
Nitrürlemeyle ostenit kristalleri yapısına giren N atomlarını, kristal kafesini genişlemeye zorlamaktadır. Grafiklerde görülen γ, nitrürlenmemiş malzemenin kristal yapısını temsil ederken, γn, nitrürleme sonrası şişmik kristal yapısını göstermekte. Azotun, kristal kafesini şişmeye zorlaması sonucu olarak (111) γn ve (200) γn düzlemlerinin, (111) γ ve (200) γ düzlemlerine göre daha küçük 2θ değeri olduğu görülmekte. X-ray ışını ölçümlerinde 2θ değerinin sola kayması (azalması) kafes sabitinin arttığını göstermektedir.
(3.2) Yansıma, ykm kafes yapılarında, (h k l) olarak gösterilen düzlemin h, k, l indislerinin hepsinin ya tek ya da çift sayı olduğu durumlarda bulunan düzlemlerde gerçekleşir. Gözlenen düzlemler arasındaki uzaklık denklem 3.3 kullanılarak hesaplanabilir.
d hkl =
a
Şekil 3.7, 1 saatlik, %5, %10 ve %25 N oranına sahip, 400 Cº, 450 Cº ve 500 Cº ‘de yapılan nitrürlemelerin x-ray ışını ölçümleri görülmekte. 500 Cº ve/veya %25 N içeren nitrürlemelerde CrN oluşmakta.
h + k2 + l2 2
(3.3) Denklem 3.3 ile x-ray ışını ölçümleri sonucu bulunacak d (düzlemler arası uzaklık) değerleri yardımıyla kristal yapının kafes sabiti hesaplanabilir. Denklem 3.3, yüzey merkezli kübik (ykm) kristal düzenine sahip ostenitik yapılar için kullanılmakta olup, nitrürleme sonrasında kafesin geometrisindeki değişimin çok küçük değerlerde kalacağı kabul edilerek, nitrürleme sonrası durum içinde kullanıldı. Nitrürleme süresinin kısa tutulmuş olması nedeniyle, oluşan nitrür tabakasının kalınlığının ince olması, yapılan x-ray ışını ölçümleri, ince filmlerin x-ray ışını ölçümlerindeki gibi x-ray ışınları yüzeyle 2º açı yapacak şekilde gönderildi, dolayısıyla sadece nitrürlenmiş filmin kristal özelliği incelendi.
Şekil 3.7: 1 saat nitrürleme yapılan numunelerin 2º açı ile yapılan x-ray ölçümleri 2θ değerleri
450 Cº ve %10 N içeren ortamda farklı nitrürleme sürelerinde yapılmış deneyler sonucunda oluşan yapının, xray ışınları ölçümleri sonucu elde edilen bilgiler yardımıyla kafes sabitleri hesaplandı (şekil 3.8). Belirtilen şartlarda yapılan nitrürlemeler sonucu kafes sabitinin, (111) γn düzleminde pek fazla değişmezken, (200) γn düzleminde 120 dakikalık nitürlemeye kadar artışı görüldü. Bu durum, kübik yapının, kenarlarının farklı miktarlarda değişmesi sonucu, tetragonal yapıya dönüştüğünü gösterdi.
X-ray ışınları ile yapılan ölçümler sonucu hem nitrürleme ile yapıda oluşan farklı faz oluşumları belirlendi hem de kafes sabiti hesaplandı. 316 L ostenitik paslanmaz çelik malzemenin hacimce %10 N2 gaz oranında 450 Co’de yapılan nitrürlemeleri sonucunda, x-ray ışını ölçümleri şekil 3.6’da görülmekte. Şekil 3.6’nın en altında nitrürlenmemiş malzemenin x-ray ışını ölçümü gözükmekte. Buradan da anlaşılacağı üzere nitrürlenmemiş malzemede karbid oluşumuna rastlanılmamakta. Bunun nedeni malzemedeki düşük C miktarıdır. Nitrürleme sonrasında da anlatılan koşullarda ne CrN ne de başka bir karbid oluşumu görülmemekte.
286
4
9000
γn (200)
60
Kafes sabiti (Å)
3,9
30
3,85
60
3,8
8000
240
7000
γn (111)
120
30
3,75
Nitrürlenmemiş
240
Sertlik (N/mm2)
120
3,95
3,7 3,65 3,6
% 10 N, 450 C
Nitrürlenmemiş
50
100 150 Nitrürleme süresi
200
30 60 120
6000
240
5000 4000
o
3000
3,55
0
15
900 mN
250
2000 2
2,5
3 Derinlik (µm)
3,5
4
Şekil 3.8: %10 N2 ve 450 Cº’de nitrürlenmiş numunelerin kafes sabiti Şekil 3.10: Nitrürlenmemiş ve %10 N2 ve 450 Cº’de nitrürlenmiş numunelerin Ultra mikro sertlik cihazıyla ölçülmüş sertlik değerleri
Şekil 3.9’da görüleceği üzere, nitrürleme sıcaklığının artışının hem (111) hem de (200) düzlemlerindeki kafes sabiti değerlerinin artmasına neden olduğu anlaşıldı. Bunun yanısıra (111) düzleminde kafes sabitinin nitrürleme sırasındaki azot oranın artışıyla birlikte arttığı görüldü. Bunun nedeni azot atomlarının sıcaklık ve gaz oranıyla doğru orantılı olarak ostenit kafes yapısına nüfuz etmesi ve kafes yapısını aynı oranda genişletmesidir.
