プラスチックのレーザー溶着

ポリマーのレーザー溶着・接合のためのトータルソリューション

熱可塑性樹脂を接合するレーザー溶着は、表面加熱と透過加熱という2つの異なる加熱方式で実現できます。透過加熱は「透過型レーザー溶着」（TTLW）または「透過型赤外線溶着」（TTIr）とも呼ばれます。レーザー溶着は、気密性の高いガスタイトな溶着を実現する最も優れたプロセスの一つです。表面加熱は、レーザービームを拡大し、ミラーを使用して両方の部品の表面を同時に加熱することで行われます。また、スキャニングミラーを備えたレーザーラインビームまたはレーザースポットを用いて、部品表面を高速にスキャンして加熱することも可能です。

透過加熱によるレーザー溶着では、一方の部品はレーザーを透過させ、もう一方の部品はカーボンブラックなどの添加剤を含み、レーザー光を吸収して熱に変換します。吸収率の高い材料は、溶着界面でエネルギーの大部分を吸収し、溶着に適した薄い加熱表面層を形成するため、透過型レーザー溶着の下側部品に理想的です。一部の光学的に透明なプラスチックやフィルムは、1500nmから約2000nm（2マイクロメートル）の長波長を用いてバルク加熱による溶着も可能です。

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カーボンブラックの選定

透過型レーザー溶着・接合を成功させるために

レーザー溶着は、非接触加熱方式でサイクルタイムが短くコストも低いことから、熱可塑性樹脂の接合において幅広い用途で使用されています。表面加熱・透過加熱のいずれにおいても、カーボンブラックが最も一般的に使用される着色剤です。粒子の凝集・分散が少ないタイプの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分かっています。

レーザーラインビームスキャンによる実験では、レーザーヘッドをわずかに傾けることで、前進方向と後退方向で加熱の状態が異なることが示されました。異種ポリマーの接合においては、表面テクスチャリングによって接着接合面積と機械的インターロック量が増加し、より優れた接合が得られることが分かりました。

プラスチックレーザー溶着サービス — SABREENのソリューション

SABREENの専門知識が、プラスチックのレーザー溶着における卓越した品質を保証します。レーザー添加剤、ポリマーおよび着色剤、レーザー光源、システム設計・製造・統合、規制対応、射出成形プロセスの分野において40年以上の実績があります。

• カスタムレーザーカラーマッチ配合・コンパウンド、規制対応、試作サンプル（マスターバッチ）、プリコンパウンド材料（プリカラー）、レーザーラミネート。
• ポリマー・着色剤マトリックスに応じたレーザー光源、導波特性、光学系、ビームデリバリーの最適化。近赤外波長1060～1080nmのイッテルビウムファイバー、バナデート、周波数倍増532nmグリーン、またはUV 355nm。
• レーザー設備システムの設計、ターンキーのシステムインテグレーションおよびトレーニング、マシンビジョン、カスタムHMI、プロセスドキュメンテーション。
• 現地での問題解決（世界各地に対応）、レーザープロセス分析およびシステム最適化、カスタムベクターアートワーク。
• レーザー安全認証、設計を含む完全なアプリケーションおよびCDRHクラス1エンクロージャー、社内監査のためのレーザー安全担当者（LSO）。
• プラスチック射出成形および分析評価、モールドフロー解析、添加剤・着色剤の分散性評価。

トータルソリューション

ポリマー・着色剤の材料科学、射出成形、レーザー技術、システムインテグレーションおよびトレーニング。独自の配合設計により、幅広いレーザー技術に対応します。また、豊富なレーザー光源のラインナップにより、しばしば求められる金属へのマーキング・彫刻にも対応可能です。

レーザー添加剤

革新的な添加剤により、ジェットブラック、明色、カスタムカラーのコントラストを実現します。添加剤は、成形工程においてカラーコンセントレートマスターバッチまたはプリコンパウンド材料としてポリマーに配合されます。低添加量のためポリマー特性に影響を与えません。FDA/EFSA承認品もご用意しています。

新しいブレークスルー技術

新しい単一配合の添加剤により、ジェットブラックと不透明ホワイトのレーザーマーキングコントラストを同時に実現します。ブロー成形ボトルや射出成形製品におけるラベルの置き換えやインク印刷の代替に理想的な技術です。

