レーザーマーキング用マスターバッチ・添加剤

プラスチック用の先進的なレーザー感応添加剤化学 — 優れたコントラスト、より高速なマーキング速度、ポリマー特性への影響ゼロを実現するエンジニアリング配合。プラスチック用レーザー添加剤の原発明者が開発しました。

プラスチック用レーザーマーキング添加剤

あらゆるポリマー系に対応する濃色・淡色マーキングコントラスト配合とカスタムカラー

レーザー添加剤はマーキング部のコントラスト度を向上させ、そのコントラストはレーザー設定パラメータの調整によりさらに強調できます。ポリマーには「濃色系」または「淡色系」のマーキングコントラストを生む固有の特性があります。二酸化チタン（TiO2）やカーボンブラックを少量含む一部の着色剤化合物もレーザー光を吸収し、場合によってマーキングコントラストを向上させることがあります。同じポリマーファミリー内でも、グレードごとに異なる結果が生じることがあります。添加剤配合は毒性を持たず、製品の外観や物理的・機能的特性に悪影響を及ぼしてはなりません。

インク印刷工程（パッド印刷・スクリーン印刷およびインクジェット）と比較して、レーザー添加剤はコストを削減し、最適化されていない材料配合と比べて15％以上高速なマーキング速度を実現します。レーザー添加剤はペレット顆粒状および粉末状で供給されます。顆粒製品はポリマー樹脂に直接ブレンドでき、粉末状はマスターバッチに変換されます。ほとんどの添加剤はポリマーに容易に分散します。添加剤とポリマーにより、最終部品における重量ベースの配合濃度は0.01％から4.0％の範囲となります。

The Sabreen Groupはプラスチック用レーザー添加剤の原開発企業です。12件のクライアント特許を有し、米国司法省およびGeneral Dynamicsより特許証言におけるレーザー専門家証人として選定された実績を持つ当社は、レーザー最適化カラーマッチコンパウンド、カラーコンセントレート、液体カラーにより、顧客固有の樹脂全般で保証された結果をお届けします — ポリマー特性への影響ゼロ、FDA・UL・NEMA・RoHSへの完全準拠を実現します。

レーザーマーキング用マスターバッチの科学

材料化学、レーザー構成、プロセス最適化

最適なマーキング品質の実現には、添加剤化学、ポリマーの熱的挙動、レーザー波長、加工変数についての総合的な理解が必要です。以下の各トピックをご覧ください。

特殊添加剤化学

使用する添加剤の選定は、ポリマー組成、基材の色、目標とするマーキングコントラスト色、用途別認証要件に応じて決まります。一部の添加剤にはアンチモンドープ酸化スズおよび三酸化アンチモンの混合物が含まれ、これが未着色（ナチュラル）基材の不透明度に「グレーがかった」色調を与えることがあります。その他の添加剤にはアルミニウム粒子、複合金属酸化物、独自配合の化合物が含まれる場合があります。

Sabreenのレーザー着色剤マトリックスは、専用レーザー添加剤、着色剤、顔料、染料、流動改質剤 — 選定されたカーボンブラック、TiO2、耐スクラッチ剤を含む — を低配合率で組み合わせ、優れた品質とスピードを実現します。

• 濃色・白色のコントラスト配合
• カスタムカラーおよびパントーンマッチング
• プリコンパウンド材料、カラーコンセントレート、液体カラー
• ポリマー特性への影響ゼロの顧客固有樹脂
• イエローカード、FDA、MIL認証

コントラスト形成とカスタムカラーマーキング

レーザーでマーキング可能なポリマーはレーザー光を吸収し、光エネルギーを熱エネルギーに変換します。レーザー添加剤はコントラストを直接向上させ、そのコントラストはレーザー設定パラメータの調整によりさらに強調できます。同じポリマーファミリー内でも、グレードごとに異なる結果が生じることがあります。

最終的なカラーマッチの外観は、顔料と染料を用いた色調整によって実現されます。Sabreenの画期的なファイバーレーザー技術は、800dpi以上のライン再現精度と256階調のグレースケールにより、比類のないコントラストと忠実度をもたらします。

