FDA承認の添加剤がインラインでのプラスチックレーザーマーキングを進化させる

FDA承認の添加剤がインラインでのプラスチックレーザーマーキングを進化させる

高速性、優れたコントラスト、コスト削減は、レーザーマーキング用に新規のFDA承認添加剤をポリマーに配合する主な利点です。化学添加剤の技術革新により、成形品や押出成形品に、「オンザフライ」でも二次加工中でも、漆黒と明色のコントラストが得られます。手頃な価格のファイバーレーザー向けに設計されており、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。

製品用途：ナイロン、PET、ポリカーボネート、ポリオレフィン、PVC、スチレン系樹脂、TPU/TPE（ウェアラブル向け）など、多くの透明、半透明、不透明の着色ポリマーに、重金属を含まないFDA／EFSA（欧州食品安全機関）承認の添加剤を用いた独自の配合を施し、高コントラストのマーキング品質を実現しています。ポリマーの透明度、分光透過特性、基本的な物理特性には影響がありません。非接触のデジタルレーザーマーキングは、高価な粘着ラベルやインク・化学薬品を用いる印刷プロセスに置き換わります。その結果、コスト効率に優れ、環境に配慮した、優れた美観をこの用途にもたらします。

「オンザフライ」のレーザーマーキングは、電線／ケーブル、チューブ、パイプなどの成形品や押出成形品に対して行われます。

重要ポイント

• 3つの表面反応でマークが形成されます。炭化（チャーリング）、発泡、着色剤の色変化です。
• 添加濃度は最終部品中で重量比0.01～4.0％で、ポリマー、基材の色、目標コントラスト、認証要件に応じて選定します。
• 添加剤は最適化されていない配合より15％以上高速で、ロータリーグラビア印刷やパッド印刷を完全に置き換えます。
• 完成部品の添加剤含有量が少なくなる原因は、通常、計量ミスではなく分散不良です。背圧とスクリュー速度を上げてください。
• 21 CFR 178.3297の条件A～Hがカバーするのは、FDAの食品接触承認です。ISO 10993に基づく適格性評価により、医療機器の生体適合性にまで拡張できます。

ポリオレフィン製の合成ワインコルクや、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へのマーキング速度は、英数字テキストとグラフィックで毎分2,000個に達します。マーキング速度は、ポリマーの種類、基材の色、レーザー添加剤の種類と添加濃度、ケーブルサイズ（重量）、レーザーの種類と出力、ソフトウェア、英数字の文字数、文字の高さ、テキスト列の長さ、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、一筆書きかトゥルータイプの塗りつぶしフォントか、塗りつぶし方向、連続テキストか繰り返しテキストか、など多くの変数に左右されます。適切に配合された添加剤・着色剤を使用すれば、マーキング面の「出力密度」が制約要因になることはありません。むしろ、ビームステアリング用ガルバノメーターが最大速度で動作することになります。

オンザフライでの量産マーキング能力に影響する要因は複雑なため、用途ごとに精密な検討が必要です。他の用途に当てはめられる法則は、あるとしてもごくわずかです。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挙げます。50ワットのファイバーレーザー、254mmのフラットフィールドレンズ、100文字の英数字、高さ2mmで、14.68インチの繰り返しテキスト列を、0.232秒のマーキング時間で処理します。算出される速度は、約315リニアフィート／分です。

よくあるご質問

FDA承認のレーザー添加剤でマーキングできるポリマーは何ですか？

ナイロン、PET、ポリカーボネート、ポリオレフィン、PVC、スチレン系樹脂、ウェアラブル向けTPU/TPEなど、透明、半透明、不透明の着色ポリマーです。ポリマーの透明度、分光透過特性、基本的な物理特性には影響がありません。

完成部品に含まれる添加剤が、計算値より少ないのはなぜですか？

ほぼ常に、計量ミスではなく、押出成形や成形時の不均一な分散が原因です。背圧とスクリュー回転速度を上げれば、ほとんどのケースは解決します。均一性ではプレ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優れており、手混ぜは完全に避けてください。

レーザーマーキングの3つの反応メカニズムとは何ですか？

炭化（チャーリング）は、吸収されたエネルギーでポリマーが熱分解し、暗色のマークを生じます。発泡は、添加剤が分解時に蒸気を放出し、暗色の基材上に耐久性のある明色のマークを形成します。色変化は、レーザーエネルギーで混合物中の一方の着色剤が分解する現象で、たとえばカーボンブラックが除去され、安定な無機着色剤が残ります。