自動車内装用レバー

受賞歴のある従業員用スマートバッジ、RFID。

自動車用キャップレス燃料注入口

医療用チューブ、侵襲的外科処置に対応するFDA適合品。オンザフライレーザーマーキングがインク印刷に代わります。

ジェットブラックのレーザーマーキングコントラスト。新しい添加剤はFDA適合で、重金属のアンチモン・スズ酸化物／三酸化物を含みません。動物向けにも最適です。

ライナーレス飲料用キャップへのオンザフライレーザーマーキング。FDA適合添加剤を使用し、毎分2,000個のマーキング速度を実現。HDPE、PE、ポリプロピレンほかに対応。

ポリオレフィン製医療用シリンジ、FDA承認のレーザー添加剤がパッド印刷に代わります

デイタイム／ナイトタイムレーザーマーキング、水性コーティング

レーザーマーキングにおける表面反応

製品セキュリティのため写真付きIDカードに組み込まれた特殊レーザー添加剤

レーザー添加剤のブレークスルー

SABREENの発明

レーザーマーキング用語集

プラスチックの「レーザーマーキング」は、対象基材の表面にごくわずかな材料浸透で消えない情報を付与する非接触デジタルプロセスです。情報は通常、英数字テキスト、記号、グラフィック、ロゴ、図面、バーコード、マシンビジョンコードなどの形式です。1060～1080nm（近赤外）で動作するビームステアリング方式のイッテルビウムファイバーレーザー（およびその前身であるアークランプ励起・ダイオード励起のNd:YAGレーザー）は、その発振波長とパワー性能（ピークパワーおよび平均パワー）に応じた理想的な導波特性を備えています。フライングオプティクスも部品マーキングの代替方式です。特定のポリマー材料の特定色については、532nm（周波数倍増）やUV 355nmといった短波長でのマーキングも可能です。

1060～1080nmの波長を用いるビームステアリング方式レーザーマーキングの基本的なメカニズムは、高エネルギー放射源をポリマーに照射することです。放射エネルギーは材料に局所的に吸収され、熱エネルギーに変換されます。この熱エネルギーが基材にさまざまな反応を引き起こします。近赤外波長域では、炭化、アブレーション、化学変化など複数種類の反応が起こり得ます。求めるマーキングコントラストの結果に応じて、大きく異なる化学組成やレーザーシステムパラメータを選択し、望ましい反応の種類を実現できます。

炭化反応は、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十分に高まり、ポリマーの熱分解が引き起こされることで生じます。酸素が存在する環境ではポリマーが燃焼しますが、ワーク内部では酸素供給が限られているためポリマーが炭化し、黒色のマークが形成されます。マークの濃淡は、吸収エネルギー量と材料の熱分解経路の両方に依存します。

例 — ABS製コンピュータキーキャップ

プラスチックのレーザーエッチング（「アブレーション」とも呼ばれます）は、レーザービームが基材表面の材料を蒸発または溶融によって除去する非接触デジタルプロセスで、材料への浸透はごくわずかです。レーザーエッチングの深さは、通常0.001インチ以下です。

例 — デイタイム／ナイトタイム自動車用ボタン

デイ／ナイトプロセスの用途は、材料の層を除去して特定の色層を露出させることです。この例では、白色のベースコーティングの上に1層以上の黒色コーティングが施されています。ベースポリマーには通常、透明のポリカーボネートまたはABSが用いられ、いずれも非晶性ポリマーであるためLED光源からの光を（背面から）透過させることができます。基材にさらに深いマークを入れる場合は、表面のエッチングにとどまらず材料への「彫刻」とみなされます。

バックライト式「デイ／ナイト」自動車用ボタンの塗装とレーザーアブレーション

レーザー彫刻は、レーザーエッチングやレーザーマーキングよりも深いプロセスです。波長10.6μmで動作する連続波（CW）CO2レーザーが、ポリマーへの無着色の直接彫刻に一般的に使用されます。彫刻のもう一つの用途は、ネームタグ、ラベル、サインなどにおける選択的な色層（コアカラーと表面カラー）の多層彫刻です。

パワー密度は、集光したレーザースポットサイズ（単位面積あたりのレーザーパワー、W/cm²）の関数です。これはレーザーの生の出力パワーとは異なります。任意の焦点距離レンズおよびレーザー波長における集光スポットサイズは、レーザービーム発散角の関数であり、これはレーザー構成、モード選択用アパーチャサイズ、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（音響光学Qスイッチによる）とピークパワー密度は、マークを形成し最適なコントラストと速度を実現するうえで重要なパラメータです。低周波数で高いピークパワーを用いると表面温度が急速に上昇し、基材への伝熱を最小限に抑えながら材料を蒸発させます。パルス繰り返し周波数が上がるにつれ、ピークパワーは低下し、蒸発は最小限になる一方で発熱が増加します。ビーム速度（ワーク表面上をレーザービームが移動する速度）も重要な要因です。