• 非晶質ポリマー（ABS、PC、PET、PETGなど）上で、ジェットブラックとオペークホワイトのコントラストを単一配合で同時に実現
• Hostaform®ポリアセタール（POM）上でのカスタムパントーンカラーおよび「トーンオントーン」コントラスト
• ゴールドオンブラック、ホワイトオンブラック、ダークオンホワイトのコントラストオプション
• 拡大観察下で判読可能な文字高さ0.015インチ以下のマイクロマーキング
• 超微細セル品質による堅牢なマシンビジョンコード判読性

配合濃度と供給形態

レーザー添加剤はペレット顆粒状および粉末状で供給されます。顆粒製品はポリマー樹脂に直接ブレンドでき、粉末状はマスターバッチに変換されます。ほとんどの添加剤はポリマーに容易に分散します。

顆粒状・粉末状のいずれもプリコンパウンドカラー材料やカラーコンセントレートにブレンドできます。添加剤とポリマーにより、最終部品における重量ベースの配合濃度は0.01％から4.0％の範囲となります。

供給形態

用途

一般的な配合濃度

ペレット顆粒

ポリマー樹脂への直接ブレンド

粉末

先にマスターバッチへ変換

液体カラー

プリコンパウンドまたはカラーコンセントレート

可変

最適化配合

統計的に高速な加工結果

マーキング高速化の実現

部品のマーキングに要する時間は、ポリマー基材、描画するベクトルライン数、レーザービームとガルバノメータースキャンヘッドが全ラインを描画する速度によって決まります。レーザーソフトウェアやベクトル塗りつぶしの種類 — 一方向、双方向、蛇行状 — もマーキング時間に影響を与えることがあります。

新たな独立研究により、非常に低い配合濃度（通常0.01％から2.0％）でレーザー添加剤配合を組み込むことで、統計的に有意な高速マーキングが実現できることが示されています。

2種類の高密度ポリエチレンの熱重量分析（TGA）はこの点を示しています。この2つのポリマーは異なる熱分解温度 — レーザーマークを生成する過程 — を示します。より高温を要するポリマーは、同じマーク外観を得るためにより多くのレーザーエネルギー、より低いマーキング速度、またはより多くの吸収添加剤を必要とします。直接比較では、HDPE BはHDPE Aよりも容易かつ高速にマーキングされます。

• 最適化されていない配合と比較して15％以上の高速化
• 画期的なファイバーレーザーシステムで25％以上の生産性向上
• 毎分2,000フィートを超えるワイヤー・ケーブル押出 — 制限要因は添加剤ではなくガルボスキャンヘッドとなります

レーザーマーキングスペクトルと波長

レーザーでマーキング可能なポリマーは、レーザー光を吸収し、光エネルギーを熱エネルギーに変換するものです。高コントラストおよびカラーマーキングを実現する理想的な波長は、近赤外スペクトルの1060～1070nmです。

対応レーザー種類には、イッテルビウムファイバー、バナデート、Nd:YAGが含まれます。より長波長のCW CO2レーザーは、ピーク出力が低く波長が長いため無色の彫刻となり、プラスチックのカラーコントラストマーキングには通常使用されません。

レーザー種類

波長

プラスチックへの効果

イッテルビウムファイバー

1060～1070nm（近赤外）

理想的：高コントラスト、カラーマーキング

バナデート（Nd:YVO4）

約1064nm

理想的：高コントラスト、微細ディテール

Nd:YAG

対応可能

UV（355nm）

紫外線

コントラストは控えめ、コストが高い

グリーン（532nm）

可視光

CW CO2

約10,600nm

無色の彫刻のみ

イッテルビウムファイバーレーザー — 固体レーザーの性能

1060～1070nmで動作し、約1mJのエネルギーを持つイッテルビウムファイバーレーザーは、プラスチック添加剤マーキングに理想的です。MOPA（可変パルス）とQスイッチ（固定パルス）の両構成に対応し、ファイバーレーザーは高スループット生産に求められるビーム品質と信頼性を実現します。

• 優れたビーム品質 M² < 1.2、高輝度
• 2nsまで調整可能なパルス幅（MOPA）
• 高速化を実現する最大100kHzのパルス繰り返し周波数
• 消耗品不要、メンテナンスがほぼ不要
• 低い運用コスト — 電気代のみで年間約250米ドル
• 産業用マーキングにおいて最も経済的な総保有コスト

