透過型レーザー溶着・接合を成功させるカーボンブラックの選定

透過型レーザー溶着・接合を成功させるカーボンブラックの選定

概要

レーザー溶着は、非接触の加熱方式でサイクルタイムが短くコストも低いため、熱可塑性樹脂の接合に幅広い用途で使われています。表面加熱と透過加熱のいずれでも、最も多用される着色剤はカーボンブラックです。粒子の凝集度と分布が小さいカーボンブラックが、レーザー加熱に最も効果的であることがわかりました。レーザーラインビーム走査の実験では、レーザーヘッドをわずかに傾けると、前進時と後退時で加熱状態が変わることが示されました。異種ポリマーの接合では、表面にテクスチャーを付与することで接着接合面積と機械的なかみ合いが増え、優れた接合が得られることがわかりました。

重要ポイント

• 重要なのは重量％だけでなく、カーボンブラックの種類です。多くの文献はこの違いを見過ごしていますが、吸収性と熱への変換効率は大きく異なります。
• 粒子の凝集度と分布が小さいものが、レーザー加熱に最も効果的でした。
• 一般的な添加量は重量比で0.1％～1％で、ABSの接合では0.1％が最も効果的な量でした。
• カーボンブラックはすすではありません。すすは物質が不完全燃焼したときに生じるもので、両者はまったく異なる物質です。
• レーザーの走査方向によって結果が変わります。レーザーヘッドをわずかに傾けると、前進時と後退時で加熱状態が異なります。

よくあるご質問

レーザー溶着では、カーボンブラックの種類は本当に重要ですか？

はい、非常に重要です。レーザー加熱に関する文献の多くは重量％しか論じていませんが、カーボンブラックの種類によって大きく異なり、レーザーエネルギーの吸収と熱への変換の両方に影響します。粒子の凝集度と分布が小さい種類が最も効果的であることがわかりました。

カーボンブラックはどのくらい添加すればよいですか？

一般に、重量比で0.1％～1％が、いずれかの部品にレーザー吸収剤を組み込む有効な量です。ABSとPTFE/PETフィルムの透過接合では、0.1重量％が最も効果的でした。ガラス転移温度を超える層がより厚くなり、ABSが流動して密着性が向上したためです。

カーボンブラックとすすの違いは何ですか？

両者はまったく異なる物質です。すすは、ポリマーなどの物質が不完全燃焼したときに生じ、一般に非晶質です。カーボンブラックは構造が制御された工業製品であり、その制御によってレーザー吸収挙動が予測可能になります。

表面のテクスチャー加工はレーザー接合に有効ですか？

はい。ABS表面に畝（リッジ）や格子状（クロスハッチ）のテクスチャーを付与すると、有望な結果が得られました。テクスチャー面は表面積が大きく、界面での機械的なかみ合いが増すためで、特に異種ポリマーの接合に有用です。

レーザーの走査方向が溶着品質に影響するのはなぜですか？

レーザーラインビーム走査の実験では、レーザーヘッドをわずかに傾けると、前進時（引く方向）と後退時で加熱状態が異なることが示されました。接合部に沿って溶着品質にばらつきが出る場合は、確認する価値のあるセットアップ上の変数です。

はじめに

熱可塑性樹脂のレーザー溶着は、表面加熱と透過加熱という2つの加熱方式で実現できます[1-5]。どちらの方式でも、レーザー吸収のためにポリマーへ着色剤を添加します。最も多用される着色剤はカーボンブラックですが、ポリマーのレーザー加熱に関する文献の多くは、カーボンブラックの種類の違いを論じていません。そこで本研究では、カーボンブラックの種類とそのレーザー吸収性能を整理します。あわせて、ABSのレーザー接合の実験研究を通じて、表面のテクスチャー加工とレーザー走査方向が接合に及ぼす影響についても論じます。

レーザー加熱

前述のとおり、レーザー加熱は表面加熱と透過加熱のどちらでも可能です[5]。図1に示すように、表面加熱は、レーザービームを拡大し、ミラーを用いて両方の部品の表面を同時に加熱することで実現できます。図2のように、レーザーラインビームまたはレーザースポットを走査ミラーで高速に走査し、部品表面を加熱することも可能です。いずれの場合も、レーザーを吸収して加熱するため、カーボンブラックなどの吸収剤をプラスチック部品に組み込む必要があります。

透過型レーザー加熱では、一方の部品はレーザーを透過し、もう一方の部品にはカーボンブラックなどの添加剤を含ませて、レーザー光を吸収して熱に変換します（図3）。透過型レーザー加熱には複数の方法があります。走査加熱では、レーザーを移動させるか走査ミラーを用いて、レーザービームで接合ラインを走査します（図4）。同時加熱では、レーザービームを拡大するか、複数のレーザー光源を光ファイバーバンドルと組み合わせて、接合領域全体を同時に加熱します（図5）。準同時加熱では、高速走査ミラーで接合領域を高速に走査し、単一の高出力レーザービームで同時加熱を模擬します（図6）。もう一つの方法は、マスキングを併用した同時加熱で、接合領域のみを加熱し、他の領域にレーザービームが届かないよう遮蔽します（図7）。この場合も、吸収側の部品にはカーボンブラックなどの着色剤を含ませ、レーザー光を吸収して熱に変換します。

カーボンブラック

多くの用途では、少量のカーボンブラック（通常は重量比で0.1％～1％）を添加することが、プラスチック部品の一方にレーザー吸収剤を組み込む有効な方法です。通常、使用するカーボンブラックの種類は考慮されず、重量％のみが扱われます[6]。しかし、カーボンブラックの種類によって大きく異なり、レーザーエネルギーの吸収と熱への変換に影響を及ぼします。

