レーザーカラーマッチング

レーザーカラーマッチング

重要ポイント

• 色はインクではなく材料から生まれます。レーザーのエネルギーが、ポリマーまたはその添加剤に変化を引き起こします。
• 主な方法は2つあります。熱による変色と、光の散乱を変える発泡や表面の構造化です。
• 波長、パラメータ、添加剤の化学的性質が、実現できる色を決めます。
• すべての色が可能なわけではなく、添加剤がなければ変色の可能性が限られる材料もあります。

レーザーカラーマッチング

レーザーカラーマッチングとは、指定された色とコントラストの目標に、再現性をもって規定の許容範囲内で到達するよう、樹脂配合とレーザーのパラメータセットを合わせて設計するプロセスです。レーザーマークの色は装置側で選ぶものではなく、ポリマー、その着色剤、レーザー添加剤パッケージ、そしてビームの相互作用から生じるため、この設計が重要になります。

この分野全体を貫く事実が2つあります。第1に、同じレーザー設定でも、樹脂グレードが異なればマークの色は異なります。第2に、同じ樹脂でもパルス設定が異なれば、濃い色、淡い色、中間の色のマークになり得ます。したがって、色は装置の設定ではなく、配合とプロセスの結果です。

マークの色を生むもの

色の客観的な測定

「だいたい合っている」は仕様ではありません。マークの色は、分光光度計を用いてCIELAB色空間で数値化し、L*（明度）、a*、b*（反対色軸）で表します。マークと目標との差は、色差の総量を1つの数値で表すΔEで報告します。

• ΔEがおよそ1未満であれば、人間の目には通常、識別できません。
• ΔEが1～2の場合、近くで比較したときにのみ識別できます。
• ΔEがおよそ3を超えると、はっきり目に見え、通常は商業上の許容範囲を外れます。

機械で読み取るコードでは、より重要な指標は色ではなく、マークと基材のコントラストです。バーコードやデータマトリックスの検証規格は、反射率の差でグレードを判定するためです。マークが色の目標に合っていても、基材とのコントラストが不十分であれば、コードのグレードで不合格になり得ます。

管理すべき変動要因

• 樹脂のロットとサプライヤー。ベースポリマーの色はロット間でずれ、それに引きずられてマークの色も変わります。
• 着色剤とフィラーの配合量。二酸化チタン、カーボンブラック、顔料はいずれも、背景色だけでなくマーキング反応にも関与します。
• 再生材の混合率。再加工した材料は熱履歴が異なり、多くの場合、異なる色調にマーキングされます。
• 成形条件。溶融温度、冷却速度、表面仕上げは、結晶化度と表面の質感を変え、その両方が見た目の色に影響します。
• レーザーパラメータのドリフトと光学部品の汚れ。出力が徐々に低下すると、マークは時間とともに薄くなります。これは生産現場で、ゆっくりした原因不明の色ずれが起こる一般的な要因です。

実用的な適格性評価の手順

• まず、樹脂グレード、着色剤、添加剤パッケージを固定します。配合が変わり続けていては、色の目標を維持できません。
• 出力、速度、周波数、パルス幅にわたるパラメータマトリックスを作成し、サンプルを一通りマーキングします。
• すべてのセルを分光光度計で測定し、単一の最良セルではなく、周囲の余裕が最も広く、かつ目標に届く設定を見つけます。
• レシピを確定する前に、樹脂ロット、再生材の混合率、成形条件をまたいで検証します。
• 適格性評価用の物理標準サンプルを保管し、ΔEの許容値を定めて、工程内チェックを確立します。

狭い最適点ではなく、許容範囲の広い領域の中央で設定を選ぶことが、カラーマッチングしたプロセスが通常の生産変動に耐える鍵となります。

現実的に実現できること

レーザーによる色付けは、しばしば過大に宣伝されます。実現できる色の範囲は狭く、材料に依存するため、プログラム開始前に期待値をそろえておくと、多くの開発の無駄を防げます。

お客様との会話での正直な説明は、レーザーマーキングは材料が生み出せる少数の色の中から選ぶものであり、印刷は指定した任意の色を付けられる、というものです。ブランドカラーが契約上の要件である場合は、印刷または塗布による加飾を計画し、レーザーはコード用に使ってください。

色管理計画の策定

マークの色は、塗布されるのではなく生成されるため、上流のあらゆる要素に応じてずれます。生産プログラムを通じて色を維持する管理計画では、レーザーと同じくらい、材料にも対処する必要があります。

