ファイバーレーザーが可能にする先端プラスチックへのマーキング

ファイバーレーザーが可能にする先端プラスチックへのマーキング

一次加工時にポリマーへ配合する、FDA承認の画期的な添加剤が、プラスチックのレーザーマーキングを最適化します。高速性、優れたコントラスト、コスト削減が主な利点です。新規の化学添加剤により、「オンザフライ」および二次加工の両方で、漆黒、淡色、カスタムカラーのコントラストを実現できます。手頃な価格のイッテルビウムファイバーレーザー向けに設計されており、インラインのインクレスレーザーマーキングが、従来のロータリーグラビア印刷やパッド印刷に置き換わりつつあります。

重要ポイント

• ほとんどのポリマーには近赤外線の吸収がないため、1060～1080 nmでのマーキングは添加剤があって初めて可能になります。
• 重金属を含まず、FDAおよびEFSAの承認を得た添加剤により、透明度、分光透過率、物理特性を損なうことなく高コントラストが得られます。
• 添加剤により、最適化されていない配合と比べてマーキング時間を20％以上短縮でき、そのコストはすぐに回収されます。
• 繰り返し周波数ではMOPAがQスイッチを上回ります（最大500 kHzに対し約80 kHz）。また、40 ns未満の短パルスは、敏感なポリマーに適しています。
• オンザフライの速度は、キャップで毎分2,000個、直線状の押出成形品では毎分500 ft以上に達します。

よくあるご質問

レーザー添加剤の添加量はどのくらい必要ですか？

最終部品中で0.01％～4.0％（重量比）です。添加剤とポリマーによって異なります。顆粒は樹脂と直接ブレンドでき、粉末は先にマスターバッチ化します。押出成形、射出成形、熱成形では、カラーコンセントレートよりも、あらかじめコンパウンドしたカラー材料のほうが均一性に優れます。

レーザー添加剤は透明度や物理特性に影響しますか？

適切に配合された添加剤であれば影響しません。ポリマーの透明度、分光透過率、基本的な物理特性は変わらないため、製品の品質を損なわずに、透明・半透明のポリマーへのマーキングが実用的になります。

オンザフライのレーザーマーキングは、実際にどれくらいの速度で行えますか？

ポリオレフィン製の合成ワインコルクや、ライナーレスの飲料用キャップ内側のプロモーションへの英数字・グラフィックのマーキング速度は、毎分2,000個に達します。テキストやマシンビジョン用コードの直線マーキングは、毎分500 ft以上を達成できます。

QスイッチファイバーレーザーとMOPAファイバーレーザーの違いは何ですか？

Qスイッチファイバーレーザーのパルス幅は通常100～120 nsで、Qスイッチ技術そのものの制約により、繰り返し周波数は約80 kHzに制限されます。直接変調型MOPAレーザーは、ナノ秒のパルス幅で最大500 kHzで動作し、一般に繰り返し周波数が高いほどマーキングが高速になります。

これらの添加剤は食品接触用途や医療機器向けに承認されていますか？

特定の添加剤は、21 CFR 178.3297「Colorants for Polymers」の条件A～Hに基づき、食品接触用および食品包装用としてFDAの承認を受けており、EU向けにも同等の適合声明があります。完成部品にさらなる適格性評価を行うことで、医療機器の生体適合性を達成できます。認証は、ポリマーの種類、添加量の閾値、直接接触か間接接触かによって異なります。

製品への適用

ナイロン、ポリエチレンテレフタレート（PET）、ポリカーボネート、ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル（PVC）、スチレン系、熱可塑性エラストマー（TPU）、熱可塑性ポリウレタン（TPE）など、透明、半透明、不透明の着色ポリマーに対し、重金属を含まず、FDA／欧州食品安全機関（EFSA）の承認を得た添加剤を独自に配合することで、高コントラストのマーキング品質が得られます（図1を参照）。ポリマーの透明度、分光透過率、基本的な物理特性は影響を受けません。非接触のデジタルレーザーマーキングは、高価な粘着ラベルやインク・薬品による印刷工程に置き換わります。その結果、コスト効率と環境性に優れ、外観の美しさも高い用途が実現します。

