レーザーマーキング添加剤の新技術：優れたコントラスト、線のエッジ精細度、速度を実現

レーザーマーキング添加剤の新技術：優れたコントラスト、線のエッジ精細度、速度を実現

ポリマーに配合される最新世代のレーザーマーキング添加剤は、技術面で大きな進歩であり、実用性とコスト削減の両面で有効性が実証されています。先進的な材料科学に基づく配合により、従来はレーザーマーキングが困難、あるいは不可能とされてきたプラスチックでも、優れたマーキングコントラスト、線のエッジ精細度、速度を達成できます。手頃な価格のファイバー、バナデート、YAGレーザー向けに設計されたこれらの配合は、近赤外域の1060～1070 nmで機能します。本稿では、「熱化学的な表面炭化」を利用する暗色および明色のレーザーマーキングコントラスト用途を取り上げます。これは最も一般的なポリマー表面反応であり、「発泡」や「色」変化のメカニズムとは明確に異なる化学的経路です。

PVC、ポリカーボネート、ポリオレフィンなどの透明・半透明ポリマーにも、重金属を含まないFDA承認の添加剤を用いた独自の配合が可能になりました。ポリマーの透明度と分光透過特性には影響がありません。この技術革新により、押出チューブ／パイプ製品への「オンザフライ」加工や二次加工で、表面の炭化残渣を最小限に抑えた漆黒のレーザーマーキングコントラストが得られます。インラインでインクを使わない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。（写真A参照）

重要ポイント

• 1060～1070 nmの近赤外域向けに設計されており、手頃な価格のファイバー、バナデート、YAGレーザーに対応します。
• 熱化学的な表面炭化は最も一般的なポリマー表面反応であり、これらの配合の主眼です。
• あらゆるマーキングの問題を解決する単一の添加剤はありません。目標とするコントラストに応じて、化学組成とレーザーのセットアップが異なります。
• 添加濃度は最終部品中で重量比0.01％～4.0％の範囲で、色は顔料と染料で調整します。
• 最適化されていない材料と比べて最大25％速いマーキングが、0.01％～2.0％という低い濃度で得られます。

よくあるご質問

最適に配合された添加剤によって、マーキングはどれくらい速くなりますか？

独立した研究により、統計的に有意な向上が示されており、最適化されていない材料と比べて25％以上速くなることも多く、およそ0.01％～2.0％という非常に低い濃度で実現します。マーキング時間はサイクルタイムのコストに直結するため、添加剤による増分コストはすぐに相殺されます。

マークの付与にかかる時間は何で決まりますか？

ポリマー基材、描画するベクトル線の本数、そしてビームとガルバノスキャンヘッドがそれらの線を描く速さで決まります。レーザーソフトウェアやベクトル塗りつぶしの種類（単方向、双方向、サーペンタイン）もマーキング時間に影響します。

添加剤を加えると、ナチュラルの基材が灰色に見えることがあるのはなぜですか？

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ており、ナチュラルの無着色基材の不透明度に灰色がかった色味を与えます。顔料と染料で色調を調整すれば、部品を目標の色合わせに戻せます。

添加剤はペレットと粉末のどちらで供給されますか？

どちらもあります。顆粒製品はポリマー樹脂に直接ブレンドでき、粉末はマスターバッチに加工されます。いずれも、プレコンパウンド材料またはカラーコンセントレートとして供給できます。

レーザーマーキング用の配合には、実際にどのような専門知識が必要ですか？

ポリマーと各ファミリー内の特性グレードに関する知識に加え、溶解性、粒子サイズ、しきい濃度限界、色合わせ、GRASやFDA直接・間接食品接触などの規制認証に関する着色剤、顔料、染料の知識が必要です。

ポリマーのレーザーマーキング反応メカニズム

レーザーでマーキングできるポリマーは、レーザー光を吸収し、光エネルギーから熱エネルギーに変換するものです。ほとんどのポリマーは1060～1070 nmで吸収特性を持たないため、専門家は、局所的な色変化のためにレーザーエネルギーの吸収を高める添加剤、フィラー、顔料、染料を使用します。高コントラストやカラーのレーザーマーキングを実現する材料科学的な化学組成は、芸術であり科学でもあります。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する単一のレーザー添加剤は存在しません。求めるマーキングコントラストと機能に応じて、大きく異なる配合の化学組成とレーザー光学系／セットアップパラメータが用いられます。

最も一般的な表面反応メカニズムは、熱化学的な「炭化」または「チャーリング」と呼ばれます（写真B参照）。基材に吸収されたエネルギーが吸収部位周辺の材料の局所温度を十分に高め、ポリマーの熱分解を引き起こします。酸素が存在すればポリマーが燃焼することもありますが、基材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または暗色のマーキングコントラストが形成されます。マークの濃淡は、吸収されたエネルギーと、材料固有の熱分解経路によって決まります。

レーザー添加剤はコントラストの度合いを向上させ、レーザーのセットアップパラメータを変更することでさらに強めることができます。ポリマーには、「暗色」または「明色」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（写真B参照）。同じポリマーファミリー内であっても、ポリマーの着色剤グレードごとに結果は異なることがあります。TiO2、カーボンブラック、混合金属酸化物を少量含む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。