まず、カーボンブラックとすすはまったく異なる物質であることを認識することが重要です。すすは、ポリマーなどの物質が完全に燃焼しないときに生じます。すすは一般に粉末状の非晶質炭素で、比表面積はカーボンブラックよりはるかに小さくなります。カーボンブラックは、重質石油製品の不完全燃焼の後に有機化合物を抽出して製造され、元素状炭素を97％以上含みます。表1に示すように、カーボンブラックは製造プロセスによって分類されるのが一般的です[7]。粒子の凝集度と分布が小さいカーボンブラックが、レーザー加熱に最も効果的でした。

カーボンブラックの種類とポリマー中の重量％の組み合わせが、レーザー吸収に影響します。ある種類のカーボンブラックでは、重量％を低く（0.1％または0.15％）すると、レーザーが部品内部へ部分的に透過し、表面下の加熱が起こります。これは、表面を劣化させずに溶融層を厚くしたい場合に有益です。逆に、重量％が高い（0.5％以上）場合、吸収の大部分は表面付近で起こり、溶融層は薄くなります。

ABSの透過型レーザー接合

ABSとPTFE/PETフィルムのレーザー接合を評価する実験を、レーザーラインビーム走査で行いました。種類と添加量の異なるカーボンブラックを含むABSプラークを成形しました。この用途では、0.1重量％のカーボンブラックが最も効果的でした。ガラス転移温度（Tg）を超える層がより厚くなり、ABSがより流動しやすくなって、PTFE/PETフィルムへの密着性が向上したためです。

ABS表面に畝（リッジ）や格子状のテクスチャーを付与すると、有望な結果が得られました（図8）。テクスチャー面は表面積が大きく、界面での機械的なかみ合いが増しました。手で剥がした際のはく離強度は全般に高く感じられ、特に畝と直角の方向に剥がした場合に顕著でした。これらの接合部の外観検査でも非常に有望で、PTFE/PETフィルムに広範囲の凝集破壊が見られました（図9）。

ABSの加熱には、Fanucロボットに搭載したLeister 800レーザーラインビームヘッドを使用しました。レーザーヘッドを一方向にわずかに傾けたため、図10のように、押す方向（プッシュ）と引く方向（プル）で強度がわずかに異なります。傾きの影響を評価するため、Pico Technology USB TC-08熱電対データロガーを用いて、プッシュ・プル加熱中の温度履歴を測定しました。

図11に示すように、プッシュ方向の温度はプル方向より大幅に低くなりました。同様に、プッシュ-プッシュ（図12）とプル-プル（図13）でも温度を測定しました。どちらの場合もパス間の温度変動は小さく、プル-プルでは表面温度がやや高くなりました。全般に、測定された温度は想定より低くなりましたが、これは熱電対が大きく、表面の上に置いただけだったためと考えられます。より細い熱電対線を使い、加熱した工具で先端をABS表面に押し込めば、測定精度が向上すると考えられます。

結論

熱可塑性樹脂の溶着・接合におけるレーザー加熱について、カーボンブラックの種類と含有量、表面のテクスチャー加工、レーザー走査方向が接合品質に及ぼす影響を調べました。表面加熱と透過加熱のいずれでも、最も多用される着色剤はカーボンブラックです。粒子の凝集度と分布が小さいカーボンブラックが、レーザー加熱に最も効果的であることがわかりました。ABSを用いたレーザーラインビーム走査の実験では、レーザーヘッドをわずかに傾けると、前進時（プル方向）と後退時（プッシュ方向）で加熱状態が変わることが示されました。ABSとPTFE/PETフィルムの異種ポリマー接合では、表面のテクスチャー加工により接着接合面積と機械的なかみ合いが増え、優れた接合が得られることがわかりました。

参考文献と謝辞

• J. Schulz and E. Haberstroh, “Welding of Polymers Using a Diode Laser,” SPE ANTEC Proceedings, 2000.
• H. Ponte, J. Korte, “Laser Butt Welding of Semi-Crystalline Thermoplastics,” SPE ANTEC Proceedings, 1996.
• V.A. Kagan and G.P. Pinho, “Laser Transmission Welding of Semi-Crystalline Thermoplastics Part II: Analysis of Mechanical Performance of Welded Nylon,” SPE ANTEC Proceedings, 2000.
• M. Rhew, A. Mokhtarzadeh and A. Benatar, “Through Transmission Laser Welding of Polycarbonate and HighDensity Polyethylene,” SPE ANTEC Proceedings, 2003.
• D. Grewell, A. Benatar and J. Park, Editors, Plastics and Composites Welding Handbook, Hanser, 2003.
• B. Acherjee, A.S. Kuar, S. Mitra and D. Misra, “Effect of carbon black on temperature field and weld profile during laser transmission welding of polymers: A FEM study,” Optics & Laser Technology 44 (2012) 514–521.
• Orion Engineered Carbon LLC company literature.

レーザービームスキャナーをご提供いただいたLeister Corp.、ロボットをご提供いただいたFanuc America、自動化セルをご提供いただいたKimastle Corp.に感謝いたします。

Avraham (Avi) Benatarは、溶接工学の准教授であり、Plastics and Composites Joining Laboratoryのディレクターです。また、Welding Engineering Distance Education Master of Scienceプログラムのコーディネーターであり、College of Engineering Master of Global Engineering Leadershipの学部ディレクターも務めています。Massachusetts Institute of Technologyで機械工学のS.B.、S.M.、Ph.D.の学位を取得しました。

Scott R. SabreenはThe Sabreen Group, Inc.の創業者兼社長です。同社は、レーザーマーキング、表面前処理、接着、加飾・仕上げ、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、先駆的な技術の開発と製造上の課題解決に取り組んでいます。ご連絡は972.820.6777、または www.sabreen.com もしくは www.plasticslasermarking.com をご覧ください。

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