Sabreenが発明した「ファイバーレーザーマーキングの方法とシステム」（特許出願WO2010011227 A1、2008年7月25日出願、発明者Scott R. Sabreen）はCelanese（Ticona）から支持されました。選定されたレーザーマーキング添加剤を配合したHostaform®ポリアセタールのナチュラルおよびホワイトのテストプレートを用いて、CelaneseはSabreenの技術が標準的な従来のNd:YAG手法よりも高品質な「ブラックオンナチュラル」および「ブラックオンホワイト」のレーザーマークを生成することを確認しました — より高いコントラスト、より濃いマーク、よりシャープなディテールを実現します。

スポットサイズとビーム品質

レーザー光のスポットサイズはプラスチックのマーキングにおいて重要です。スポットサイズは、異なる伝送ファイバー、集光レンズ、ビーム伝送部と基材との距離の変更、より長いまたは短い波長の使用によって制御できます。マルチモードビームプロファイルはより大きなスポットサイズを生み、シングルモードビームプロファイルはより小さなスポットサイズ — 100ミクロン以下 — を生みます。

特にFシータレンズを含むビーム伝送光学系は、マーキング領域とレーザーエネルギーの表面への集中度の両方に影響します。焦点距離の長いFシータレンズはより広いマーキングフィールドを実現し、位置決め回数を削減できますが、より大きなスポットサイズを生み出力密度が低下します。

レンズ焦点距離

マーキングフィールド

出力密度

最適な用途

163mm

約5インチ角

高

詳細なマーク、微細文字、小型部品への深彫り

254mm

約8インチ角

低減

大型部品 — IDプレート、大型シリアル番号

レーザー照射強度とフルエンス

照射強度（出力密度）とは、単位面積あたりのレーザー出力であり、W/cm²で測定されます。これは集光されたスポットサイズの関数としてのレーザービームの強度です。スポットサイズが大きいほどエネルギー密度は低くなります。照射強度が高いと材料の急速な加熱・気化を招き、照射強度が低いと目視可能なマークが生じないことがあります。照射強度が高すぎると材料を損傷する可能性があります。

フルエンス（エネルギー密度）とは、単位面積あたりのレーザーエネルギーの尺度であり、通常J/cm²で測定されます。フルエンスは材料表面に伝達されるエネルギー量を決定します。フルエンスは特定の材料に適したレベルである必要があります — 目視可能なマークを得るために十分なエネルギーを吸収するにはより高いフルエンスを要する材料がある一方、損傷を避けるためにより低いフルエンスを要する材料もあります。一般に、フルエンスが高いほどより深いマークが生じます。

パルス繰り返し周波数とピーク出力密度は、マーク形成と最適なコントラストおよび速度の実現において重要なパラメータです。低周波数での高いピーク出力は表面温度を急速に上昇させ、基材への熱伝導を最小限に抑えながら材料を気化させます。パルス繰り返し周波数が増加するにつれ、ピーク出力は低下し気化は最小限になりますが、より多くの熱が伝導します。出力とパルス繰り返し周波数の算術曲線は反比例の関係にあります。

照射強度に影響する要因：パルス周波数（Hz、kHz）、レーザー出力（ワット）、集光スポットサイズ、パルス幅（ns）。

フルエンスに影響する要因：ビーム強度、スキャナー速度、パルスオーバーラップ、集光ビーム径。

パルス幅 — MOPA対Qスイッチ

パルス幅とはパルスの開始から終了までの時間であり、ナノ秒単位で測定されます。エネルギー密度の制御およびプロセス最適化における重要な要因です。MOPAレーザーにおけるパルス幅調整は、Qスイッチ（固定パルス）ファイバーレーザーよりもはるかに柔軟です。

パルス幅範囲

特性

Qスイッチ（固定パルス）

120ns～250ns

固定パルス、制御が簡易、低コスト

MOPA（可変パルス）

2ns～250ns

幅広い範囲で調整可能、精密なプロセス制御、カラーマーキングや熱に敏感な基材に最適

短パルス幅の利点：表面加熱の高速化、基材への熱伝導の低減、マークエッジのシャープ化、熱に敏感なポリマーへの熱損傷の低減、金属および着色プラスチックへのカラーマーキング性能の向上。

