プラスチックのレーザーマーキングに関する材料科学の基礎

プラスチックのレーザーマーキングに関する材料科学の基礎

プラスチックへのレーザーマーキングの直接加工における進歩により、前例のないマーキング品質、コントラスト、速度が得られています。適切に適用すれば、レーザーマーキングは製造上の多くの利点をもたらし、製品の外観と機能に価値を加えることができます。最新世代のプラスチック材料科学とレーザー装置システムにより、従来のインク印刷に代わる消えないレーザーマーキングへの業界の需要が高まっています。本稿では、ポリマー、レーザー添加剤、そして（各種レーザー光源から発せられる）特定波長のレーザー光の間で起こる化学反応に関する基本的な概念と情報を紹介します。

実務者は、すべてのプラスチックへのレーザーマーキングでレーザー用材料添加剤が必要だと思い込みがちです。しかし、マーキング対象のプラスチックの種類と、コントラストや鮮明・微細な線の品質に対する最終用途の要件によっては、レーザー最適化した材料配合を必ずしも使う必要はありません。代わりに、レーザーの波長と種類を適切に選定することで、必要なマーキング適性が得られます。その結果は、a) 樹脂の具体的なグレードと特性、b) レーザーの種類（波長、ビーム品質の出力モード、光学構成、出力密度、ピーク／平均出力、マーキング速度）、c) 着色剤およびフィラー成分、d) 光沢と表面テクスチャ、e) リグラインド含有率、といった要因で決まります。TiO2やカーボンブラックなどの着色剤コンパウンドは、特定の波長で一定の吸収特性を持ちます。これらの粒子サイズや黒色度も要因です。さらに、同じ汎用ファミリー内であっても、樹脂のグレードによって結果が大きく異なることがあります（例：スチレン系樹脂）。

一方、レーザー添加剤の導入を検討する際にしばしば見落とされる利点として、最適化されたレーザー用配合は、加飾用または機能用マーキングのコントラストや品質だけでなく、マーキング速度も向上させられることがあります。レーザー添加剤を使用すると、ほぼ常にマーキングのサイクルタイムが短縮され、より低いレーザー出力で済むようになります。これらの要因は最終的にコストを削減し、生産性を高めます。

プラスチックのレーザーマーキングに最適な材料科学的配合を実現するには、ポリマー、ポリマーファミリー内の特性グレード、着色剤、顔料、染料（溶解性、粒子サイズ、しきい濃度限界、レーザー添加剤と併用した際の色合わせ）、および規制認証（GRAS、FDA直接／間接食品接触）に関する専門知識が必要です。材料科学ソリューションは、費用対効果に優れ、使いやすく、ポリマー製品の物理的・化学的特性に悪影響を及ぼしてはなりません。したがって、化学者や配合技術者が幅広いレーザー技術に精通し、高速な量産速度でも確実なマーキングを実現できることが不可欠です。

本稿では、1060～1070 nmの範囲で動作するビームステアリング式レーザーに焦点を当てます。これにはNd:YAG（アークランプ励起およびダイオード励起）、バナデート、ファイバーレーザーが含まれます。従来の「YAG」レーザーは、その発振波長、出力性能、そして過去数十年にわたる幅広い汎用性から、レーザーマーキング業界で最も広く使われています。バナデートレーザーとファイバーレーザーははるかに新しい技術であり、選定は用途に応じて決まることが多くあります。ただし、適切な用途では優れた結果が得られます。

波長1060～1070 nmを用いるビームステアリング式レーザーマーキングの基本的な仕組みは、ポリマーに高エネルギー放射源（レーザー）を照射することです。放射エネルギーは材料に局所的に吸収されて熱エネルギーに変換されます。この熱エネルギーが材料中で反応を引き起こします。この近赤外波長域では、少なくとも1) 炭化、2) アブレーション、3) 化学変化という複数の種類の反応が起こり得ます。求めるマーキングのコントラストに応じて、目的の反応を得るために、大きく異なる化学組成やレーザーシステムのパラメータを選択できます。一般に信じられていることとは異なり、あらゆるマーキングの問題を解決できる単一のレーザー添加剤は存在しません！

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くなり、ポリマーが熱分解を起こすときに発生します。酸素が存在すればポリマーは燃焼しますが、ワーク内部では酸素の供給が限られるため、ポリマーが炭化して黒色のマークが形成されます。マークの濃さは、吸収されたエネルギーと材料の熱分解経路によって決まります。