一次加工、レーザー添加剤、色合わせ

市販のレーザー添加剤は、顆粒と粉末の形態で供給されます。顆粒製品はポリマー樹脂に直接ブレンドでき、粉末はマスターバッチに加工されます。

これらの添加剤の一部には、アンチモンドープ酸化スズおよび／または三酸化アンチモンの混合物が含まれており、ナチュラル（無着色）の基材の不透明度に「灰色がかった」色味を与えます。最終的な色合わせは、顔料と染料で色調を調整して行います。特定の添加剤とポリマーによって異なりますが、（最終部品中の）重量ベースの添加濃度は0.01パーセントから4.0パーセントの範囲です。顆粒も粉末も、プレコンパウンドのカラー材料またはカラーコンセントレートとして供給できます。

レーザー添加剤の配合／色合わせの化学設計では、完成品に含まれるレーザー添加剤の量が計算値より少なくなることも珍しくありません。この問題は、ほぼ常に押出成形や成形時の不均一な分散に起因します。背圧やスクリュー回転速度を上げるなど、成形機の簡単な調整で、ほとんどの問題は解決します。最適なマーキング性能を得るには、各部品全体にわたってレーザー添加剤が均一に分布・分散していることが重要です。押出成形、射出成形、熱成形の各工程では、プレカラーコンパウンド材料のほうがカラーコンセントレートよりも均一性に優れます。手混ぜは避けてください。金型内の流動やゲートの種類・位置も重要な要因です。

マーキング速度の向上＝コスト削減

部品へのマーキングに必要な時間は、ポリマー基材、描画するベクトル線の本数、そしてレーザービーム／ガルバノスキャンヘッドがすべての線を描く速さによって決まります。レーザーソフトウェアとベクトル塗りつぶしの種類（単方向、双方向、サーペンタイン）もマーキング時間に影響します。

新たな独立研究により、通常0.01パーセント～2.0パーセントというごく低い濃度でレーザー添加剤の配合を取り入れることで、統計的に有意なマーキング速度の向上が可能であることが示されています。最適に配合された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25パーセント以上速いマーキング速度が得られることも少なくありません。この速度と品質の向上は、添加剤の増分コストを十分に上回ります。

「レーザー添加剤の科学」（34ページの図1）は、28mmのライナーレス飲料キャップに使われる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。2つのポリマーは、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。分解温度の高いポリマーで同じマークの見え方を得るには、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、またはより吸収性の高い添加剤が必要になります。

レーザー添加剤がなければ、よく知られた工業製品の一部は、コスト効率よく製造できません。興味深い応用例の1つが、ライナーレス飲料キャップのキャップ内側プロモーション用の「オンザフライ」レーザーマーキングです。ターンキーシステムは、独自のグラフィックや英数字テキストを、毎分1,500～2,000個のキャップという速度でマーキングできます。（写真B参照）

レーザー技術

レーザー技術の進歩は、最新世代のレーザー添加剤の急速な開発に大きく貢献してきました。ナノ秒ファイバーレーザーの登場は、マーキング、溶接、切断における最も重要な進歩の1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。

ファイバーレーザーは、優れたビーム品質と輝度をもたらします。ビーム品質の指標はM2です。M2値が小さいほどビーム品質は良好で、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。パルスエネルギーが最大1 mJで高い出力密度を持つ固定パルスおよび可変パルスのファイバーレーザーは、ナイロン、ウレタン、アセタールなど、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。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レーザーより短いパルス幅を持ちます。パルス幅は、材料への熱の入り方と炭化の度合いに影響します。短いパルス幅は、敏感なポリマー用途で有利になることがあります。

ビームステアリング式のファイバー、バナデート、YAGレーザーは、すべて同じ性能というわけではありません。レーザーメーカーがシステムに組み込むハードウェアとソフトウェアの構成要素によって、マーキングのコントラスト、品質、速度は大きく変わります。主要な特性は、マーキング面での出力密度（W/cm²）です（これはレーザー自体の素の出力とは異なります）。レーザービームの出力モードは、マーキング性能に大きく影響します。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径方向の出力分布といった要因に関係します。

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対す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出力は表面温度を急速に上昇させ、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、ピーク出力が低くなるため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するその他の要因は、当然ながらビーム速度とベクトル線の間隔です。

結論

ポリマーに配合される最新世代のレーザーマーキング添加剤は、優れたマーキングコントラスト、線のエッジ精細度、速度をもたらします。インラインでインクを使わない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。これらの利点により、添加剤の増分コストはすぐに相殺されます。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、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、ポリマーの物理的・化学的特性に悪影響を及ぼしてはなりません。

謝辞

• Dr. Tony Hoult, IPG Photonics, “Laser Marking with Fiber Lasers”, Industrial Laser Solutions, September 2012.
• BASF Corporation Mark-it™ Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002, with technical content contributions from The Sabreen Group, Inc. Lasers&Optronics, July 1997.
• Bruce Mulholland (Hoechst Technical Polymers) and Scott Sabreen (The Sabreen Group, Inc.), “Enlightened Laser Marking”, Lasers&Optronics, July 1997.
• Daniel S. Burgess, Scott R. Sabreen and Carl Baasel Lasertechnik GmbH, Feature Article, “Laser Marking: A Clean Economical Packaging Solution”, Photonics Spectra, November 2001.

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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