ガラス・ミネラル充填プラスチックのレーザーマーキング：フィラー添加で何が変わるか

ガラス・ミネラル充填プラスチックのレーザーマーキング：フィラー添加で何が変わるか

要点

• フィラーは、ベースポリマーなら透過してしまうエネルギーを吸収・散乱するため、通常はコントラストを向上させます。
• 繊維の露出が特徴的な不具合です。ガラスが除去されないエネルギーで、ポリマーが蒸発してしまいます。
• 標準的な対策は、出力を上げることではなく、エネルギーを下げてパス数を増やすことです。
• 同じ樹脂の充填グレードと無充填グレードでは、別々のレシピと別々の適格性評価が必要です。

レーザーマーキングに関する多くの指針は、ポリマーが単一の材料であるかのように書かれています。しかし、実際の生産現場では、そうであることはまれです。マーキングセルに届くエンジニアリング熱可塑性樹脂の大半は、10〜50%のガラス繊維、ガラスビーズ、タルク、マイカ、ウォラストナイトを含んでおり、このフィラーは、ほかのどの配合変数よりもマーキング結果を大きく変えます。多くは良い方向ですが、ときには本来良好だったプロセスを台無しにします。

フィラーが不利益よりも利益をもたらすことが多い理由

プラスチックへのマーキングを1064 nmのファイバーレーザーで行う際の根本的な難しさは、ほとんどのポリマーがその波長でほとんど吸収しないことです。ビームは表面にエネルギーを与えずに透過してしまいます。したがって、配合中の吸収または散乱を起こすものはすべて、マーキングに有利に働き、フィラーはその両方を行います。

充填されたエンジニアリング樹脂が、成形したままで許容できるマーキングが得られることが多く、天然色の無充填の同等品では、コンパウンドしたレーザー添加剤が必要になるのはそのためです。充填グレードに添加剤を指定する前に、まずそのままマーキングしてみてください。その費用は、すでにフィラーが支払っているかもしれません。

繊維の露出：代表的な不具合

ガラスとポリマーは、同じエネルギーでレーザーに反応するわけではありません。ポリマーは分解温度に達して蒸発しますが、融点がはるかに高いガラスは蒸発しません。その結果、繊維の端が周囲の表面から突き出したマークが残ります。見た目がざらつき、触感もあり、コード用途では、突き出した繊維がリーダーの照明を散乱させるため、読み取り性の問題になります。

「きれいにしよう」として出力を上げたくなるのが自然な反応ですが、それでは悪化します。ポリマーがさらに除去され、より多くの繊維が露出するためです。効果のある対策は次のとおりです。

• 1パスあたりのエネルギーを下げ、パス数を増やす。軽いパスを複数回行う方が、強い1回のパスよりもポリマーが徐々に除去され、凹凸が少なくなります。
• 光源が許すなら、パルス幅を短くする。短く設定したMOPA光源は、熱の深さを浅くするため、各繊維の周囲で失われるポリマーの量が減ります。
• 材料の除去ではなく、変色のメカニズムを狙う。材料を除去せずに、炭化で十分なコントラストが得られる場合は、繊維の露出はほぼなくなります。
• マークの位置を検討する。繊維の配向は流動に沿うため、繊維が表面と平行に走る位置に付けたマークは、繊維が端を向けて現れる位置よりもきれいに見えます。
• 外観上の問題にとどまる場合は許容する。トレーサビリティのコードを載せる見えない面では、多少ざらついていても許容できるグレードが得られるなら、不具合ではありません。

フィラー含有量は部品全体で均一ではない

最も見落とされやすい要因は、「ガラス30%」の成形品が、どこでも30%のガラスではないことです。射出成形では、スキン・コア構造が生じます。溶融樹脂が金型に接して固化する樹脂リッチなスキン層と、繊維が集中するコア層です。マーキングは、そのスキン層を除去または変質させます。