レーザー添加剤はコントラストの度合いを向上させ、レーザー設定パラメータを変更することでさらに強調できます。ポリマーには本来、「濃色系」または「淡色系」のマーキングコントラストを生む特性があります。少量の酸化チタン（TiO2）やカーボンブラックを含む一部の着色剤コンパウンドも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ます。同じポリマーファミリー内でも、グレードごとに異なる結果が生じることがあります。添加剤の配合は、毒性を持たず、また製品の外観や物理的・機能的特性に悪影響を及ぼさないものでなければなりません。

インク印刷プロセス（パッド印刷／スクリーン印刷およびインクジェット）と比較して、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配合と比べて15％以上速いマーキング速度を実現します。レーザー添加剤はペレット（顆粒）状および粉末状で供給されます。顆粒品はポリマー樹脂に直接配合でき、粉末品はマスターバッチに変換されます。いずれも容易にポリマー中に分散します。添加剤とポリマーの組み合わせにより、最終製品における重量添加率は0.01％から4.0％の範囲となります。

顆粒品・粉末品のいずれも、プリコンパウンドカラー材料またはカラーコンセントレートに配合できます。どの添加剤を採用するかは、ポリマー組成、基材色、希望するマーキングコントラストカラー、および最終用途の認証要件によって決まります。一部の添加剤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が含まれ、天然（無着色）基材の不透明度に「灰色がかった」色調を与える場合があります。その他の添加剤には、アルミニウム粒子、複合金属酸化物、独自コンパウンドが含まれることがあります。最終的なカラーマッチの外観を実現するため、顔料や染料による色調整が行われます。

市販されている特定の添加剤（レーザー溶着にも使用されます）は、21 CFR 178.3297「ポリマー用着色剤」の条件A～Hのもとで、食品接触および食品包装用途としてFDA認可を取得しています。欧州連合においても同様の適合表明があります。認証条件は、ポリマーの種類、添加率のしきい値、直接接触か間接接触かによって異なります。FDA認可添加剤を配合した「最終製品」については、さらなる適格性評価により医療機器の生体適合性（国際規格ISO-10993を参照）を達成できます。

より高速なマーキング速度の実現

部品のマーキングに要する時間は、ポリマー基材、描画するベクターラインの数、およびレーザービーム／ガルバノスキャンヘッドが全ラインを描画する速度によって決まります。レーザーソフトウェアや、単方向・双方向・サーペンタインといったベクター塗りつぶしの種類も、マーキング時間に影響を与えます。

新たな独立系研究により、通常0.01％から2.0％というごく低濃度でレーザー添加剤配合を組み込むことで、統計的に有意な速度向上が達成できることが示されています。

右の図は、2種類の高密度ポリエチレンの熱重量分析（TGA）プロットを示しています。この2種類のポリマーは、レーザーマークを生成するプロセスである熱分解の温度が異なります。分解温度がより高いポリマーでは、同等のマーク外観を得るために、より多くのレーザーエネルギー、より低いマーキング速度、またはより多くの吸収添加剤が必要になります。

常温から1000℃までの2種類のHDPEサンプルの熱重量分析（TGA）。熱分解温度の違いを示しています。HDPE Bは、HDPE Aよりも容易かつ高速にマーキングできます。

一次成形工程

「レーザー最適化」された材料科学（最適なコントラスト、彩度カラー、レーザー設定パラメータの確立を含む）が完了した後、次のステップとして、実際の量産金型を用いて適正な希釈比率で成形トライアルを実施します。このステップは、レーザー最適化されたカラーマトリックスの均一な分散を確保するうえで重要です。成形後、実際の製品部品にレーザーマーキングを行い、当初の結果を確認します。

一つの手法として、ビームステアリングレーザーをプログラムし、製品表面全体を連続的にマーキング（スキャン）する方法があります。左の図（左から右）は、射出成形されたペンにゴールドオンブラックの彩度レーザーマーキングを施した例（左）、中央の2枚は彩度分布が不良な例、右端は優れた均一分布の例を示しています。

加工に関する留意点

レーザー添加剤の添加率／カラーマッチ化学において、最終製品に含まれるレーザー添加剤量が計算値より少なくなることは珍しくありません。この問題は、ほとんどの場合、押出成形または射出成形における分散の不均一性に起因します。背圧やスクリュー回転速度を上げるといった成形機の簡単な調整で、ほとんどの問題は解決します。各部品全体にわたるレーザー添加剤の均一な分散は、最適なマーキング性能を実現するうえで重要です。押出成形、射出成形、熱成形の各工程では、カラーコンセントレートよりもプリカラーコンパウンド材料の方が高い均一性が得られます。手作業による混合は避けるべきです。モールドフローおよびゲートの種類・位置も重要な要因です。