Nitürürleme süresinin sertlik artışıyla orantılı olarak arttığı, sertlik ölçümü sırasında ucun batma derinliğininde buna bağlı olarak düştüğü görüldü. Ölçümler sonucunda, bir nitrür tabakasının oluştuğu, oluşan nitrür tabakası sonucu da sertliğin arttığı görüldü. Sertlik ölçme ucunun nitrürleme süresiyle ters orantılı olarak, numuneye batma miktarı azalmaktadır. Nitrür süresinin artmasıyla, oluşan nitrür tabakasının kalınlığı artmaktadır. Nitrür tabakasının kalınlığının artması, ölçme sırasında, nitrürlenmiş tabakanın altında kalan, nitrürlenmemiş kısmın sertlik ölçümüne etkisini azaltmaktadır. (şekil 3.10).
4,1
1 saat
Kafes sabitit, Å
4,05
a(200) 400, ˚C
a(200) 450, ˚C
a(200) 500, ˚C
a(111) 400, ˚C
a(111) 450, ˚C
a(111) 500 ˚C
4 3,95 3,9
316L ostenitik paslanmaz çelik malzemenin nitrürlenmiş numunelerinin vickers sertlik ölçümleri yapılırken, ölçüm kuvveti 25 gr’dan başlayarak, nitrürlenmemiş 316L ostenitik çelik malzemenin sertliği olan 400 vicker değerlerine yakın ölçümler alınana kadar ölçüm kuvvet arttırılarak sertlik değerleri ölçüldü. Serlik ölçümleri sırasında, piramit ucun malzemede bıraktığı dörtgen izin köşegen uzunlukları yardımıyla, sertlik ölçüm derinlikleri bulundu.
3,85 3,8 3,75
a0 = 3,594 0
%5
% 10 Azot oranı
% 25
Şekil 3.9: 1 saat nitrürlenmiş numunelerin kafes sabiti değerleri
3.3 Sertlik Ölçümleri
Grafiklerden nitrürleme şartlarının nitrür tabakasının kalınlığı üzerine etkileri görülmekte. Şekil 3.11, %10 N içeren ortamda, 450 Cº’de yapılan nitrürlemelerin grafiğini göstermekte. Nitrürleme süresinin artması ile oluşan nitrür tabakası kalınlığı artmakta ve daha yüksek sertlik değerleri görülmekte. Şekil 3.11’de, nitrürleme süresi arttıkça yapılan ölçüm sayısının arttığı görülmekte. Bu da, nitrür tabakasının büyümesi sonucu, nitrürlenmemiş tabakanın sertlik ölçümüne etkisinin ancak daha büyük yüklerle yapılan sertlik ölçümlerinde ortaya çıktığını göstermekte.
Serlik ölçümleri hem Vickers hem de ultra mikro sertlik olarak iki şekilde yapıldı. Yapılan vickers sertlik ölçümleri, homojen yapıya sahip malzemelere uygulandığından, iki farklı tabakadan oluşan bir yapıya sahip durumdaki nitrürlenmiş 316L ostenitik paslanmaz çelik numunelerin, farklı yükler altındaki sertliklerine bakıldı. Ultra mikro sertlik ölçümlerinde de nitrürlenmiş numunelerin, nitrürlenmemiş 316L ostenitik çelik malzemeye göre, sertliklerinin arttığı açıkça görüldü (şekil 3.10).
1600 Nitrürlenmemiş
Sertlik (vickers)
1400
15 dakika nitrürlenmiş 30 dakika nitrürlenmiş
1200
60 dakika nitrürlenmiş
1000
120 dakika nitrürlenmiş 240 dakika nitrürlenmiş
800 600 400 200 0 0
2
4 Derinlik (μm)
6
8
Şekil 3.11: Nitrürlenmemiş ve %10 N2 ve 450 Cº’de nitrürlenmiş numunelerin derinliğe bağlı vickers sertliği değerleri 287
Nitürürleme sıcaklığının artması sertlik artışını etkilemekte. Bunun nedeni, sıcaklıkla birlikte oluşan nitrür tabakası kalınlığı artmakta bu da nitrürlenmemiş alt tabakanın sertlik ölçümüne etkisinin azalmasına neden olmakta. Bunun sonucu olarakta yüzeyden yapılan sertlik ölçümlerinde, yüksek sıcaklıklarda nitrürlenen numunelerin daha büyük sertlik değerlerine sahip olduğu görüldü. %10 N, 1 saatlik nitrürlemeler sonucu, 400 Cº’de nitrürlenmiş numune 25 gram ile yapılan ölçümlerde 848 Vickers sertlik değerine sahipken, 450 Cº’deki numune 1296 Vickers, 500 Cº’deki numune 1741 Vickers sertliğe sahiptir. Nitrürlenmemiş numunenin sertliği ise 358 Vickers civarındadır (şekil 3.12).
