ファイバーレーザーによるナイロン（ポリアミド）へのレーザーマーキングと彫刻

ファイバーレーザーによるナイロン（ポリアミド）プラスチックへのレーザーマーキングと彫刻の方法

要旨

ファイバーレーザーをお使いの方の多くが、ナイロンへのマーキングや彫刻に苦労されています。高品質なマーキングコントラストを得る鍵は、カラーコンセントレートを使用する場合でも、あらかじめコンパウンドされた材料を使用する場合でも、成形工程でナイロン材料にレーザーマーキング添加剤を配合することです。ナイロンへのレーザーマーキングがもたらす利点は、部品固有の識別、データマトリックスコードやQRコード、カスタマイズを可能にすることで、銃器をはじめとする多くの業界を変革してきました。

重要なポイント

• 未改質のナイロンはマーキング性が劣ります。ポリアミドは1060〜1070 nmの波長域でほとんどエネルギーを吸収しないため、コントラストはレーザーマーキング添加剤に依存します。
• 最も優れたコントラストの組み合わせは、黒地に不透明な白、白地に漆黒（ジェットブラック）、ミディアムブルー地に不透明な白です。
• MOPA方式のイッテルビウムファイバーレーザーが適した装置であり、パルス幅は約90 ns以下がプラスチックに適しています。
• 添加量は重量比で0.01〜3.0%の範囲であり、コントラストの再現性を左右するのは部品全体への均一な分散です。
• ガラス繊維入りナイロンはさらに難易度が高く、繊維が多い表面はマーキング性が劣るため、樹脂リッチな表面が不可欠です。

ナイロンプラスチックは、銃器、自動車、電気・電子、工業、消耗品、石油・ガスなど幅広い用途で使用されています。しかし、ナイロン（ポリアミド）、特にガラス繊維入りナイロンは、物理的・化学的特性や表面特性が多様であるため、レーザーマーキングおよびレーザー彫刻が難しくなります。最も一般的なコントラストの配色は、黒地に不透明な白、白地に漆黒（ジェットブラック）、ミディアムブルー地に不透明な白です。レーザーマーキング添加剤を適切な顔料や染料と組み合わせることで、低コストで優れたマーキング品質が得られます。レーザーマーキング添加剤は、ABS、アセタール（POM）、PET、PVC、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリエチレンなど、さまざまなプラスチックに使用されています。

ナイロン（ポリアミド）について

ナイロンとしても知られるポリアミドは、高性能用途に用いられる代表的な熱可塑性樹脂の一種です。分子構造はアミド結合、具体的には–CO-NH–から構成されます。ナイロンは、ジアミンと二塩基酸を反応させる重縮合、または炭素数6、11、12のラクタムの開環重合によって合成されます。ナイロンのモノマーは脂肪族、半芳香族、芳香族（アラミド）のいずれもあり、その構造は非晶性から半結晶性まで、また結晶化度の高いものから低いものまで多岐にわたります。代表的なポリアミドは、ポリ（ヘキサメチレンアジパミド）（ナイロン6,6）とポリカプロラクタム（ナイロン6）の2種類です。脂肪族ポリアミドには、ナイロン12、69、6-10、6-12、46、1212などがあります。バイオベースのエンジニアリングプラスチックとして知られるナイロン11は、トウゴマ（ヒマ）という再生可能資源を原料としています。

レーザーマーキングの表面反応メカニズム

レーザーマーキングが可能なプラスチックは、1060nm〜1070nmの近赤外（NIR）波長域のレーザー光を吸収し、熱エネルギーへ変換する能力を持つことが特徴です。一般的なレーザーの種類は、イッテルビウムファイバー（MOPAおよび固定パルス）、バナデート（Nd:YVO4）、Nd:YAGの3種類です。レーザーの種類と目的とするマーキングコントラストに応じて、炭化による黒化、化学変化による発泡、変色といった表面反応を生じさせるために、さまざまな化学的手法が用いられます。マーキングソフトウェアの設定（出力、パルス繰返し周波数、マーキング速度）を調整すれば、同一のレーザーですべての表面反応を行うことができます。連続波（CW）CO₂レーザーの波長は10.6ミクロン（遠赤外領域）です。CW CO₂レーザーはピーク出力が低く、プラスチックに高コントラストのマーキングを行うことはできません。

レーザーマーキング添加剤

ほとんどのポリマーはこの波長域（NIR）での吸収特性が限られており、目立つコントラストを得ることができません。そのため専門家は、吸収を高めて高いコントラスト品質を実現するために、さまざまな添加剤、フィラー、顔料、染料を使用します。添加剤は色コントラストの度合い（レーザー光の吸収）を高め、最適なレーザーの選定とマーキング条件によってさらに向上します。一般に信じられているのとは異なり、万能な添加剤は存在しません。

