プラスチックのカラーレーザーマーキング：添加剤でコントラストと色を実現する方法

プラスチックのカラーレーザーマーキング：添加剤でコントラストと色を実現する方法

要点

• 暗いマークは炭化、明るいマークは発泡によって生じます。これがポリマーにおける2つの基本的なメカニズムです。
• 実現できる色を決めるのは、レーザーよりも、はるかに添加剤の化学的性質です。
• パルス幅がメカニズムを左右するため、MOPA光源は最も広い色とコントラストの範囲を実現します。
• 色は目視で判断するのではなく、測定する必要があります。CIELABとΔEだけが、根拠のある仕様となります。

多くの人は、レーザーマーキングをプラスチック表面への単純な暗いマークや明るいマークとして捉えています。しかし、先進的な添加剤の化学によって、可能なことは広がっています。現在では、白い基材への高コントラストの黒いマーク、暗い部品への鮮やかな白いマーク、そして一部のシステムでは制御された色応答も実現できます。これらの効果がどのように生じ、その品質を何が左右するのかを理解することは、外観が重要な用途でレーザーマーキングのプロセスを指定するエンジニアにとって不可欠です。

2つの基本的なマークの種類：暗いマークと明るいマーク

プラスチックへのレーザーマークの大半は、次の2つのカテゴリーのいずれかに分類されます。暗いマーク（炭化）は、レーザーエネルギーによってポリマーマトリクス、またはその中の添加剤が熱分解し、黒または非常に濃い茶色に見える炭素リッチな残渣が生じることで形成されます。このメカニズムは、ファイバーレーザーで、暗い顔料や添加剤を含むほとんどのプラスチックにマーキングする際の基本です。

明るいマーク（発泡）は、レーザーエネルギーがプラスチックの局所的な体積を急速に加熱し、ポリマーの一部を蒸発させて、溶融物内に微細な気泡のネットワークを形成することで生じます。その結果できる発泡した表面は光を拡散的に散乱し、暗い基材の上でも白または明るい灰色に見えます。これは、自動車の内装や電子機器のABS、PC、PA部品の暗い色の上に見られる、高コントラストの白いマークの背後にあるメカニズムです。

レーザー感応性添加剤がコントラストを生む仕組み

近赤外線エネルギー（1064 nmのファイバーレーザー）をほとんど吸収しない、天然色または淡い顔料のポリマーでは、確実なマークを得るために、レーザー感応性添加剤が必要です。これは、レーザーエネルギーを吸収して発色反応を開始するよう特別に設計された化合物です。

最も広く使われている添加剤の化学は、アンチモン錫酸化物（ATO）、ビスマス系化合物、および独自の金属酸化物顔料に基づいています。ファイバーレーザーが照射されると、これらの添加剤はエネルギーを効率的に吸収し、周囲のポリマーマトリクスで局所的な炭化を引き起こし、白色や透明の基材でも高コントラストの暗いマークを生じさせます。

暗い背景への明るいマークでは、異なる添加剤系が、表層から暗い着色剤をアブレーションで除去するか、光を散乱する発泡構造を生成することで機能します。プラスチックエンジニア協会（Society of Plastics Engineers）は、一般的なポリマー群における添加剤選定基準に関する研究を発表しています。

真のカラーレーザーマーキング

黒と白を超えて、一部の添加剤系とレーザー構成では、プラスチックに色付きのマークを生成できます。関連するメカニズムは2つあります。金属上の干渉色効果はよく確立されており、ステンレス鋼やチタンの表面を制御して酸化させると、薄い酸化膜が形成され、光の干渉による構造色が生じ、出力と速度の組み合わせに応じて金、青、紫、赤の色調が得られます。プラスチックでは、このメカニズムは直接には適用できません。