ポリマーのレーザーマーキング反応メカニズム

近赤外線（NIR）レーザー（波長1060～1080 nm）向けのレーザー用化学添加剤の配合における進歩は、イッテルビウムファイバー、バナデート、および従来のNd:YAGレーザーとの互換性にあります。ほとんどのポリマーは、化学添加剤がなければNIR吸収特性を持ちません¹。レーザーでマーキングできるポリマーとは、レーザー光を吸収し、光エネルギーを熱エネルギーに変換するものです。専門家は、添加剤、充填剤、顔料、染料を利用して、局所的な色変化のためのレーザーエネルギーの吸収を高めます。求めるマーキングのコントラストと機能に応じて、配合の化学的性質とレーザーの光学系・セットアップパラメータは大きく異なります。

最も一般的な表面反応のメカニズムは、熱化学的な「炭化」または「焦げ」と呼ばれ、基材に吸収されたエネルギーによって、吸収部位周辺の材料の局所温度がポリマーの熱分解を起こすほど高くなります。マークの濃淡は、吸収されたエネルギーと、その材料固有の熱分解経路によって決まります。レーザーのセットアップを最適化することで、表面の炭化残渣は最小限に抑えられます。

レーザー添加剤

近赤外線レーザー添加剤はコントラストの度合いを高め、レーザーのセットアップパラメータを変えることでさらに強められます。ポリマーには、「濃色」または「淡色」のマーキングコントラストを生じる固有の特性があります。二酸化チタン（TiO2）やカーボンブラックを少量含む着色剤化合物の中には、レーザー光を吸収し、場合によってはマーキングコントラストを向上させるものもあります。同じポリマー系統の中でも、グレードごとに結果は異なります。添加剤の配合は、有毒であってはならず、製品の外観、物理特性、機能特性に悪影響を及ぼしてはなりません。

インク印刷プロセス（パッド／スクリーン印刷、インクジェット）と比べて、レーザー添加剤はコスト削減につながり、最適化されていない材料と比べて20％以上のマーキング速度向上が見込めます。レーザー添加剤は、ペレット状の顆粒と粉末の形で供給されます。顆粒は樹脂と直接ブレンドでき、粉末はマスターバッチ化されます。多くはポリマー中に容易に分散します。添加剤とポリマーによって、最終部品中の添加濃度は重量比で0.01～4.0％の範囲です。

顆粒と粉末のいずれも、あらかじめコンパウンドしたカラー材料またはカラーコンセントレートにブレンドできます。どの添加剤を採用するかは、ポリマーの組成、基材の色、求めるマーキングコントラストの色、最終用途の認証要件によって決まります。押出成形、射出成形、熱成形では、あらかじめ着色コンパウンドした材料のほうが、カラーコンセントレートより均一性が高くなります。手作業での混合は避けてください。金型内の流動やゲートの種類・位置も重要な要素です。最適なマーキング性能を得るには、レーザー添加剤を各部品全体に均質に分布・分散させることが不可欠です。

添加剤の中には、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を含み、自然な（無着色の）基材の不透明度に「灰色がかった」色合いを与えるものがあります。その他、アルミニウム粒子、混合金属酸化物、独自の化合物を含む添加剤もあります。最終的な色合わせの外観は、顔料や染料で色調整して仕上げます。市販されている特定の添加剤（レーザー溶着にも使用）は、21 CFR 178.3297「Colorants for Polymers」の条件A～Hに基づき、食品接触用および食品包装用としてFDAの承認を受けています。欧州連合（EU）にも同様の適合声明があります。認証の条件は、ポリマーの種類、添加量の閾値、直接接触か間接接触かによって異なります。「最終部品」にブレンドしたFDA承認添加剤にさらなる適格性評価を行うことで、医療機器の生体適合性を達成できます²。

ナノ秒イッテルビウムファイバーレーザー技術

レーザー技術の進歩は、最新世代のFDA承認レーザー添加剤を急速に開発するうえで重要な役割を果たしてきました。ナノ秒イッテルビウムファイバーレーザーの登場は、マーキング、溶着、切断における最も重要な進歩の一つです。