難燃剤と等級

難燃剤はプラスチック着色剤コンパウンドに影響を与えます。難燃剤はハロゲン系化合物（フッ素、塩素、臭素、ヨウ素を含む）と非ハロゲン系化合物の2種類に大別されます。特定のハロゲン系難燃剤と三酸化アンチモン（Sb2O3）を組み合わせることで、淡色基材における1060～1070nm波長光の吸収を向上させることができます。

イッテルビウムファイバーレーザーは難燃剤を含む配合を容易にマーキングできます。多くのレーザー装置サプライヤーは、はるかに高価なUV355nmおよび532nmグリーンレーザーを使用してもなお、控えめなマーキングコントラストしか達成できません。

配合設計時に確認すべき主要な質問：

• 許容される難燃剤の種類はハロゲン系か非ハロゲン系か？
• 満たすべき規格は何か：UL94、E84、MVSS、ASTM、VW-1？
• UL-94を満たす必要がある場合、V-2、V-1、V-0のいずれか？
• 機械的特性（引張強さ、伸び）は製品にとって重要か？
• 印刷やシーリングなど後工程においてブルーミングが懸念事項か？
• UV安定性は考慮事項か（製品が日光にさらされるか）？

FDA・規制準拠

商業供給される特定の添加剤（レーザー溶着にも使用）は、21 CFR 178.3297「ポリマー用着色剤」の条件A～Hのもと、食品接触および食品包装用途としてFDA承認を取得しています。欧州連合向けにも同様の準拠声明が整備されています。

認証条件はポリマーの種類、配合濃度の閾値、直接または間接接触によって異なります。「最終部品」に配合されたFDA承認添加剤のさらなる認定により、国際規格ISO-10993に基づく医療機器の生体適合性を達成できます。

レーザー着色剤は総じてFDA、UL、NEMA、RoHSに準拠しています。業界承認済みの化学組成であるため、再認証は不要です。これにより、レーザーマーキングは規制の厳しい業界においてインク印刷からのドロップイン移行を可能にします。

• 21 CFR 178.3297 ポリマー用着色剤（条件A～H）
• 医療機器向けISO-10993生体適合性
• UL94難燃性等級
• EU食品接触準拠声明
• MIL-DTL-55302（接続部品・電子部品）
• RoHS、NEMA、イエローカード認証

一次成形工程

「レーザー最適化」材料科学の完了 — 最適なコントラスト、彩度カラー、レーザー設定パラメータの確立を含む — に続き、次のステップは、適切な希釈比で実際の量産金型を用いた成形トライアルの実施です。

この工程は、レーザー最適化カラーマトリックスの均一な分散と分布を確保するために重要です。成形後、実際の製品部品にレーザーマーキングを施し、当初の結果を確認します。

実証済みの手法の一つは、ビームステアリング式レーザーを製品表面全体に連続してマーキング（スキャン）するようプログラムすることです。例えば、ゴールドオンブラックの彩度マーキングを施した射出成形のペンでは、部品全体で評価が可能です。彩度分布が不良な場合は視覚的な不均一さとして現れ、優れた均一分布であれば端から端まで一貫したマークが生成されます。

成形トライアルにより、レーザー添加剤が量産部品全体に均一に分散していること、およびマーク品質・コントラスト・カラーが実験室スケールの結果と一致することを検証します。

加工上の留意点

レーザー添加剤の配合およびカラーマッチ化学の開発中、完成品に含まれるレーザー添加剤が計算量より少なくなることは珍しくありません。この問題はほぼ常に、押出または成形中の不均一な分布に起因します。

成形機への簡単な調整 — 背圧やスクリュー回転速度の増加など — により、ほとんどの問題は解決します。各部品全体にわたるレーザー添加剤の均質な分布と分散は、最適なマーキング性能を実現するために重要です。

押出、射出成形、熱成形の各工程において、プリカラーコンパウンド材料はカラーコンセントレートよりも高い均一性をもたらします。手作業での混合は避けてください。モールドフローおよびゲートの種類・位置は、設計工程の早い段階で検討すべき重要な要因です。

