ガラス充填ポリマーへのレーザーマーキング：射出成形工程の重要性

ガラス充填ポリマーへのレーザーマーキング：射出成形工程の重要性

プラスチックへのレーザーマーキングは、幅広い産業用途で多くの利点をもたらします。レーザーによる装飾的・機能的なマーキング（部品識別、回路図、データマトリックス、バーコードなど）は、完全に判読できなければなりません。マーキングの品質は、ポリマー、添加剤と着色剤、射出成形プロセス、レーザー光源によって左右されます。判読性を妨げる成形ポリマーの表面上の問題は、製品の安全性、性能、機能に影響を及ぼす可能性があります。その一例が、添加されるガラス繊維です。ガラス繊維の添加は成形プロセスに悪影響を及ぼすことがあり、それがレーザーマーキングの品質に影響します。確実なマーキングを実現するには、部品表面が樹脂リッチであることが必要です。ガラス繊維リッチな表面では、劣った結果になります。

重要なポイント

• ガラス充填率は、ABS、ナイロン、アセタール、ポリカーボネート、LCP、PBT、PET、PPS、PEEK、PEIで、通常10〜60%です。
• ガラス繊維は近赤外線の吸収性が低いため、ガラスリッチな表面はそもそもマーキングしにくくなります。
• レーザーエネルギーがポリマーマトリックスと相互作用する必要があるため、樹脂リッチな表面が必須条件です。
• ガラス浮き出し（グラスエマージェンス）は、凝縮・成形後に表面の白い痕として現れます。
• マーキング適性は成形で決まります。不具合はレーザーの前工程で発生するため、前工程で解決しなければなりません。

よくあるご質問

ガラス浮き出し（グラスエマージェンス）とは何ですか？

ガラス繊維充填の射出成形品に生じる深刻な表面欠陥で、溶融充填・成形の際に余分なガラスが表面に形成されます。凝縮・成形後に表面に白い痕が現れ、露出した繊維によってガラス繊維リッチな表面となり、マーキング品質が低下します。

ガラスリッチな表面はなぜマーキングしにくいのですか？

ガラス繊維は近赤外レーザー光の吸収性が低いためです。マーキングにはレーザーエネルギーがポリマーマトリックスと相互作用する必要があり、表面は樹脂リッチでなければなりません。繊維含有量が増えるほど、問題は悪化します。

ガラス繊維を含むことが多いポリマーはどれですか？

ABS、ナイロン、アセタール、ポリカーボネート、液晶ポリマー、PBT、PET、PPS、PEEK、PEIです。充填率はさまざまですが、通常10〜60%の範囲です。

ガラス繊維は何から作られていますか？

シリカ、石灰石、ソーダ灰です。シリカがガラス自体を形成し、ソーダ灰と石灰石は製造時の溶融温度を下げる役割を果たします。

マークを形成する表面のメカニズムには何がありますか？

3つあります。炭化による黒色マーキング、発泡による白色マーキング、そして顔料入りポリマーにおけるレーザー誘起の熱化学反応による変色です。どれが生じるかは、吸収されるエネルギーと、材料固有の熱分解経路によって決まります。

ガラス繊維

標準的なプラスチックの構造性能を高める必要がある場合、ガラス繊維が添加されます。強度が向上するのは、比較的弱いポリマーから、より強い補強繊維へと荷重応力が伝達されるためです。ガラス繊維の製造に使われる原料は、シリカ、石灰石、ソーダ灰です。シリカはガラスを形成する主原料で、ソーダ灰と石灰石は溶融温度を下げるために使われます。

ガラス繊維は、ABS、ナイロン、アセタール、ポリカーボネート、液晶ポリマー（LCP）、PBT、PET、PPS、PEEK、PEIに一般的に添加されます。充填率はさまざまですが、通常10〜60%の範囲です。ガラス補強材には短繊維と長繊維の2種類があり、それぞれに長所と短所があります。

ガラス浮き出しによる表面欠陥

「ガラス浮き出し」は、ガラス繊維充填の射出成形品に多く見られる深刻な表面欠陥です。ガラス繊維が露出することで、ガラス繊維リッチな表面になります。プラスチックの溶融充填・成形時に、余分なガラスが表面に形成されます。凝縮・成形後には、表面に白い痕が現れます（写真1参照）。