sağladı. Ultra mikro sertlik ölçümlerinde kullanılan kuvvetin Vickers sertlik öçümüne göre düşük olması, nitrürlenmiş tabakanın altında kalan nitrürsüz bölgenin, ölçümlere etkisini azaltmakta, hatta hiç etki göstermemekte. Ultra mikro sertlik ölçümleri sırasında, ucun malzemeye batışı ve çıkışı esnasında ucun malzemeye batma miktarı ve kuvveti sürekli olarak kaydedilmekte. Bu sayede malzemenin çeşitli özellikleri hakkında bilgi elde edilebilmekte. Yapılan ultra mikro sertlik deneyleri sırasında en büyüğü 900 mN olan yükler kullanıldı. Her yük 60 eşit adımda uygulanacak şekilde ayarlamalar yapıldı. Her adımın uygulanma süresi 1 saniye seçildi. Mikro sertlik deneyleri sonrasında elde edilen datalarla, kuvvet - derinlik grafikleri bulundu.
316L ostenitik paslanmaz çelik malzemeden yapılmış numunelerden eşit nitrürleme süresinde nitrürlenmiş parçaların incelenmesi sonucu, nitrürlemenin yapıldığı gaz karışımındaki azot (N) oranının artışının, sertlik değerinin değişimini arttırdığı görüldü.
Kuvvet - derinlik (F-s) grafiği (şekil 3.13.a), sertlik ölçümü sırasında numuneye kuvvet yüklenirken ve boşaltılırkenki sertlik ölçme ucunun numuneye dalma derinliğini göstermekte. Kuvvetin yüklenirken ve boşaltılırkenki iki durumunu gösteren çizgi arasındaki alan, numunenin uğradığı plastik deformasyonun enerjisini (Wp) göstermektedir. Nitrürlenmiş numunelerde bu enerjinin düştüğü görülmekte (şekil 3.13.b). Grafiğin tepe noktasından ucun basma derinliği eksenine inilen dik çizgi ile yükün kaldırılmasını gösteren çizgi arasında kalan alan ise numunelerin uğradığı elastik deformasyonun enerjisini (We) göstermekte (şekil 3.13.a). Elastik deformasyona harcanan enerjinin, nitrürlenmiş numunelerde, nitrürlenmemişe göre daha düşük olduğu da görülmekte (şekil 3.13.b).
Nitrürlemenin yapıldığı ortamdaki azot oranının sertlik artışında etkili olduğu görüldü. Azot oranı yüksek nitrürleme yapılmış numunelerin sertliklerinin de yüksek olduğu ölçüldü. 1 saatlik ve 450 Cº’de %5, %10, %25 N oranlarıyla yapılmış nitrürlemeler sonucunda, 25 gram ile yapılan Vickers ölçümleri %5 N içeren numunenin 1022 Vickers, %10 N içeren numunenin 1296 Vickers, %25 N içeren numunenin 1815 Vickers sertliğe sahip olduğu görüldü (şekil 3.12). 2500
Sertlik Vickers
2000
%5, 400 ºC
%5, 450 ºC
%5, 500 ºC
%10, 400 ºC %25, 400 ºC
%10, 450 ºC %25, 450 ºC
%10, 500 ºC %25, 500 ºC
1500 1000 500 0 0
2
4
6
8
10
12
14
Derinlik (μm)
Şekil 3.12: 1 saat nitrürlenmiş numunelerin derinliğe bağlı Vickers sertlik değerleri
Şekil 3.12 farklı nitrürleme sıcaklıkları ve gaz oranlarının, sertlik – derinlik karşılaştırmasının ilişkisini gösteriyor. Grafik, azot oranı ile sertlik değerleri arasında doğru orantılı bir bağıntı olduğunu göstermekte. Aynı şekildeki bir durum, sertlik değerleri ile nitrürleme sıcaklığı arasında bulunduğu gözükmekte. Her iki durumda da sertlik değerinin artışı oluşan nitrür tabakası kalınlığındaki büyümenin bir etkisi.