レーザーはすべて同じではありません。レーザーメーカーがシステムに組み込むハードウェアおよびソフトウェアの構成要素によって、マーキング品質、速度、汎用性に大きな差が生じます。レーザーシステムを調達する際は、単一の万能な解決策は存在しないことを念頭に置くことが重要です。各アプリケーションは、プラスチック基材の組成と色、マーキング品質、速度、レーザー効率、コントラスト（明地に暗色、暗地に明色、またはカラー）、総システムコストの観点から、それぞれ固有のものです。

ビーム品質の出力モードとは、レーザービーム内のエネルギー分布のことであり、マーキング性能にとって重要です。レーザーは、マルチモード（MM）、TEM00（横電磁モード）、あるいはローオーダーモード（LOM）を含むその中間のモードとして、メーカーから供給されます。これらの出力モードは、ビーム発散角やレーザービーム径にわたるパワー分布などの要因に関係します。TEM00レーザービームは、集光光学系が許す最小のスポットサイズに集光でき、TEM00レーザービームのエネルギー分布は中心部で最も強く、中心から端に向かって均一に減衰します。TEM00出力は最高のビーム品質を提供し、マルチモード（MM）出力は最も低いビーム品質となります。

下図をご参照ください。ローオーダーモードおよびTEM00モードのレーザーは、非常に高いパワー密度で小さく集光したスポットを得られるため、単線英数字、塗りつぶしTrueTypeフォント、複雑なグラフィックの高速ベクターマーキングに特に適しています。これにより、輪郭のはっきりした非常に細い線を高速に描画できます。ほとんどのプラスチック用途では、near TEM00またはTEM00のレーザービームが最適です。

パワー密度は、集光したレーザースポットサイズ（単位面積あたりのレーザーパワー、W/cm²）の関数です。これはレーザーの生の出力パワーとは異なります。任意の焦点距離レンズおよびレーザー波長における集光スポットサイズは、レーザー構成、モード選択用アパーチャサイズ、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るレーザービーム発散角の関数です。パルス繰り返し周波数（音響光学Qスイッチによる）とピークパワー密度は、マークを形成し最適なコントラストと速度を実現するうえで重要なパラメータです。

低周波数で高いピークパワーを用いると表面温度が急速に上昇し、基材への伝熱を最小限に抑えながら材料を蒸発させます。パルス繰り返し周波数が上がるにつれ、ピークパワーは低下し、蒸発は最小限になる一方で発熱が増加します。ビーム速度（ワーク表面上をレーザービームが移動する速度）も重要な要因です。

レーザー制御ソフトウェアは、マーキングシステムのいかなるハードウェア構成要素にも劣らず重要です。高度なソフトウェアアルゴリズムにより、従来にない速度が実現されます。ビームステアリング方式のレーザーマーカーは、（デスクトップ）プリンターと誤解されることがありますが、実際にはプロッターです。個々のピクセルを配置して英数字やグラフィックを作成するのではなく、レーザーは鉛筆と紙で文字を書くのと同じようにラインを描画します。レーザーマーキング対象の作成に元々使用された入力ファイル形式に関わらず、すべてのマーキングは最終的に最も単純な形式、すなわちスキャンヘッドが描画しレーザーがマーキングするベクターラインのリストに帰着します。設計エンジニアがよく使用する複雑な入力ファイル形式は、必ずしも最良（または最速）のベクターレーザーマーキングを生むとは限りません。レーザーマーキング設備システムは安全であり、ANSI Z136規格に適合する必要があります。

ビームステアリング方式のNd:YAGレーザーマーカー（アークランプおよびダイオード光源）は、高速でコンピュータ制御されるガルバノメーターに搭載されたミラーを利用し、鉛筆と紙で文字を書くのと同様に、マーキング対象の表面全体にレーザービームを誘導します。

X軸用とY軸用の各1基のガルバノメーターが、マーキングフィールド内でのビーム移動を実現します。フラットフィールドレンズアセンブリがレーザー光を集光し、基材表面において高いパワー密度を実現します。右の図は、コンピュータ制御ガルバノメーターを用いた光学ビームデリバリーシステムを示しています。