アブレーションは、ポリマーが十分に加熱されて分解し、その分解副生成物が蒸発することで、エッチングされた領域が生じる現象です。この種のマーキングでは、通常コントラストの低いマークになります。参考として、連続波（CW）CO₂レーザーは波長10.6 µm（遠赤外域）で動作します。CW CO₂レーザーはピーク出力が比較的はるかに低く、通常、ほとんどのプラスチックで高コントラストのマーキングを行えません。

分解時に蒸気を放出する添加剤を用いた化学変化により、ポリマーが発泡します。発泡の過程では、発泡剤のごく近くにある添加剤がレーザーエネルギーを吸収します。吸収剤の熱によって発泡剤が分解し、蒸気を放出します。発泡剤の例としては、水酸化アルミニウムや各種の炭酸塩があります。炭化を防ぐには、ポリマーが発泡添加剤よりも高い温度で分解する必要があります。レーザーの動作パラメータを厳密に制御することで、暗色の基材上に品質の良い明色のマークを形成できます。レーザー制御が不十分だと、もろいマークやコントラストの低いマークになることがあります。

レーザーマーキングにはさらに、近赤外レーザーのエネルギーで、混合着色剤中の一方の着色剤を加熱・分解して色を変化させる方法もあります。一例は、カーボンブラックと安定な無機着色剤の混合物です。加熱するとカーボンブラックが除去され、無機着色剤が残ります。こうした混合着色剤系は、各着色剤の安定性に左右され、あらゆる色変化が可能なわけではありません。

結論として、ビームステアリング式レーザーはすべて同じ性能ではないことを認識することが重要です。材料科学による化学的アプローチだけでは、マーキング品質の問題をすべて解決することはできません。レーザーメーカーが装置に組み込むハードウェアとソフトウェアの構成要素によって、マーキング品質、速度、汎用性は大きく変わります。レーザー装置を調達する際は、万能の単一ソリューションは存在しないことに留意してください。用途ごとに、プラスチック樹脂基材の組成と色、求めるマーキングのコントラスト（「明地に暗色」、「暗地に明色」、「カスタムカラー」）が異なります。ポリマー材料科学とレーザー導波路における今日の進歩は、ほんの数年前には不可能と考えられていたことを、飛躍的に上回っています。

重要ポイント

• マーキングは、ポリマー、レーザー添加剤（使用する場合）、およびレーザー光源の特定波長の間で起こる化学反応です。
• 添加剤は必ずしも必要ではありません。これは一般的な思い込みであり、鵜呑みにせず材料ごとに検証する価値があります。
• レーザーマーキングは従来のインク印刷に代わる手段であり、それを実用的にしているのが材料科学です。
• 波長は装置の有無で選ぶのではなく、材料に合わせる必要があります。
• 適切に適用すれば、マーキングは識別にとどまらず、外観と機能にも価値を加えます。

よくあるご質問

すべてのプラスチックにレーザー添加剤は必要ですか？

いいえ。これは一般的な思い込みであり、確認する価値があります。実務者は添加剤が常に必要だと考えがちですが、必要かどうかは、ポリマー、その着色剤とフィラー、そして使用するレーザー光源の波長によって決まります。

マークは実際に何によって形成されるのですか？

ポリマー、存在するレーザー添加剤、そして光源から発せられるレーザー光の特定波長の間で起こる化学反応です。この相互作用を理解することで、特定の材料とレーザーの組み合わせが実用的なマークを形成できるかどうかを予測できます。

なぜレーザーマーキングが従来のインク印刷に置き換わっているのですか？

最新世代のプラスチック材料科学とレーザー装置により、消耗品のインクや溶剤を使わずに、前例のないマーキング品質、コントラスト、速度が得られるためです。適切に適用すれば、製造上の利点をもたらし、製品の外観と機能に価値を加えます。

レーザー光源の種類によって結果は変わりますか？

はい。レーザー光源ごとに発振する波長が異なり、ポリマー、添加剤、レーザー光の間の化学反応は波長に依存します。そのため、光源の選定は装置だけの問題ではなく、材料科学上の判断でもあります。

レーザーマーキングのプロジェクトは何から始めるべきですか？

材料からです。特定のポリマーグレード、その着色剤や添加剤が候補となる波長にどう反応するかを確認することが、その後のすべてを決めます。すなわち、添加剤が必要かどうか、どの程度のコントラストが得られるか、現実的な速度はどの程度か、といった点です。

Scott R. Sabreen は、プラスチック二次加工（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）を専門とするエンジニアリング会社 The Sabreen Group, Inc. の創業者兼社長です。Sabreen は30年以上にわたり、先駆的な技術の開発と製造上の課題の解決に取り組んできました。連絡先は 972.820.6777、または www.sabreen.com もしくは www.plasticslasermarking.com です。

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