Şekil 3.13.a: Kuvvet - derinlik (F-s) grafiği 120 240 dak
% 10 N, 450 C
100
120 dak
o
60 dak Nitrürlenmemiş
F (mN)
80 60 40
Vickers sertlik ölçümleri sonrasında, hem %10 N, 450 Cº’de farklı sürelerde hem de 1 saatlik, farklı gaz oranları ve sürelerde nitürürlenmiş 316L ostenitik paslanmaz çelik numuneler, ultra mikro sertlik testlerine tabi tutuldu. Ultra mikro sertlik ölçümleri sırasında kullanılan kuvvetin Vickers sertlik ölçümlerinde kullanılanlardan daha düşük olması, ölçüm cihazının daha hassas olması ve ölçüm sonuçları kullanarak farklı analizlerin yapılabilmesi, malzeme hakkında daha detaylı bilgilere ulaşılabilmesini
20 0 0
0,2
0,4
0,6 s (μm)
0,8
1
1,2
Şekil 3.13.b: Nitrürlenmemiş ve %10 N2 ve 450 Cº’de 60, 120 ve 240 dakika nitrürlenmiş numunelerin ultra mikro sertlik ölçümleri ile elde edilmiş kuvvet derinlik (F-s) grafiği
288
Şekil 3.14’te %10 N ve 450 Cº’de yapılan nitrürlemelerin ultra mikro sertlik ölçümleri sonucu elde edilmiş dF/ds – s grafiği görülmekte. Eğrilerin eğimi o noktadaki sertlik değerini vermekte. Eğrilerin yatay eksenle yaptığı açı arttıkça, sertliğin arttığı anlaşılmakta. Nitrürlenmiş malzemenin setleştiği ultra mikro sertlik ölçümlerinde de görülmekte.
800
1 saat
700
%10, 500C˚ %25, 500C˚
600
%5, 500C˚ %10, 400C˚ %5, 400C˚ %10, 450C˚ %5, 450C˚
dF/ds
500 400
Nitrürlenmemiş
300 200 100 0
600
0
240 dak
500
120 dak
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
Nitrürlenmemiş
60 dak
Şekil 3.15: Nitrürlenmemiş ve 1 saat nitrürlenmiş numunelerin ultra mikro sertlik ölçümü ile elde edilmiş dF/ds – s grafiği
15 dak
400 dF/ds
0,5
s (µm)
%10 N, 450 C˚
300
dF/ds – s grafiklerindeki eğrilerin kırılma noktalarının s (ucun batma derinliği) değeri yardımıyla nitrür tabakasının kalınlığı hakkında bilgi edinilmesini sağlamakta. Nitrür tabakası kalınlığı, kırılmanın görüldüğü noktanın s değerinin 7 ila 10 katı arasındaki bir değere sahiptir. Ultra mikro sertlik ölçümüyle bulunmuş nitrür tabaka kalınlığı, Vickers serlik ölçümleri kullanılarak tahmin edilen nitrür tabaka kalınlığına göre çok daha küçük değerlerde bulunmaktadır. Bu, Vickers sertlik ölçümleri ile yapılan nitrür tabaka kalınlığı tahminlerinin olandan büyük kabul edildiğini göstermektedir (şekil 3.16).
200
100
0
0
1
2
3
4
s (µm)
Şekil 3.14: Nitrürlenmemiş ve %10 N2 ve 450 Cº’de nitrürlenmiş numunelerin ultra mikro sertlik ölçümleri ile elde edilmiş dF/ds - s grafiği
Nitrürlenmemiş numune hariç, eğriler belirli bir yere kadar aynı eğimi göstermekte. Kırılma noktası olarak tanımlayabileceğimiz bu nokta, nitürlenmemiş malzemenin ölçümü etkilemeye başladığı nokta olarak kabul ediliyor. Bu noktanın, nitrür tabaka kalınlığının 1/7 – 1/10’u arasında bir değere sahip olduğu düşünülmekte.
16 14 Nitrür kalınlığı
12
Ultra mikro sertlik Vickers sertlik Kesitten
10 8 6 4 2 0
%10 N2, 450 Cº’de 15 dakika nitrürlenen numunenin Vickers sertlik ölçümlerinde, sertliğinin nitrürlememiş numuneye göre pek değişmediği görülmesine karşın, 15 dakika nitrürlenen numunenin ultra mikro sertlik ölçümleriyle elde edilen datalar sonrası çizilen dF/ds-s grafiği, başarılı bir nitrürleme yapıldığını göstermekte (şekil 3.14). Ayrıca, aynı grafikte kırılma noktasına kadar olan eğrinin eğiminin diğer nitrürlenmiş numunelerinkilerle aynı değerde olduğu görülüyor. Bu da, altta kalan nitrürlenmemiş tabakanın sertlik ölçümüne olan etkisinin ortadan kaldırılabilmesi durumunda, daha uzun süre nitrürlenmiş diğer numunelerle aynı sertlik değerinin ölçülebileceğini göstermekte.
