PPSレーザーマーキング：ファイバーレーザー活用ガイド

ファイバーレーザーによるPPS（ポリフェニレンサルファイド）のレーザーマーキング

概要

PPS（ポリフェニレンサルファイド）へのマーキングおよびレーザー彫刻は、レーザーで加熱しても高温に耐えてしまうため、非常に困難です。近年の着色剤技術、レーザー専用カーボンブラック、およびファイバーレーザーの進歩により、黒色のガラス繊維強化PPSに対して、高コントラストで明色かつ耐擦傷性のあるマーキングが可能となり、Yellow Cardの認証も取得されています。この大きな進歩により、自動車、航空宇宙／NASA MIL規格エレクトロニクス、ポンプ・バルブ、家電をはじめとする多様な分野で、データマトリックス、バーコード、QRコード、個別部品識別のマーキングおよびマイクロマーキングが実現します。堅牢で耐擦傷性の高いマーキングを得るには、イッテルビウムファイバーレーザーのセットアップと光学系に高い精度が求められます。

要点

• PPSは熱に強いためマーキングが困難です。高温安定性が高いということは、コントラストを形成する表面反応を起こしにくいことを意味します。
• MOPA方式のイッテルビウムファイバーレーザーが最適な選択であり、パルス幅20〜40 ns、パルス周波数100 kHz以上が目安となります。
• 耐擦傷性は表面温度の制御で決まります。昇温・降温時間の設定を誤ると、マーキングは擦れて消えてしまいます。
• 樹脂リッチな表面が不可欠です。ガラス繊維を30〜40%充填したPPSでガラス浮き（グラスエマージェンス）が生じると、マーキング品質は劣化します。
• 完全な結晶化には275〜300°F以上での成形が必要です。これを下回ると、使用時に部品の寸法が変化します。

最適なレーザーマーキング。黒色のガラス繊維強化PPSに耐擦傷性と高コントラストを備えた明色のマーキングを施すには、パルス幅と集光パワー密度を精密に制御できるMOPA方式のイッテルビウムファイバーレーザーが最適です。この精密な制御により、1060〜1070nmの近赤外波長において、表面の化学的発泡プロセスをより適切に管理できます。最適なパルス幅は20〜40ナノ秒、パルス周波数は100キロヘルツ以上です。表面温度（昇温・降温時間）を制御するには精密なレーザーセットアップが不可欠であり、そうでなければマーキングは容易に擦り取られてしまいます。

PPSを含むガラス繊維強化ポリマーに高品質なレーザーマーキングを行うには、安定した射出成形と、レーザー最適化着色剤および事前コンパウンド材料の確実な分散・分布が必要です。ガラス繊維の添加は成形プロセスに悪影響を及ぼすことがあり、それがレーザーマーキングの品質にも影響します。堅牢なマーキングを実現するには、部品表面が樹脂リッチであることが必要です。ガラス繊維が多い表面では、マーキング結果は劣ったものになります。

ポリフェニレンサルファイド（PPS）

ポリフェニレンサルファイド（PPS）は、高温対応の半結晶性エンジニアリング熱可塑性樹脂です。業界では、PPSは「金属のような性能を発揮するプラスチック」として知られています。PEEKやLCPなど他の高温性能プラスチックと同様に、PPSの特性はその結晶化挙動に左右されます。PPSには「分岐型」の分子構造と「直鎖型」の2種類が販売されています。代表的なブランドには、Celanese Fortron®、Solvay Ryton®、SABIC Supec、Toray Torelina、DIC PPSなどがあります。分岐型はより剛性が高い傾向があります。直鎖型は一般に機械的強度および曲げ強度に優れ、溶融安定性も高くなります。また直鎖型PPSはイオン性不純物が少ないという特長もあります。標準のPPSにガラス繊維（30パーセントおよび40パーセント）やガラス繊維／無機フィラー混合物を配合することで、特殊で要求の厳しい用途にも対応できます。エレクトロニクスメーカーは、絶縁部品やコネクタ製品に40パーセントガラス繊維強化PPSを選定するのが一般的です。