一部の添加剤にはアンチモンドープ酸化スズと三酸化アンチモンの混合物が含まれており、素地（未着色）の基材の不透明感が「グレーがかった」外観になることがあります。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。目的とする色合わせの外観を得るために、顔料や染料で色調を調整します。特定の添加剤は、21 CFR 178.3297「Colorants for Polymers」の条件A〜Hに基づき、食品接触用途および食品包装向けとしてFDAの承認を取得しています。

レーザーマーキング添加剤の配合物は、ペレット状の顆粒および粉末の形態で入手できます。顆粒品はポリマー樹脂に直接ブレンドし、粉末品はマスターバッチに加工されます。最終部品における重量比の添加濃度は、通常0.01〜3.0%の範囲です。最良の色コントラストを得るには、レーザーマーキング添加剤が各部品全体に均一に分布・分散している必要があります。

ファイバーレーザー

ナノ秒イッテルビウムファイバーレーザー（MOPAおよび固定パルス）は、優れたビーム品質（M2）と高い輝度（「ラジアンス」）を備えており、プラスチックのマーキング、レーザー彫刻、レーザーエッチングに最適です。20ミクロン未満の小さなスポット径に集光できるため、高いエネルギー密度が得られます。MOPA（Master Oscillator Power Amplifier）レーザーを使用する大きな利点の一つは、パルス幅を微調整できることです。一般に90ナノ秒未満の短いパルス幅が、プラスチック材料のマーキングに適しています。

レーザーの放射照度（W/cm2）とフルエンス（J/cm2）は、プラスチックへのマーキングにおいて重要なプロセスパラメータです。強度は、パルス周波数、レーザー出力、集光スポット径、パルス幅の影響を受けます。フルエンスは、ビーム強度、走査速度、パルスの重なり、集光ビーム径の影響を受けます。パルス繰返し周波数とピークパワー密度は、マークを形成し、最適なコントラストと速度を得るうえで極め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蒸発させます。パルス繰返し周波数が高くなると、ピーク出力が低下して蒸発は最小限になりますが、伝わる熱量は大きくなります。出力とパルス繰返し周波数の関係を示す算術曲線は、反比例の関係にあります。

よくあるご質問

ファイバーレーザーでナイロンが鮮明にマーキングできないのはなぜですか？

ポリアミドは、イッテルビウムファイバーレーザーが動作する近赤外域での吸収が限られているため、エネルギーの大部分がマークを形成する熱反応へ変換されません。解決策は、レーザー出力を上げることではなく、材料にコンパウンドされたレーザーマーキング添加剤を用いることです。

ナイロンのレーザーマーキングにはどのような添加剤が使われますか？

アンチモンドープ酸化スズと三酸化アンチモンの混合物が一般的ですが、未着色の基材がグレーがかった色合いになることがあります。その他には、アルミニウム粒子、複合金属酸化物、独自配合の化合物が用いられ、最終的な色合わせのために顔料や染料が加えられます。

レーザーマーキングしたナイロンは食品接触部品に使用できますか？

適切な添加剤を使用すれば可能です。特定の添加剤は、21 CFR 178.3297「Colorants for Polymers」の条件A〜Hに基づき、食品接触用途および食品包装向けとしてFDAの承認を取得しています。お客様のグレードと添加量がその承認範囲に含まれるかをご確認ください。

ナイロンにはどのくらいのパルス幅を使用すべきですか？

短いパルスが適しています。MOPAレーザーでは、およそ90ナノ秒未満のパルス幅がプラスチックに適しており、高いピーク出力によって基材への熱伝導を最小限に抑えつつ、表面温度を素早く上昇させます。

ガラス繊維入りナイロンが未充填のナイロンよりマーキングしにくいのはなぜですか？

ガラス繊維は近赤外線を吸収せず、ビームを散乱させるため、繊維が多い表面ではマーキングが弱く、ばらつきも生じます。樹脂リッチな表面が得られるよう、成形条件を調整する必要があります。「ガラス繊維の浮き出しとレーザーマーキング」もあわせてご参照ください。

Scott R. Sabreenは、The Sabreen Group, Inc.の創業者兼社長です。同社は、表面前処理、接着・加飾・仕上げ、レーザーマーキング、製品セキュリティといったプラスチック二次加工プロセスを専門とするエンジニアリング会社です。30年以上にわたり、新技術の開発と製造課題の解決に取り組んできました。Sabreenへのお問い合わせは、972.820.6777、またはwww.sabreen.comもしくはwww.adhesionbonding.comをご覧ください。

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