プラスチック用レーザーマーキング添加剤とレーザー溶着

プラスチック用レーザーマーキング・レーザー溶着添加剤：新技術が性能水準を引き上げる

レーザーマーキングは、電線・ケーブル、包装、医療機器、自動車の各業界において、プラスチック部品の識別とコーディングを支える基幹技術となっています。現在では、添加剤の化学技術とレーザー機器の進歩により、速度、コントラスト、法規制対応の限界が押し広げられ、さらに幅広い用途への道が開かれています。

メーカーがレーザーマーキングに注力する理由

従来のインク印刷と比較したレーザーマーキングの利点は大きなものです。本プロセスは非接触かつデジタル制御であり、シリアル番号やバーコードなどの連番識別子を容易に付与できます。最も重要な点は、生成されるマークが永久的であることです。レーザービームがポリマー内部に配合された添加剤を活性化させ、長期にわたって摩耗や環境劣化に耐えるマーキングを形成します。

トレーサビリティが中心的な課題となるなか（特にインダストリー4.0の「スマートファクトリー」構想が勢いを増していることが背景にあります）、レーザーマーキングはニッチな選択肢ではなく標準的な要件となりつつあります。レーザー溶着も同様の流れをたどっており、従来技術では実現できない形状設計の自由度と精密な溶着制御をメーカーにもたらします。

専門家の視点：Scott Sabreenが語る添加剤の推進要因

Scott Sabreenは、プラスチック二次加工を専門とするエンジニアリングコンサルティング会社The Sabreen Groupの社長です。

イッテルビウムファイバーレーザーの優位性

大きな技術的進展の一つが、イッテルビウムファイバーレーザーの採用です。ナノ秒、ピコ秒、フェムト秒の各パルス仕様が用意されています。改良されたレーザーマーキング添加剤と組み合わせることで、これらのレーザー光源は優れたビーム品質を発揮し、プラスチックへのマーキングにおいてより高いコントラストと微細な描画を実現します。Sabreen氏によれば、この性能向上は、利用可能なパルス幅と平均出力の特性の両方によるものです。

コスト面では、レーザーマーキング添加剤はインクを用いる印刷プロセスに対して明確な優位性があります。また、完全に最適化された添加剤システムは、最適化されていない配合と比較してマーキング速度を約15%向上させることができ、大量生産の現場では大きな効果をもたらします。

実務面では、レーザー添加剤はペレットと粉体の両形態で供給され、一般にポリマーへの分散は容易です。添加量はわずかで、添加剤とポリマーの組み合わせにもよりますが、通常は重量比0.01%～4.0%の範囲です。いずれの形態も、あらかじめ着色されたコンパウンド材料やカラーマスターバッチ（カラーコンセントレート）に配合できます。

高速生産の要求への対応

PolyOne Color & AdditivesのグローバルマーケティングディレクターであるGary Fielding氏は、顧客が一貫して求めているのは、可能な限り高いライン速度で鮮明かつ判読しやすく長期間持続するマークを実現するレーザーマーキングシステムであると強調します。PolyOneのOnCapレーザーマーキング添加剤コンセントレートは、まさにこの課題に対応するために開発されたもので、判読性を犠牲にすることなく電線・ケーブル製品の高速マーキングを可能にします。

要求が最も厳しいのは、法規制が求める領域です。電線・ケーブル業界では、地中に10年以上敷設された後でも製品のマーキングが判読可能であることが求められます。同業界は国際的に事業が展開されており、マーキングと識別に関する現地規制も国ごとに異なるため、添加剤と設備の双方の信頼性が絶対に欠かせません。

拡大する新たな用途

同様の信頼性への期待は、他の分野にも広がっています。自動車分野では、電動車両の開発が加速していることから、高い熱に耐えるレーザーマーキングを必要とする高温対応ケーブルの需要増加が見込まれます。航空宇宙分野のメーカーも、その業界特有の厳しい耐久性要件を満たすマーキングソリューションを求めています。

PolyOneのChristoph Pezold氏は、インダストリー4.0の登場によってレーザーマーキングとレーザー溶着の採用がさらに加速する可能性が高いと指摘します。日用品においてもコード化された部品やトレーサビリティ対応部品が求められるようになるなか、レーザー技術は中心的な役割を担い、法定表示の高速印字はもとより、生産ライン速度でのカスタマイズされたオンデマンドマーキングの実現までも可能にします。

要点まとめ

• 規制の変化：FDA/EU規制への適合と企業の自主規制を背景に、重金属フリー（アンチモンフリー）の添加剤化学が現在の業界標準となっています。
• コスト低減：特許の期限切れと新たな特殊化学品メーカーの参入により、レーザーマーキング添加剤の価格は大幅に下がっています。
• ファイバーレーザーの進化：イッテルビウムファイバーレーザー（ナノ秒・ピコ秒・フェムト秒）と改良された添加剤の組み合わせにより、優れたコントラストとより微細な描画が得られます。
• 速度が重要：最適化された配合は、最適化されていないシステムと比較して少なくとも15%高速なマーキングを実現します。2,000 ft/minを超えるライン速度では決定的な差となります。
• インダストリー4.0：スマート製造におけるトレーサビリティ要求の高まりにより、レーザーマーキングは任意の工程ではなく標準の工程になりつつあります。

よくあるご質問

デュアルパーパス（マーキング・溶着兼用）レーザー添加剤とは何ですか？

同一のコンパウンドでレーザーマーキングと透過型レーザー溶着の両方に対応する、単一の添加剤システムのことです。1つの配合により、成形メーカーは2種類の異なる材料を指定することなく、トレーサビリティのための部品マーキングと、相手部品への溶着の両方を行えます。

レーザー添加剤の添加量はどの程度必要ですか？

一般的には、完成部品中の重量比でおおよそ0.01%～4.0%の範囲です。ポリマーの種類、目標とする色、そしてコンパウンドがマーキング用か溶着用か、あるいはその両方に対応するかによって異なります。コントラストと溶着の要件を満たせる限り、添加量は少ないほど望ましいとされます。

重金属フリーの添加剤が必須となりつつあるのはなぜですか？

保健当局や規制当局に加え、大手企業の顧客も、消費者向け製品、医療用製品、食品接触製品に使用されるポリマー中の重金属を制限する動きを強めています。新しい添加剤の化学技術は、重金属を用いることなく同等のコントラストを実現します。

押出ラインではレーザーマーキングをどの程度の速度で運用できますか？

2,000 ft/minを超える速度で稼働する電線・ケーブルの押出ラインでは、走行中のオンザフライマーキングが行われており、最適化された添加剤配合によって達成可能なマーキング速度は少なくとも15%向上しています。処理能力は、添加剤の反応性、レーザー出力、印字する文字数によって左右されます。

これらの用途でイッテルビウムファイバーレーザーが選ばれる理由は何ですか？

優れたビーム品質と高い輝度を兼ね備え、20ミクロン未満のスポット径に集光して高いエネルギー密度が得られるためです。MOPAタイプではさらにパルス幅を可変に設定でき、これにより発泡と炭化の精密な制御が可能になります。

本記事は、Mark Holmes氏による「Lasers Make Their Mark」（初出：Compounding World、2017年2月）をもとに再構成したものです。写真提供：PolyOne、The Sabreen Group。

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