完全な結晶状態を得るには、少なくとも275〜300°Fの金型温度が必要です。275°F未満で成形されたPPSは、成形品が非晶質または半結晶性となり、より高い使用温度にさらされるまでその状態のまま残ります。使用温度が成形温度を超えると、部品の結晶化がさらに進み、寸法や物性の変化を招きます。

ガラス繊維の原料はシリカ、石灰石、およびソーダ灰です。シリカがガラスを形成する主原料であり、ソーダ灰と石灰石は溶融温度を下げるために用いられます。「グラスエマージェンス（ガラス浮き）」は、ガラス繊維強化の射出成形品でよく発生する重大な表面欠陥です。ガラス繊維が露出することで、繊維が多い表面が形成されます。溶融樹脂の充填および成形の過程で、余分なガラスが表面に現れます。冷却固化と成形の後、表面に白い斑点が現れます。高品質なマーキングを実現するには、レーザーのエネルギーがポリマーマトリックスと相互作用できるよう、成形品表面が「樹脂リッチ」である必要があります。逆に、ガラス繊維が多い表面はマーキング性が悪く、繊維含有率が高いほど問題は深刻になります。ガラス繊維自体は、近赤外（NIR）レーザー光の吸収体として優れていません。

産業用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方式および固定パルス方式）は、優れたビーム品質（M2）と高い輝度「放射輝度」により、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理想的です。20ミクロン未満の微小なスポット径まで集光できるため、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。プラスチックのマーキングでは、レーザー放射照度（W/cm2）とフルエンス（J/cm2）が重要なパラメータとなります。放射照度は本質的にレーザービームの強度であり、集光スポット径の関数です。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。フルエンスが低すぎると材料はまったく変化しない場合があります。高すぎると、目的とするマーキング効果を超えて材料が過度に損傷することがあります。

レーザーのパルス繰り返し周波数とピークパワー密度は、マークの形成、および最適なコントラストと加工速度の実現において決定的に重要です。パワーとパルス繰り返し周波数の関係を示す算術曲線は反比例します。低周波数での高いピークパワー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散させます。パルス繰り返し周波数が高くなるとピークパワーは低下し、蒸散は最小限になる一方で、より多くの熱が伝導します。

詳しくはThe SABREEN Groupにお問い合わせください。最も困難なレーザーマーキングの課題をぜひお寄せください。

よくあるご質問

PPSのレーザーマーキングが難しいのはなぜですか？

PPSは高温対応の半結晶性熱可塑性樹脂であり、レーザーが加える熱に耐えてしまうため、一般的なプラスチックでコントラストを生み出す炭化や発泡の反応をはるかに起こしにくくなります。PPS部品で一般的なガラス繊維強化も、この問題をさらに難しくします。

黒色ガラス繊維強化PPSに耐擦傷性のあるマーキングを行うレーザー設定は？

MOPA方式のイッテルビウムファイバーレーザーで、パルス幅20〜40ナノ秒、パルス周波数100 kHz以上を使用します。表面温度の昇温・降温時間を制御するのは精密なセットアップであり、この制御がなければマーキングは容易に擦り取られてしまいます。

ガラス繊維の含有率はPPSのマーキング品質に影響しますか？

大きく影響します。ガラス繊維は近赤外を吸収しないため、ガラスが多い表面ではマーキング性が低下し、繊維含有率が上がるほど問題は悪化します。エレクトロニクス向けコネクタでは40%ガラス繊維強化PPSが一般的に使用されるため、樹脂リッチな表面を形成することが成形上の重要課題となります。

PPSに必要な金型温度はどのくらいですか？

完全な結晶状態に達するには、少なくとも275〜300°Fが必要です。これを下回る温度で成形された部品は非晶質または半結晶性のままとなり、使用温度が成形温度を超えると後から結晶化が進み、寸法や物性の変化を引き起こします。

直鎖型PPSと分岐型PPSの違いは何ですか？

分岐型PPSはより剛性が高い傾向があります。直鎖型PPSは一般に、機械的強度と曲げ強度に優れ、溶融安定性が高く、イオン性不純物も少なくなります。

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を専門とするエンジニアリング企業です。30年以上にわたり、新技術の開発と製造上の問題解決に取り組んできました。Scott Sabreenへのお問い合わせは972.820.6777、またはwww.sabreen.com、https://sabreen.com/solutions/plastics-laser-marking/ をご覧ください。

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