プラスチックでは、カラーマーキングは通常、多層またはマルチパスの手法に依存します。異なる添加剤入りの層を選択的にアブレーションまたは活性化して、下の色を現します。これは、セキュリティ文書やプレミアムブランディングの分野で最も進んでいます。Journal of Applied Polymer Scienceに掲載された研究では、レーザー照射で色が変化するフォトクロミック添加剤系やサーモクロミック添加剤系が、プラスチックで検討されています。

主な添加剤とその役割

• アンチモン錫酸化物（ATO）：淡色の基材に暗いマークを生成します。PA、PP、PC、ABSで広く使われています。優れたコントラストを持ち、一部のグレードではFDAの食品接触適合を取得しています。
• オキシ塩化ビスマス：暗い基材に明るいマークを生成します。黒いハウジングに白いシリアル番号やロゴが必要な、自動車内装部品で一般的です。
• レーザー吸収性カーボンブラック：ベース材料の色を大きく暗くすることなく、近赤外線の吸収を高めるために、低濃度で使用します。
• マイカ系パール顔料：適切なレーザーパラメータと組み合わせると、一部のポリマー系でメタリックや虹色のマーク効果を生成できます。

マークの色とコントラストを左右するプロセス変数

適切な添加剤を使っても、マークの品質はレーザーパラメータに大きく左右されます。

• パワー密度（フルエンス）：低すぎると添加剤が十分に活性化せず、高すぎると周囲の材料が変色または炭化します。
• 走査速度：速度を遅くすると単位面積あたりのエネルギー付与が増え、暗いマークに有効ですが、熱拡散を引き起こすことがあります。
• パルス周波数：パルスの重なりとマークの質感に影響します。周波数が高いほど、滑らかで均一なマークが得られます。
• パス数：低い出力で複数回のパスを行うと、基材を過熱させずに、マークの深さと濃度を高められます。

消費財、高級品、自動車内装など、外観が重要な用途では、マークの開発に、出力、速度、周波数の設定にわたる完全なパラメータマトリクスを含め、測色（CIE L*a*b*色空間を使用）によってコントラストと色の変化を定量化する必要があります。Sabreenのアプリケーションエンジニアリングチームは、色が重要なレーザーマーキングプロジェクトに、添加剤の選定ガイダンスとパラメータ開発を提供しています。

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The Sabreen Groupは、添加剤の配合による色とコントラストの開発について、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。当社のエンジニアリングサービスチームは、製造業のお客様とともに、プロセス開発、材料の適格性評価、量産時のトラブルシューティングに取り組んでいます。お客様の用途についてご相談の際は、お問い合わせください。

よくあるご質問

暗いプラスチックに明るい色のマークはどのように付けますか？

発泡によります。短いパルスが溶融物内でガスを発生させ、それが微細な気泡として閉じ込められ、その気泡が光を散乱して白または明るい灰色のマークを形成します。これは、黒い部品に判読しやすいマークを付ける標準的な方法です。

レーザーでプラスチックに真のカラーマークを付けられますか？

特定のシステムでは可能です。一部のレーザー感応性添加剤は化学変化を起こして特定の色を生じ、一部の顔料は選択的に退色させることができます。実現できる色の範囲は、レーザーではなく、添加剤の構成によって決まります。

どのような添加剤が使われますか？

アンチモンドープ酸化錫、ビスマス系化合物、マイカ系顔料、カーボンブラックがいずれも一般的で、それぞれ異なるコントラスト特性に適しています。選定は、ベース樹脂、目標とする色、規制上の制約によって決まります。

マークの色を左右するプロセス変数は何ですか？

何よりもパルス幅で、次いで繰り返し周波数、マーキング速度、出力、焦点です。パルス幅は、エネルギーが熱として蓄積して炭化を促すのか、短時間で付与されて発泡に有利になるのかを決めます。

マークの色はどのように指定すべきですか？

CIELAB座標とΔEの許容値で指定し、保管した物理的な基準サンプルに対して分光光度計で検証します。機械可読コードの場合は、色ではなく、コントラストと検証グレードを指定してください。

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