インラインマーキングは、実際にはどれくらいの速度で行えますか？

ポリオレフィン製の合成ワインコルクや、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へのマーキング速度は、毎分2,000個に達します。ナイロンの実例（50 Wファイバーレーザー、254 mmのフラットフィールドレンズ、高さ2 mmの100文字、14.68インチの繰り返し文字列、マーキング時間0.232秒）では、約315リニアフィート／分と算出されます。

明色の発泡マークが剥がれて傷つくことがあるのはなぜですか？

レーザー制御が不十分なためです。発泡メカニズムでは、ポリマーが発泡添加剤より高い温度で分解するよう、パラメータを厳密に制御する必要があります。それができないと、マークはもろくてコントラストが低く、耐久性に劣ります。

ポリマーのレーザーマーキング反応メカニズム

近赤外レーザー（波長1060～1080 nm）で使用するレーザー添加剤の配合における進歩は、イッテルビウムファイバーレーザー、バナデートレーザー、その前世代のNd:YAGレーザーとの適合性にあります。ほとんどのポリマーは、化学添加剤がなければ近赤外の吸収特性を持ちません。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。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。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、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。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。レーザーのセットアップを最適化することで、表面の炭化残渣を最小限に抑えられます。

2つ目の表面反応は、分解時に蒸気を放出する添加剤を用いた化学変化で、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。レーザーの動作パラメータを厳密に制御することで、暗色の基材上に高品質で耐久性のある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り、簡単に傷がついてしまいます（耐久性が低い）。

3つ目は、レーザー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、色を変化させる方法です。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。

レーザー添加剤

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。二酸化チタン（TiO2）やカーボンブラックを少量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ることがあります。同じポリマーファミリー内であっても、ポリマーのグレードごとに結果は異なることがあります。添加剤の配合は、有毒であってはならず、製品の外観や物理的・機能的特性に悪影響を及ぼしてはなりません。

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）と比べて、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に対して15パーセント（またはそれ以上）速いマーキング速度を示します。レーザー添加剤は、ペレット状の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。ほとんどはポリマー中に容易に分散します。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、あらかじめコンパウンドされたカラー材料やカラーコンセントレートにブレンドできます。どの添加剤を配合するかは、ポリマー組成、基材の色、求めるマーキングのコントラスト色、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」色味を与えることがあります。その他の添加剤には、アルミニウム粒子、混合金属酸化物、独自の化合物が含まれる場合があります。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。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に基づき、食品接触および食品包装用途でFDAの承認を受けています。欧州連合（EU）にも同様の適合宣言があります。認証条件は、ポリマーの種類、添加濃度のしきい値、直接接触か間接接触かによって異なります。FDA承認の添加剤を「最終部品」にブレンドしたものをさらに適格性評価することで、医療機器の生体適合性を確保できます（国際規格ISO-10993参照）。

加工上の留意点

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。

レーザー技術

レーザー技術の進歩は、最新世代のFDA承認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、Nd:YAGレーザーと比べて優れたビーム品質と輝度をもたらします。ビーム品質の指標の1つが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（MOPA）の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。より短いパルス幅は、敏感なポリマー用途で有利になることがあります。

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。用途開発は非常に個別的です。どのレーザータイプを導入するかは、レーザーの出力特性と最適化されたポリマー材料との相互作用によって決まります。固定パルス幅と可変パルス幅（MOPA）のイッテルビウムファイバーレーザーの時間的パルス波形を示す下のグラフ（IPG Photonics提供）を参照してください。

固定パルス幅の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、次の2つの入力を設定する必要があります。

• パルス繰り返し周波数（パルス周波数とも呼ばれます）
• 励起出力（パーセント）（100パーセントは、励起ダイオードへの最大可能な電気入力を指します）

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、次の3つの入力を設定します。

• パルス幅（パルス長とも呼ばれます）
• パルス繰り返し周波数（パルス周波数）
• 励起出力（パーセント）（100パーセントは、励起ダイオードへの最大可能な電気入力を指します）

前ページの両グラフでは、入力パラメータの特定の組み合わせが、レーザービームの出力特性を決定します。具体的には、パルスエネルギー、ピーク出力（パルスエネルギーの最高瞬時ピーク、J／パルス幅）、平均出力（平均出力（W）＝パルスエネルギー（J）×パルス繰り返し周波数（Hz））です。

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FDA承認レーザー添加剤は、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。インラインでのオンザフライ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。手頃な価格のファイバーレーザー技術の進歩が大きく貢献しています。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化された材料科学的化学組成には、ポリマー、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。すべてのレーザーが同じ性能というわけではありません。

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.
• 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, & 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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