実務上の影響は、設計で考慮する価値があります。

• マークの深さによって、レーザーが相互作用する対象が変わる。ごく浅いマークではほぼ樹脂だけを見ますが、深いマークは繊維の多いコアに達し、挙動が変わります。
• スキンの厚さが変わるため、コントラストは壁厚によって変化する。
• ゲートへの近さが重要である。ゲート付近では繊維の配向と濃度が異なり、そこに付けたマークは、他の場所の同じマークとは異なる見え方をすることがあります。
• 成形条件が結果を動かす。溶融温度と射出速度がスキンの厚さを変えるため、材料が何も変わっていなくても、成形プロセスの変動によってマーキングレシピがずれることがあります。

充填グレードの適格性評価

• 量産材料を、量産時のフィラー含有量、色、許容される最大リグラインド比率でマーキングする。充填樹脂では、繰り返しの加工で繊維が短くなり、外観と流動の両方が変わるため、リグラインドはより重要になります。
• 成形したプラークで出力と速度のマトリクスを実行し、各セルで目視ではなくL*を測定する。
• 最もコントラストの高いセルではなく、許容できる最も広い領域の中央を選ぶ。充填グレードはロットごとにばらつくため、それに耐えるのはプラトー領域です。
• コントラストだけでなく、拡大して表面を観察する。繊維の露出は、肉眼では見えなくても、コードリーダーには明白であることがよくあります。
• 機械可読コードは、目視検査ではなく、ISO/IEC 15415に基づいてグレード評価する。
• 充填品と無充填品は、別々に適格性を評価する。データシートでの呼び名にかかわらず、マーキングの観点では別の材料です。

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よくあるご質問

ガラスフィラーは、プラスチックのレーザーマーキングを容易にしますか、難しくしますか？

コントラストを得るという点では、容易になります。フィラーはベースポリマーなら透過してしまうエネルギーを吸収・散乱するため、充填エンジニアリング樹脂は、レーザー添加剤なしで良好にマーキングできることが多く、無充填の同等品では添加剤が必要になります。トレードオフは表面品質です。フィラーにより繊維が露出してマークがざらつくため、難しさは、マークを得ることから、きれいなマークを得ることへと移ります。

マークにガラス繊維が現れないようにするには、どうすればよいですか？

出力を上げるのではなく、1パスあたりのエネルギーを下げ、パス数を増やしてください。繊維が現れるのは、ガラスが除去されないエネルギーでポリマーが蒸発するためで、ポリマーをより多く除去するほど、より多くの繊維が露出します。光源が許すならパルス幅を短くすると効果があり、コントラストが許すなら、材料の除去ではなく変色のメカニズムを狙うことで、問題はほぼ回避できます。

1つの充填成形品の中で、マークの品質がばらつくのはなぜですか？

フィラー含有量が部品全体で均一ではないためです。射出成形では、繊維の多いコアの上に樹脂リッチなスキン層が形成され、スキンの厚さは、壁の断面、ゲートへの近さ、冷却によって変わります。マーキングはその構造を場所ごとに異なる深さで削り込むため、レーザーは、マークの位置によって、実質的に異なる材料組成と相互作用することになります。

同じ樹脂の充填グレードと無充填グレードで、同じレシピを使えますか？

使えません。フィラーが吸収、熱伝導率、表面挙動を変えるため、データシートでの呼び名にかかわらず、マーキングの観点では別の材料として振る舞います。それぞれ個別に適格性を評価し、フィラーの含有量や種類の変更は、軽微な代替ではなく、再適格性評価が必要な変更として扱ってください。

リグラインドは、充填樹脂のマーキングに影響しますか？

無充填の樹脂より大きく影響します。繰り返しの加工で繊維が短く砕け、流動、表面の外観、スキン中のフィラーの分布が変わります。ラインで許可された最大のリグラインド比率でスクリーニングを行い、許容比率の引き上げは、購買上の判断ではなくプロセス変更として扱ってください。

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