高品質なマーキングを得るには、成形品の表面が「樹脂リッチ」でなければならず、そこでレーザーのエネルギーがポリマーマトリックスと相互作用します。逆に、ガラス繊維リッチな表面はマーキングしにくく、繊維含有量が多いほど問題は深刻になります。ガラス繊維自体は、近赤外（NIR）レーザー光の吸収性が良くありません。

適切な射出成形プロセスの重要性は、いくら強調しても足りません。表1に、ガラス浮き出し以外に、レーザーマーキングの品質に悪影響を及ぼしうる表面欠陥を示します。

ポリマーのレーザーマーキングのメカニズム

波長1060〜1070 nmの近赤外ビーム走査型レーザーでは、局所的な高エネルギー放射源（レーザー）をポリマーに照射することでマーキングが行われます。レーザー光源には、イッテルビウムファイバー、バナデート、YAGがあります。放射エネルギーは材料に吸収されて熱エネルギーに変換され、材料内で反応が起こります。変色の表面メカニズムには、1）炭化による黒色マーキング、2）発泡による白色マーキング、3）顔料入りポリマーにおけるレーザー誘起の熱化学反応による変色があります。マーキングの品質は、吸収されるエネルギーと、材料固有の熱分解経路に依存します。同じポリマーファミリー内であっても、グレードごとに異なる結果になることがあります。

高品質なマーキングには、樹脂リッチな表面と同様に、着色剤や添加剤の均一な分布・分散が極めて重要です。分布・分散の問題があるかどうかを確認するには、部品表面全体にわたって連続的にマーキング／スキャンするようレーザーを設定することをお勧めします。写真2をご覧ください。

結果は（左から右へ）、金色と黒のクロマが優れたマーキングを示す成形ペン（左）、クロマ分布が不良な中央の2枚、そして均一な分布が優れた右端です。

ほとんどのポリマーは化学添加剤なしでは近赤外の吸収特性を持たないため、専門家は添加剤、充填剤、顔料、染料を用いてレーザーエネルギーの吸収を高めます。求めるマーキングコントラストや機能に応じて、配合の化学組成やレーザーの光学系・設定パラメータは大きく異なります。レーザー添加剤はコントラストの度合いを最適化し、マーキング速度を大幅に向上させます。顆粒状・粉末状のいずれも、コンパウンド済みのカラー材料やカラーコンセントレートに配合できます。着色コンパウンド済み材料は、カラーコンセントレートに比べてより安定したマーキングが得られます。どの添加剤を配合するかは、ポリマー組成、基材の色、求めるマーキングコントラストの色、最終用途の認証要件によって決まります。

レーザーマーキングシステムは、高精度で再現性に優れています。プロセスを設定すれば、レーザーはまったく同じ出力エネルギーを正確に繰り返し適用します。したがって、表面欠陥があるとマーキングにばらつきが生じます。

難易度の高い用途として、青色や黒色のガラス30%充填ポリアミド（ナイロン）上で、確実な白色コントラストを得ることが挙げられます。写真3をご覧ください。

レーザーのパルス繰り返し周波数とピークパワー密度は、マークの形成と最適なコントラスト・速度の実現において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算術曲線は反比例の関係にあります。

低周波数での高いピークパワー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、ピークパワーが低いため気化は最小限になりますが、より多くの熱が伝わります。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には、パルス幅、焦点距離、ビーム速度、ベクトル線の間隔があります。

結論

結論として、プラスチックへのレーザーマーキングは優れたプロセスです。マーキングの品質は、ポリマーマトリックス、添加剤と着色剤、射出成形プロセス、レーザー光源によって左右されます。判読性を妨げる成形ポリマーの表面上の問題は、製品の安全性、性能、機能に影響を及ぼす可能性があります。ガラス浮き出しは、マーキング品質に悪影響を及ぼす成形表面欠陥の一種です。確実なレーザーマーキングを実現するには、樹脂リッチな部品表面と、均一な分散・分布が不可欠です。

Scott R. Sabreenは、プラスチック二次加工プロセス（表面前処理、接着接合、インクジェット印刷、レーザーマーキング、工業用コーティング、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コンサルティング会社、The Sabreen Group, Inc.の創業者兼社長です。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をご覧ください。

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