0
50
100
150
200
250
300
Nitrürleme süresi (dak)
Şekil 3.16: %10 N2 ve 450 Cº’de nitrürlenmiş numunelerin hem ultra mikro sertlik ölçümüyle hem de vickers sertlik ölçümü ile elde edilmiş nitrür kalınlığı değerleri
Şekil 3.16'da, %10 N2, 450 Cº’de 240 dakika nitrürlenmiş numunenin kesitten alınan ultra mikro sertlik ölçümü sonucu, nitrür kalınlığını gösteren kırmızı üçgen, yüzeyden yapılan ultra mikro sertlik ölçümlerinin, nitrür kalınlığını bulmada daha doğru bir yaklaşım olduğunu göstermekte. Ultra mikro sertlik ölçümü sırasında malzemenin elastisite modülü de bulunabilir. Elastisite modülünün (E/1-γ2) 316L ostenitik malzemenin çeşitli nitrürleme şartlarına göre değişimlerini şekiller 3.17 ve 3.18 göstermektedir.
Farklı gaz oranları ve sıcaklıklarda yapılan 1 saatlik nitrürlemelerin dF/ds – s sonuçları görülen şekil 3.15’te, %5 N ve 400 Cº’de yapılmış nitrürlemede, N atomlarının ostenit kafesine pek giriş yapmadığı görülmekte. Diğer numuneler dikkate alındığında, numunelerin yüzeye yakın kısımlarında yani alttaki nitrürlenmemiş tabakanın etkisinin görülmediği, sadece nitrürlenmiş tabakanın sertliğinin ölçülmesi durumunda, sertlik değerlerinin eşit olduğu anlaşılmakta. Bu numunelerin x-ray ışını grafikleri (şekil 3.7) incelendiğinde, numunelerin bazılarında CrN oluşumuna rastlandığı görülmekte. Bunlar göz önüne alındığında CrN oluşumunun sertlik değerini etkilemediği görülmektedir. Buradan, CrN oluşturmadan da yüksek sertlikte nitrür tabakasına sahip numuneler oluşturulabildiği anlaşıldı.
250
E/(1-γ 2 ) (Gpa)
450 C, %10 N, 300 mN 240 dak
120 dak
200 60 dak 30 dak
150
15 dak E0 =138
100 0
50
100
150
200
250
300
Nitrürleme süresi (dak)
Şekil 3.17: %10 N2 ve 450 Cº’de nitrürlenmiş numunelerin elastisite modülü değerleri 289
şartlarda nitrürlemenin pek gerçekleşmemesinden olduğu sonucuna varıldı.
%10 N2 gaz oranına sahip 450 Co’de değişik sürelerde yapılmış nitrürlemeler sonucu 316L ostenitik çelik malzemenin elastisite modülünde meydana gelen değişim şekil 3.17’de görülmekte. Elastisite modülünün nitürleme zamanının artmasıyla azalan bir artım gerçekleştirdiği görülmekte. Bu, nitrürleme tabaka kalınlığının, nitrürleme süresine bağlı olarak değişimiyle benzerlik göstermektedir. Nitrürleme sonucu %33 mertebelerinde artış gözlenmiştir. Şekil 3.17’de görülen zamana bağlı artış, aslında nitrür tabakasının kalınlığının artması ile alttaki nitrürlenmemiş kısmın etkisinin azalması sonucudur.
1
Süneklik (Wp/Wt)
0,8
0,6
0,4
o
o
o
%25, 400C
%25, 500C
8
%10, 500C
7
o
6
%10, 450C
5
o
4
%5, 500C
%5, 450C
%5, 400C
300
3
%10, 400C
2
o
1
o
0
o
0
Nitrürlenmemiş
0,2
9
10
Şekil 3.20: 1 saat süre çeşitli gaz oranları ve sıcaklıklarda yapılmış nitrürlemeler sonucu elde edilen süneklik değerleri
200
5
6
%25, 500Co
4
%25, 400Co
3
%5, 500Co
2
%5, 450Co
1
%5, 400Co
0
%10, 500Co
100
%10, 450Co
150
%10, 400Co
2
E/(1-γ ) (Gpa)
E0= 138 250
7
8
9
Şekil 3.21’de, %10 N2, 450 Cº’de 240 dakika nitrürlenmiş numunenin kesitten yapılan ultra mikro sertlik deneyleri sonucu elde edilen sertlik ve süneklik değerleri görülmekte. %10 N2, 450 Cº’de 240 dakika nitrürlenmiş numunenin tahmini nitrür kalınlığı değerine uygun olarak (şekil 3.16), hem sertlik hem de süneklik değerlerinin yüzeyden 6,9 μm içeride bir değişime uğradığı görüldü. Bu değer süneklik değerlerinin interpolasyonu ile bulunmuştur.