• 許容値はΔEで設定し、測定器を明記します。ジオメトリ、アパーチャ、光源によって測定値が変わるため、測定方法のない許容値は、サプライヤーとお客様の間で拘束力を持ちません。
• 物理マスターを保管します。数値はずれ、測定器は再校正されますが、管理された環境で保管したマーキング済みサンプルは、表計算では解決できない争いを決着させます。
• 測定位置を定めます。色は表面の質感、肉厚、ゲートからの距離によって変わるため、測定点は図面に記載します。
• プロセスだけでなく、材料も範囲で押さえます。再生材の許容混合率の上下限で、かつ少なくとも2つの樹脂ロットにわたって適格性評価を行います。これらはレーザー設定以上に結果を動かすためです。
• 再適格性評価のトリガーを定めます。樹脂ロット、着色剤サプライヤー、再生材の混合率、金型交換、レーザーのサービス、光学部品の交換などです。
• 検査するのではなく、管理図で管理します。色ずれは徐々に進むため、測定値の推移を追えば、修正可能なうちに発見できます。合否判定の検査では、部品が不合格になってから初めて発見されます。

色ずれのトラブルシューティング

関連用語と参考情報

• レーザーマーキング添加剤
• レーザーマーキング用マスターバッチ
• 優れたコントラストと線のエッジ精度を実現する画期的な添加剤
• マーキング品質に影響するプロセスパラメータ
• パッド印刷

実際の生産での活用

The Sabreen Groupは、レーザーカラーマッチング、配合開発、マークのコントラストの適格性評価について、独立した立場でエンジニアリング支援を提供しています。プロセスの仕様策定、材料の適格性評価、生産上のトラブルの解決など、お困りの際は当社のエンジニアリングサービスチームがお手伝いします。お客様の用途についてのご相談は、お問い合わせください。

よくあるご質問

レーザーカラーマッチングとは何ですか？

インクや染料を使わず、ビームと材料またはその添加剤との相互作用を利用して、特にポリマー、金属、複合材料に、制御されたレーザー加工で精密かつ一貫した色や色のコントラストを作り出すことです。

レーザーは、インクなしでどのように色を生み出しますか？

主なメカニズムは2つです。熱による変色では、材料またはその添加剤を加熱し、化学的または物理的な変化を起こして別の色を生み出します。発泡と表面の構造化では、制御されたマイクロ発泡や質感を作り、光の散乱を変えて、見かけ上の色変化を生み出します。

実現できる色は何で決まりますか？

レーザーの波長、正確な設定パラメータ、そして照射に対して予測どおりに反応する添加剤を含む材料の配合で決まります。同じ材料でも波長によって相互作用が異なるため、レーザーとコンパウンドは一緒に開発する必要があります。

レーザーによる色は永久的ですか？

はい。変化は材料自体に生じるため、結果は永久的で耐摩耗性があり、色あせたり、にじんだり、擦り切れたりするインクや染料はありません。

一貫したカラーマッチングが難しいのはなぜですか？

レーザーパラメータと材料配合の両方を慎重に校正する必要があり、表面仕上げや環境条件によって一貫性が左右されることがあります。また、添加剤を配合しない限り、変色の可能性が限られる材料もあります。

レーザーマークを特定のブランドカラーに合わせられますか？

厳しい許容範囲では、ほとんどできません。色は、顔料を塗布した結果ではなく、ポリマーが制御された形で劣化する際の副産物であるため、材料は、指定された色を受け入れるのではなく、実現できる少数の色を提示するだけです。ブランドカラーが契約上の要件である場合は、印刷または塗布による加飾を計画し、レーザーはコードとトレーサビリティデータに使ってください。

レーザー設定を変えていないのに、マークの色がずれるのはなぜですか？

多くの場合、原因は材料か光学系です。樹脂と着色剤のロット差、再生材の混合率、成形条件はいずれも結果を動かします。また、光学部品の汚れは、フロントパネルには表れないほど緩やかに、届くエネルギーを減らします。レシピを調整する前に、ワーク位置で出力を測定し、材料証明書を確認してください。

色の許容値が、サプライヤーとお客様の間で拘束力を持つには、何が必要ですか？

測定器、アパーチャ、ジオメトリ、光源を明記したΔEの数値、部品上の定められた測定位置、そして保管された物理マスターが必要です。これらがなければ、同じ部品を測定した双方の結果が食い違うのは当然です。色は質感や肉厚によって部品内でも変わるため、測定点は図面に記載します。

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