ファイバーレーザーは、他のダイオード励起固体（DPSS）マーキングレーザーとは根本的に異なります。ファイバーレーザーでは、レーザービームを生成する活性媒質が、専用の光ファイバーケーブル内に分散されています。ファイバー伝送型レーザーとは対照的に、ビームの経路全体がビーム出射光学系まで光ファイバーケーブル内に収まっています。このオールファイバー構造が、これらのレーザーの信頼性と堅牢性の大きな要因であり、急速な普及につながっています。

ファイバーレーザーは、Nd:YAGレーザーと比べてビーム品質（M2）と輝度に優れています。ビーム品質に優れたレーザーは、小さなスポットサイズに集光でき、高いエネルギー密度が得られます。パルスエネルギーが最大1 mJで出力密度の高い、固定パルスおよび可変パルスのマスターオシレーターパワーアンプ（MOPA）ファイバーレーザーは、従来マーキングが難しかった多くのポリマーにマーキングできます（図2を参照）³。

バナデートレーザーもM2値が小さく、固定パルスのファイバーレーザーやYAGレーザーよりパルス幅が短くなります。パルス幅は、材料への熱の入り方と炭化の程度に影響します。通常40 ns未満の短パルスは、敏感なポリマー材料の加工時に、より制御されたエネルギー投入を可能にします。これらのパルスは、材料の閾値を超えるピークパワーを維持しながら、パルスエネルギーが低いため局所的な熱損傷を抑えられます。

高性能ファイバーレーザーの大手開発・製造企業であるIPG Photonicsは、固定パルスのYLPシリーズ（「Qスイッチ」と呼ばれることもあります）と、可変短パルスのYLPN（MOPA）レーザーの両方を提供しています。通常100～120 nsのパルス幅を持つQスイッチファイバーレーザーは、一部のマーキング用途で使われていますが、Qスイッチ技術に固有の制約により、繰り返し周波数は約80 kHzに制限されます。直接変調型MOPA（DM-MOPA）ファイバーレーザーは、ナノ秒のパルス幅で最大500 kHzの繰り返し周波数で動作できます。一般に、繰り返し周波数が高いほど（他のレーザー／導波路パラメータとの組み合わせで）マーキング速度が向上します。

用途開発は非常に個別性が高く、万能のレーザーソリューションはありません。短パルス幅のMOPAレーザーは、FDA承認の化学添加剤の繊細な性能を最大限に引き出すことができます。レーザーの熱入力とその入力速度を、空間的・時間的に局所制御することで、最大の性能が得られます。どのレーザーを組み込むかは、最適化されたポリマー材料と相互作用するレーザーの出力特性によって決まります。図3は、固定パルス長と可変パルス長（MOPA）のイッテルビウムファイバーレーザーの時間的なパルス形状を示しています[3]。

固定パルス長のファイバーレーザーをマーキング用に設定する際は、次の2つの入力を設定する必要があります。

• パルス繰り返し周波数（パルス周波数とも呼ばれます）
• 励起パワー（％）— 100％は、励起ダイオードへの最大可能な電気入力を指します。

可変短パルスのMOPAファイバーレーザーをマーキング用に設定する際は、次の3つの入力を設定します。

• パルス幅（パルス長とも呼ばれます）
• パルス繰り返し周波数（パルス周波数）
• 上記のとおり、励起パワー（％）

どちらのグラフでも、パラメータ入力の組み合わせによって、レーザービームの出力特性、すなわちパルスエネルギー、ピークパワー（パルスエネルギーの瞬間最大値、ジュール／パルス幅）、平均パワー（平均パワー（W）＝パルスエネルギー（J）×パルス繰り返し周波数（Hz））が決まります。

「オンザフライ」レーザーマーキング

「オンザフライ」レーザーマーキングは、電線・ケーブル、チューブ、パイプなどの成形品や押出成形品に対して行われる、最も高度に専門化された用途の一つです。ポリオレフィン製の合成ワインコルクや、ライナーレスの飲料用キャップ内側のプロモーションへの英数字・グラフィックのマーキング速度は、毎分2000個が可能です（図4を参照）。テキストやマシンビジョン用コードの直線マーキング速度は、毎分500 ft以上を達成でき、インクレスのレーザーマーキングがロータリーグラビア印刷やパッド印刷に置き換わりつつあります。