Şekil 3.18: 1 saat nitrürleme yapılmış numunelerin elastisite modülü değerleri
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
12000
2
Sertlik (N/mm )
10000 8000
Ultra mikro sertlik Süneklilik (Wp /Wt)
6000 4000 2000
22,6
20,1
19,8
17,5
15,6
15,4
13,1
11,8
11,4
10,6
9,5
8,7
6,6
4,3
3,2
2,8
Şekil 3.19’da, %10 N2 ve 450 Cº’de çeşitli sürelerde nitrürlenmiş numunelerin ultra mikro sertlik ölçümlerinden elde edilmiş datalar aracılığıyla elde edilmiş süneklik değerleri görülmekte. Nitrürlemeyle sünekliğin değiştiği görüldü. Nitrürleme süresiyle sünekliğin pek değişmediği görüldü.
2
1,9
0
Süneklik (Wp/Wt)
Şekil 3.18’de görülen grafik, 1 saat nitrürleme sonucu 316L ostenitik paslanmaz çeliğin elastisite modülündeki değişimi göstermektedir. Bu değerler sadece nitrür tabakasını içeren ölçümler sonucu (altlık malzeme etkisi olmadan) elde edilmiştir. Plazma nitrürleme şartlarının elastisite modülünün değerini değiştirmediği görülmektedir (şekil 3.7). Fakat CrN oluşumuna rastlanmış numunelerin elastisite modülünün diğerlerine göre daha yüksek olduğu da dikkat çekicidir.
Yüzeyden uzaklık (μm)
Şekil 3.21: %10 N2, 450 Cº’de 240 dakika nitrürlenen numunenin kesitinden yapılan ölçümler sonrası elde edilen sertlik ve süneklik değerleri
4. SONUÇLAR %10, 450C
0,8
o
316L ostenitik paslanmaz çeliğin düşük plazma nitrürlenmesiyle elde edilen sonuçların dikkat çekici olanlarını şöyle sıralamak mümkündür.
0,6 0,4
3
4
5
240 min
2
120 min
1
60 min
0
15 min
0
Nitrürlenmemiş
0,2
30 min
Süneklik (Wp/Wt)
1
6
Nitrürlemenin, yüzey pürüzlülüğünü kötüleştirici yönde etki yaptığı görüldü. Bu etki nitrürleme süresinin artmasıyla yüzey pürüzlülüğünde arttığı ancak belirli bir değerden yukarıya çıkmadığı şekilde görüldü. Nitrürleme süresinin uzamasının yüzey pürüzlülüğü üzerindeki olumsuz etkisi gibi nitrürleme sıcaklığının ve nitrürlemede kullanılan azot gazı oranının da yüzey geometrisini bozucu etkide bulunduğu anlaşıldı. Nitrürleme süresi ve azot oranı arttıkça numunelerin yüzey pürüzlülükleri de arttı. Yüzey pürüzlülüğündeki bu artışın nitrürlenen parçaların üzerinde oluşan karartıların giderilmesi durumunda eski değerine düştüğü görüldü.
7
Şekil 3.19: %10 N2 ve 450 Cº’de yapılan nitrürlenmeler sonucu elde edilen süneklik değerleri
1 saat süre ile %5, %10 ve %25 azot oranlarında 400, 450, 500 Cº’lerde yapılan nitrürlemeler sonucunda, sünekliğin, nitrürleme sırasında kullanılan gazın azot oranı ve nitrürleme sıcaklığıyla değişmediği görüldü (şekil 3.20). %5 N2, 400 Cº’de 1 saat nitrürlenen numunenin sünekliğinin pek değişmediği görüldü. Bunun nedeni olarak, numunenin diğer dataları incelendiğinde, bu
Nitrürlemenin, %10 N2 ve 450 Cº’de yapılması durumunda, denenen en uzun süre olan 240 dakikalık nitrürleme 290
süresinde bile CrN oluşmadığı görüldü. CrN fazının oluşumunun, 1 saat nitrürleme yapılan numunelerden % 25 N2 oranına sahip nitrürlemeler ile 500 Cº’de nitrürleme yapılan numunelerde meydana geldiği görüldü.
