ファイバーレーザー：選定と添加剤

ファイバーレーザー：選定と添加剤

編集部注：このテクノロジー特集では、Scott Sabreenがファイバーレーザーに関する2つのテーマを取り上げます。プラスチックへのマーキングにおけるファイバーレーザーの種類の選定と、添加剤の使用によるマーキングコントラストの向上です。

重要ポイント

• ファイバーレーザーは他のDPSSレーザーとは根本的に異なります。活性媒質が光ファイバーケーブル自体の内部に分散されています。
• オールファイバー構造が高い信頼性と堅牢性の理由であり、ファイバーレーザーが急速に普及している背景でもあります。
• Qスイッチレーザーは、パルス幅100～120 nsで繰り返し周波数が約80 kHzで頭打ちになります。これは技術に内在する制約です。
• DM-MOPAはナノ秒パルス幅で500 kHzに達し、一般にマーキングの高速化につながります。
• 万能のレーザーソリューションは存在しません。用途開発は材料ごとに大きく異なります。

よくあるご質問

ファイバーレーザーは他の固体レーザーと何が違うのですか？

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おり、ファイバー伝送型レーザーとは異なり、ビーム経路全体がそのケーブル内に収まったままビーム出射光学系まで続きます。このオールファイバー構造が、信頼性と堅牢性の大きな要因です。

固定パルスとMOPAのどちらを選ぶべきですか？

材料によって異なります。100～120 nsのQスイッチ固定パルスレーザーは一部のマーキング用途で使われますが、技術自体の制約により繰り返し周波数は約80 kHzが上限です。直接変調MOPAレーザーはナノ秒パルス幅で最大500 kHzに達し、一般にマーキングが高速になります。

繰り返し周波数が高ければ、常にマーキングは速くなりますか？

一般にはそうですが、他のレーザーおよび導波路のパラメータと組み合わせた場合に限ります。繰り返し周波数だけではスループットは決まらず、パルスエネルギー、ピーク出力、ビーム速度、材料の応答もすべて影響します。

プラスチックに最適なレーザーは1種類だけですか？

いいえ。用途開発は非常に個別的であり、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が最適化されたポリマー材料とどう相互作用するかで決まります。材料とレーザーは一緒に選定する必要があります。

添加剤によって、ファイバーレーザーでマーキングできる対象はどう変わりますか？

コントラストの度合いが向上し、さらにレーザーのセットアップパラメータでそれを強めることができます。ポリマーには暗色または明色のコントラストになりやすい固有の傾向があり、同じファミリー内のグレードでも結果が異なるため、添加剤は特定のグレードに合わせて選びます。

プラスチックへのマーキング用ファイバーレーザーの選定：最適なレーザーはどれか

ナノ秒イッテルビウムファイバーレーザーは、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、他のダイオード励起固体（DPSS）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。このオールファイバー構造が、これらのレーザーの信頼性と堅牢性の大きな要因であり、急速な普及につながっています。

プラスチックへのマーキングに最適なファイバーレーザーはどちらか：固定パルスかMOPAか

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、固定パルスのYLPシリーズ（「Qスイッチ」と呼ばれることもあります）と、可変短パルスのYLPN（MOPA）レーザーの両方を提供しています。通常100～120 nsのパルス幅を持つQスイッチファイバーレーザーは一部のマーキング用途で使われますが、Qスイッチ技術に内在する制約により、繰り返し周波数は約80 kHzに制限されます。直接変調MOPA（DM-MOPA）ファイバーレーザーは、ナノ秒パルス幅で最大500 kHzの繰り返し周波数で動作できます。高い繰り返し周波数は、（他のレーザー／導波路パラメータと組み合わせて）一般にマーキング速度の向上につながります。

用途開発は非常に個別的であり、万能のレーザーソリューションは存在しません。短パルス幅のMOPAレーザーは、ポリマーに配合された感度の高い化学添加剤の性能を最大限に引き出せます。レーザー入熱の局所的な空間・時間制御と、入熱速度の制御により、最大の性能が得られます。

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。図2は、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なパルス波形を示しています。

どちらのグラフでも、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、ジュール／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。

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）、および
• 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）、および
• 励起出力（パーセント）（上記のとおり）。

ファイバーレーザーによるプラスチックマーキング用レーザー添加剤

近赤外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に対して20パーセント以上速いマーキング速度を示すことがあります。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0.01～4.0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。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。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。

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。

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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