マーキング速度は、ポリマーの種類、基材の色、レーザー添加剤の種類と添加量、ケーブルのサイズ（重量）、レーザーの種類と出力、ソフトウェア、英数字の文字数、文字の高さ、テキスト列の長さ、文字間隔、バーコード／データマトリックス、ロゴ／グラフィック、一筆書きフォントかトゥルータイプの塗りつぶしフォントか、塗りつぶしの方向、連続テキストか繰り返しテキストか、といった多くの変数の関数です。適切に配合された添加剤着色剤を使用すれば、マーク表面の「出力密度」が制約要因にならないようにできます。その場合、ビームを操作するガルバノミラーが最大速度で動作することになります。

オンザフライの量産マーキング能力に影響を及ぼす要因は複雑であるため、用途ごとに精密な検討が必要です。一般化できる規則はほとんどありません。ただし、参考として、次のナイロンの例を考えます。50 Wファイバーレーザー、254 mmのフラットフィールドレンズ、100文字の英数字、高さ2 mm、繰り返しテキスト列の長さ14.68 in.、マーキング時間0.232秒という条件で、算出される速度は約315 lin. ft/minです。

レーザー装置システム

レーザーメーカーがシステムに組み込むハードウェアとソフトウェアの構成要素は、マーキングのコントラスト、品質、速度に大きな違いをもたらします。主要な属性は、マーク表面の出力密度（W/cm2）です（これはレーザーの生の出力パワーとは異なります）。レーザービームの出力モードは、マーキング性能に極めて重要です。これらの出力モードは、ビームの発散角や、レーザービーム直径方向のパワー分布などの要因に関係しています。

出力密度は、集光されたレーザースポットのサイズによって決まります。任意の焦点距離のレンズとレーザー波長における集光スポットサイズは、レーザービームの発散角の関数であり、これはレーザー構成、モード選択アパーチャのサイズ、アップコリメーター（ビームエキスパンダー）の倍率によって制御されます。パルス繰り返し周波数とピーク出力密度は、マークを形成し、最適なコントラストと速度を得るための重要なパラメータです。出力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激に上昇させ、基材への熱伝導を最小限に抑えながら材料を気化させます。パルス繰り返し周波数が高くなると、ピークパワーが低くなって気化は最小限になりますが、熱伝導は大きくなります。マーキングのコントラストと品質に影響を与えるその他の要因には、当然ながら、ビーム速度とベクトル線の間隔があります。

結論

ポリマーに配合するFDA承認の画期的なレーザー添加剤により、優れたマーキングコントラスト、線のエッジの精細さ、速度が得られます。レーザー増強添加剤を配合した製品では、マーキング速度が20％以上向上します。その利点により、添加剤の追加材料コストはすぐに回収されます。手頃な価格のナノ秒イッテルビウムファイバーレーザー技術の進歩が、大きな役割を果たしてきました。インラインのオンザフライレーザーマーキングが、ロータリーグラビア印刷やパッド印刷に置き換わりつつあります。プラスチックのレーザーマーキングに向けて材料科学の化学を最適化するには、溶解性、粒子サイズ、閾値濃度の限界、色合わせ、規制認証（GRAS、FDA直接／間接食品接触）に関して、ポリマー、着色剤、顔料、染料の専門知識が必要です。すべてのファイバーレーザーが同じ品質とは限りません。

謝辞と参考文献

著者は、BASF Corporation の Mark-it Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002（The Sabreen Groupによる技術内容の提供を含む）、Hoechst Technical PolymersのBruce MulhollandとThe Sabreen Groupによる「Enlightened laser marking」（Lasers & Optronics、1997年7月）、およびBaasel Lasertechnik GmbHのDaniel S. BurgessとThe Sabreen Groupによる「Laser marking: A clean economical packaging solution」（Photonics Spectra、2001年11月）に謝意を表します。

• Sabreen, S. Fiber Lasers: Selection and Additives, Plastics Decorating, November 2017.
• Polyamide (PA) Nylon Complete Guide, SpecialChem 2019.
• Brodsky, M. Wave Forms: A New Laser Tool, Optics & Photonics, March 2012.

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、接着接合、インクジェット印刷、レーザーマーキング、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コンサルティング会社です。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 をご覧ください。

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