5. KAYNAKÇA [1] Genel, K., 2000, İyon nitrürlenmiş AISI 4140 çeliğin yorulma ve krozyonlu yorulma davranışı, Doktora Tezi, İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul. [2] Baycık, H., 1999, İyon nitrürlenmiş H13 sıcak iş çeliğinin sıcaklık ve zaman ile sertlik değerlerinin değişimi, Doktora Tezi, İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul. [3] Bakkal M., 1999, İyon nitrürlemenin östemperlenmiş AISI 8660 çeliğinin mekanik özelliklerine etkisi, Yüksek Lisans Tezi, İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul. [4] Randal N. X., Renevier N., Michel H. ve Collignon P., 1997, Correleation between processing parameters and mechanical properties as a function of substrate polarisation and depth in a nitrided 316L stainless steel using nanoindentation and scanning force microscopy, Vacuum, 48, 849-855. [5] Gülmez T., 1998, Ostenitk paslanmaz çelik ortopedik implantların iyon nitrürlemeyle yorulma dayanımlarının arttırılması, Doktora Tezi, İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul. [6] Marot L., Le Bourhis E., Straboni A., 2002, Improved nitridation efficiency and mechanical property of stainless steel surface after N2-H2 plasma nitridation at low temperature, Materials letters, 56, 76-79. [7] Menthe E., Rie K.-T., Schultze J. W., Simson S., 1995, Structure and properties of plasma-nitrided stainless steel, Surface & Coatings Technolog, 74-75, 412-416. [8] Shackelford J. F., 1996,Introduction to Materials Science for Engineers, Prentice hall int. İnc. Upper Saddle River, N.J. [9] Collins G. A, Hutchings R., Short K. T., Tendys J., Li X., Samandi M, 1995, Nitriding of austenitic stainless steels by plasma immersion ion implantation, Surface & Coatings Technolog, 74-75. 417-424. [10] Cho K. S., Lee C. O., 1980, The effects of carbon on ion nitriding, Journal of Engineering Materials and Technology, 102, 229-233. [11] Bordji K., Jouzeau J.-Y., Mainard D., Payan E., Delagoutte J.-P., Netter P., 1996, Evaulation of the effect of three surface treatments on the biocompatibility of 316L stainless stee using human differentiated cells, Biomaterials, 491-500. [12] Menthe E., Rie K.-T., 1999, Further investigation of the structure and properties of austenitic stainless steel after plasma nitriding, Surface & Coatings Technolog, 116-119, 199-204. [13] Liang W., Bin X., Zhiewei Y., Yaqin S., 2000, The wear and corosion properties of stainless steel nitrided by low-pressure plasma-arc source ion nitriding at low temperratures, Surface & Coatings Technolog, 130, 304308. [14] Öztürk O., Williamson D. L., 1995, Phase and composition depth distribution analyses of low energy, high flux N implanted stainless steel, J. Appl. Phys, 77 (8), 3839-3850. [15] Tomann U. I., Uggowitzer P. J., 2000, Wear-corrosion behaivor of biocompatible austenitic stainless steels, Wear, 239, 48-58.
450 Cº ve %10 N içeren ortamda farklı nitrürleme sürelerinde yapılmış deneyler sonucunda kafes sabitinin, (111) γn düzleminde pek fazla değişmezken, (200) γn düzleminde 120 dakikalık nitürlemeye kadar artışı görüldü. Bu da nitrürleme süresinin artmasıyla, kübik yapının, kenarlarının farklı miktarlarda genişlemesi sonucu, tetragonal yapıya dönüştüğünü gösterdi. Kafes sabitindeki artış, bir başka değişle kübik yapıdaki genişlemenin, daha yüksek nitrürleme sıcaklıklarında veya ortamdaki azot oranının yükselmesiyle arttığı görüldü. Bu da nitrürleme sonucu kafes yapıya giren azotun kafesi genişlemeye zorladığını gösterdi. Yüzeyden yapılan sertlik ölçümlerinde sertliğin, nitrürleme süresi, nitrürleme sıcaklığı ve azot oranlarının her birine ayrı ayrı bağlı olarak doğru orantılı değiştiği görüldü. Fakat, gerek bu dataların dikkatle incelenmesi, gerekse kesitten yapılan sertlik ölçümleri, sertlikteki bu değişimlerin, nitrürleme kalınlığının artışıyla, nitrürlenmiş tabaka altındaki nitrürlenmemiş kısmın sertlik ölçümüne etkisinin azalmasından kaynaklandığı anlaşıldı. Oluşan nitrür tabakasının sertliğinin sabit kaldığı, nitrürleme parametrelerine bağlı olmadığı görüldü. Bu, düşük sıcaklıklarda, kısa nitrürleme sürelerinde ve düşük azot oranlarında da yüksek sertlikte nitrür tabakası oluşturulabildiğini gösterdi. Yüzeyden sertlik ölçümü yapılması gereken durumlarda, Vickers sertlik ölçümleri ile tahmin edilebilecek nitrür kalınlığının, mevcut olandan çok daha yüksek olacağı görüldü. Nitrür tabakası kalınlığı tahminin, kademeli kuvvet uygulanarak, kuvvetin, sertlik ölçme ucunun batma deriliğine göre türevinin, batma miktarına bağlı değişiminin incelenmesiyle daha doğru sonuçlar vereceği görüldü. İlk yapılan deneylerin sonuçlarına bakarak elastik modülünün nitrürleme süresine bağlı olarak değiştiği düşünülmüş olsa da, daha sonradan görüldüki bunun, sertlik ölçümlerinde rastlanılan durum gibi, nitrür tabakasının kalınlığının artmasıyla, nitrürlenmemiş malzemenin ölçümlere etkisinin azalmasından kaynaklandığı anlaşıldı. Nitrürlemenin elastiklik modülünü arttırdığı ama nitrürleme parametrelerinin direk bir etkisinin olmadığı görüldü. Burada dikkat çeken bir nokta ise CrN oluşumuna rastlanılmış numunelerin elastiklik modüllerinin nitrürlenmiş diğer numunelere göre biraz daha yüksek olduğudur. Nitrürlemeyle malzemenin sünekliğinin düştüğü ama değişimin nitrürleme koşullarıyla bağlantılı olmadığı görüldü.