• トライアルを承認する前に添加剤の均一な分布を確認する
• 分散の問題を是正するため背圧とスクリュー回転速度を増加させる
• 可能な場合はカラーコンセントレートよりプリカラーコンパウンド材料を優先する
• 手作業での混合はあらゆる場合において避ける
• レーザーマーキング面のモールドフローおよびゲートの種類・位置を確認する
• 実験室プレートのみでなく、実際の量産金型を用いた成形トライアルを実施する

革新的なレーザーマーキング応用事例

医療、自動車、航空宇宙、消費財市場で実証済み

Sabreenのレーザー最適化マスターバッチおよび添加剤技術は、世界で最も要求水準の高い製造用途の一部において、インク印刷、粘着ラベル、パッド印刷に代わって採用されています。

ライナーレス飲料キャップ

ポリオレフィンキャップへのアンダーキャッププロモーションゲーム — 毎分2,000個のキャップ処理速度でFDA食品接触基準に準拠。

データ入力デバイス

101個のキーキャップを12秒でマーキングし、多工程のインク印刷や版を不要に。Microsoft、Foxconn、ALPS、Keytronics、Dell、HPが採用。

動物・家畜用IDタグ

識別タグへのデータマトリックスマシンビジョンコード。1996年米国特許WO98/25211で保護された独自技術。

軍事用電子機器

スマートミサイルおよび爆弾（MIL-DTL-55302）はNASAスペースシャトル・チャレンジャー号および1991年米国砂漠の嵐作戦で採用され、アナログインク印刷に代わりました。

PET／PETG容器

FDA食品接触対応PET／PETGへのラベル代替。単一配合からジェットブラックとオペークホワイトのマーキングコントラストを同時に実現。

バックライト付き自動車用ボタン

塗装とレーザーアブレーションによる昼夜点灯式ボタン・ディスプレイ。1985年以降GM、フォード、クライスラーが採用。

エンジンルーム内燃料系部品

厳しい自動車環境における製品識別・トレーサビリティのための2Dデータマトリックスマシンビジョンコード。

ナイロンおよびガラス繊維強化ナイロン

ナイロン製電子部品への白色レーザーマーキングによるインク印刷の代替。自動車用ナイロン製キャップレス給油部品を含む。

医療用チューブおよびデバイス

黒色HDPEケーブルおよび医療用チューブへのオペークホワイトコントラスト — FDA準拠。加えてパッド印刷に代わる医療用ポリオレフィン製プランジャー。

押出「オンザフライ」マーキング

押出成形の包装材および医療用フレキシブルチューブへの連続レーザーマーキング — 完全FDA準拠添加剤によりロータリーインク印刷を代替。

スマートバッジ／社員IDカード

RFIDと不可視セキュリティ機能を備えた多層構造ポリカーボネート。偽造防止強化のため顔写真部分にマイクロマーキングを施工。

サブサーフェスレーザーマーキング

過酷環境での耐久性のため、基材表面下への恒久的マーキングが求められる水中カメラおよび部品。

レーザーマーキング用マスターバッチならSabreenが選ばれる理由

原発明者だからこそ — 結果を保証

The Sabreen Groupはプラスチック用レーザー添加剤の原開発企業です。米国司法省およびGeneral Dynamicsより特許証言におけるレーザー専門家証人として選定された当社チームは、ポリマー科学、添加剤化学、システムインテグレーションにわたる深い専門知識を有しています。

カスタムカラーマッチコンパウンドからターンキーシステムの設計、統合、トレーニング、レーザー安全認証まで、12件のクライアント特許と数十年にわたる実証済み応用実績に裏付けられた完全なレーザーマーキングソリューションをご提供します。

• 現地での問題解決およびシステム最適化
• FDA準拠のレーザー感応添加剤
• カスタムカラーマッチコンパウンドおよびパントーンカラー開発
• ターンキーシステムの設計、統合、オペレーター向けトレーニング
• レーザー安全認証およびレーザー安全責任者（LSO）サービス
• 材料分析、生体リスク認証、専門家による証言支援

お客様に最適なレーザーマーキング用マスターバッチをご提案します

最も難しいマーキング課題をぜひお聞かせください。医療・食品接触用途から自動車・航空宇宙まで、優れたコントラスト、高速化、完全な規制準拠を実現するレーザー最適化マスターバッチおよび添加剤ソリューションを、結果保証付きで設計いたします。

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