ファイバーレーザーは、他の固体マーキングレーザーとは本質的に異なります。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しています。ファイバー伝送レーザーとは異なり、ビームデリバリー光学系に至るまでのビーム経路全体が光ファイバーケーブル内に収まっています。

レーザー技術の進歩は、FDA承認レーザー添加剤の最新世代の急速な開発に大きく貢献してきました。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、他の固体マーキングレーザーとは本質的に異なります。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しています。ファイバー伝送レーザーとは異なり、ビームデリバリー光学系に至るまでのビーム経路全体が光ファイバーケーブル内に収まっています。

ファイバーレーザーは、Nd:YAGレーザーと比較して優れたビーム品質と輝度を実現します。ビーム品質の指標の一つがM2値です。M2値が小さいほどビーム品質は優れており、M2＝1が理想的なガウシアンレーザービームです。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。パルスエネルギー最大1mJ、高パワー密度の固定パルスおよび可変パルス（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へのマーキングを可能にします。バナデートレーザーもM2値が小さく、固定ファイバーレーザーやYAGレーザーよりも短いパルス幅を持ちます。パルス幅は、材料への熱および炭化の度合いに影響します。より短いパルス幅は、繊細なポリマー用途において有利になる場合があります。

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社は、固定パルス（「Qスイッチ」と呼ばれることもあります）と可変短パルス（MOPA）の両方のレーザーを提供しています。アプリケーション開発は用途ごとに非常に個別性が高く、どのレーザータイプを組み込むかは、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。以下のグラフは、IPG Photonics社の固定パルス長および可変（MOPA）パルス長イッテルビウムファイバーレーザーの時間的パルス形状を示しています。

図1．パルス長100nsにおけるIPG固定パルス長レーザーの時間的パルス形状

固定パルス長ファイバーレーザーをマーキング用にセットアップする際は、2つの入力パラメータを設定する必要があります。

1）パルス繰り返し周波数（パルス周波数とも呼ばれます）

2）ポンプパワー（パーセント表示、100％はポンプダイオードへの最大可能電気入力を指します）

図2．パルス長4nsにおけるIPG MOPAレーザーの時間的パルス形状

可変短パルスMOPAファイバーレーザーをマーキング用にセットアップする際は、3つの入力パラメータを設定します。

1）パルス幅（パルス長とも呼ばれます）

2）パルス繰り返し周波数（パルス周波数）

3）ポンプパワー（パーセント表示、100％はポンプダイオードへの最大可能電気入力を指します）

前ページの両グラフについて、特定の入力パラメータの組み合わせが、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、J／パルス幅）、および平均パワー（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］）を制御します。

パルス繰り返し周波数とピークパワー密度は、マークを形成し最適なコントラストと速度を実現するうえで重要なパラメータです。パワーとパルス繰り返し周波数の関係曲線は反比例します。低周波数で高いピークパワーを用いると表面温度が急速に上昇し、基材への伝熱を最小限に抑えながら材料を蒸発させます。パルス繰り返し周波数が上がるにつれ、ピークパワーは低下し、蒸発は最小限になる一方で伝熱が増加します。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としては、当然ながらビーム速度とベクターライン間隔があります。

「オンザフライ」レーザーマーキングは、ワイヤー／ケーブル、チューブ、パイプなどの成形品・押出成形品に対して行われます。ポリオレフィン製合成ワインコルクや、ライナーレス飲料用キャップのアンダーキャッププロモーションでは、英数字テキストおよびグラフィックのマーキング速度として毎分2,000個を実現できます。マーキング速度は、ポリマーの種類、基材色、レーザー添加剤の種類と添加率、ケーブルサイズ（重量）、レーザーの種類とパワー、ソフトウェア、英数字の文字数、文字高さ、文字列の長さ、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、単線フォントまたは塗りつぶしTrueTypeフォント、塗りつぶし方向、連続または繰り返しテキストなど、多くの変数の関数です。適切に配合された添加剤・着色剤を使用することで、マーク表面での「パワー密度」が律速要因とならないようにできます。その結果、ビームステアリング方式のガルバノメーターは最大速度で稼働します。

オンザフライ生産マーキング能力に影響する要因は複雑であるため、各アプリケーションを個別に精査する必要があります。一般化できる法則はほとんど、あるいはまったくありません。ただし一般的な目安として、次のナイロンポリマーの例をご参照ください：50Wファイバーレーザー、254mmフラットフィールドレンズ、英数字100文字、文字高2mm、繰り返しテキスト長14.68インチ、マーキング時間0.232秒。この場合の計算速度は毎分約315フィートです。

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