291
öğrenimime başladı. Lisansüstü eğitimine İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makina Fakültesi Malzeme ve İmalat Teknolojisi Anabilim Dalı’nda devam etti. 2004 yılında Yüksek Mühendis ünvanını aldı. Aynı yıl İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Makina Mühendisliği Anabilim Dalı, Makina Mühendisliği Doktora Programında doktora eğitimine başladı. İmalat teknolojileri, kaynaklı imalat ve birleştrme teknolojileri konularında çalışmalar yapmaktadır.
[16] Genel K., Demirkol M., Gülmez T., 2000, Corosion fatigue behaviour of ion nitrided AISI 4140 steel, Materials Science & Engineering A, 288, 91-100. [17] Dyet J. F., Watts W. G., Ettles D. F., Nicholson A. A., 2000, Mechanical properties of metallic stents: How do these properties influence the choice of stent for specific lesions?, Cardiovascular and International Radiology, 23, 47-54. [18] Weissavach W, Anık S., Anık, E. S., Vural M., 1996, Malzeme bilgisi ve muayenesi muayenesi, Birsen yayınevi, İstanbul. [19] Kazmanli M.K., Rother B., Ürgen M., Mitterer C., 1998, Indentification of cracks generated by indentation experiments in hard-coating systems, Surface & Coatings Technolog, 107, 65-75. [20] Trabzon L., İğdil M. C., 2004, On the materials properties of thin film plasma-nitrided austenitic stainless steel, Surface & Coatings Technolog, artical in press. [21] Trabzon L., İğdil M. C., 2005, Mechanıcal Propertıes Of Austenıtıc Staınless Steel After Low Temperature N2-H2 Plasma Nıtrıdatıon, Proceedings of The 1st International Conference on Diffusion in Solids and Liquids, July 6-8, 2005, University of Aveiro, Aveiro, Portugal [22] İğdil M. C., 2005, Düşük sıcaklıkta yapılan plazma nitrürleme işleminin 316L ostenitik paslanmaz çeliğinin malzeme özelliklerine etkisinin incelenmesi, Yüksek lisans Tezi, İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
Mustafa Cem İĞDİL, 1978 yılında İstanbul'da doğdu. Gaziantep Vehbi Dinçerler Fen Lisesinden mezun oldu. Yıldız Teknik Üniversitesi Makina Mühendisliği lisans programını tamamladıktan sonra İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makina Mühendisliği Fakültesi Malzeme ve İmalat programında yüksek lisans yaptı. Şu anda İstanbul Teknik Üniversitesi Makina Mühendisliğinde doktora yapmaktadır. Levent TRABZON İstanbul Teknik Üniversitesi Makine Fakültesi ve Afet Yönetim Merkezi’nde öğretim üyesi olarak bulunmaktadır. Lisans eğitimini Boğaziçi Üniversitesi Makine Mühendisliğinden, Yüksek Lisans eğitimini Carnegie-Mellon Üniversitesi MalzemeMühendisliği ve Doktora çalışması Pennsylvania Üniversitesi Mühendislik Bilimlerinden almıştır. Bilimsel çalışmaları sonusunda uluslar arası ve ulusal dergi ve konferanslarda yayınlanmış 60’ın üzerinde yayınları mevcuttur. ITU-MEMS Laboratuvarının (www.mems.itu.edu.tr) direktörü ve kurucusudur. Başlıca Ar-Ge çalışma alanları MEMS-tasarımı ve üretimi, nanoteknoloji, nano-malzemeler. DPT. TÜBİTAK ve İTÜ araştırma projelerinde yürütücü veya araştırıcı olarak görevlerde bulunmuştur.
ÖZGEÇMİŞ Murat TOSUN, 1975 yılında İstanbul’da doğdu. İlköğrenimini Nilüfer Hatun İlköğretim okulunda; ortaöğrenimini ise Özel Boğaziçi Lisesinde tamamladı. Aynı yıl Y.T.Ü. Makina Mühendisliği bölümünde lisans
292
