プラスチックにレーザーでマーキングするには？レーザー添加剤によるプラスチックのレーザーマーキング

プラスチックにレーザーでマーキングするには？レーザー添加剤によるプラスチックのレーザーマーキング

重要なポイント

• ポリアミドは、材料特性、成形条件、レーザー構成が多様であるため、マーキングが最も難しいポリマーの一つです。
• コントラストを生む表面メカニズムは3つあります。炭化による黒色、発泡による白色、そして顔料入りポリマーの変色です。
• 特に需要が高いコントラストは、黒地に不透明な白、白地に漆黒、中間色の青地に不透明な白です。
• MOPAのパルス幅は、ナイロンを含む多くのポリマーで20 ns〜50 nsが最適な範囲です。
• 軍事、航空宇宙、自動車、医薬品の製品では、グレードAの検証が求められることが少なくありません。

SABREENは、次のプラスチックレーザーマーキングソリューションを提供しています。

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よくあるご質問

プラスチックにレーザーでマーキングするには？

イッテルビウムファイバー、バナデート、Nd:YAGなどの近赤外レーザーがエネルギーを照射し、ポリマーがそれを吸収して熱に変換することで、3つの表面変化のいずれかが生じます。炭化による黒色マーキング、発泡による白色マーキング、または顔料入りポリマーの熱化学反応による変色です。ほとんどのポリマーは、そもそも吸収させるためにレーザー増感添加剤を必要とします。

ナイロンはなぜレーザーマーキングが難しいのですか？

ポリフタルアミドを含むポリアミドは、材料特性、成形条件、レーザー構成が多様です。また、大半のポリマーと同様にレーザー光を本質的に吸収しないため、変色が起こりません。レーザー増感の化学添加剤により、コントラスト、速度、耐久性が大幅に向上します。

ナイロンにはどのパルス幅が最適ですか？

MOPAレーザーは、1 nsから250 ns以上までのパルス幅を生成します。The Sabreen Groupは、ナイロンを含む多くのポリマー用途で、20 ns〜50 nsが最適なカラーコントラストを得られる理想的な範囲であることを確認しています。可変短パルスのMOPAレーザーは、過度の炭化を避けなければならない温度に敏感なポリマーで特に効果的です。

添加剤の配合量は通常どのくらいですか？

最終製品中で重量比0.01%〜3.0%です。顆粒状のものは樹脂に直接ブレンドし、粉末状のものはマスターバッチに加工します。コントラストが安定するかどうかは、各部品全体にわたる均一な分布・分散によって決まります。

データマトリックスコードにとって、マーク品質はなぜ重要ですか？

データ列が長くなるほど、データセルが密になるためです。部品への直接マーキングで小さなセルを判読可能にするのは、高解像度のラインエッジ品質です。軍事、航空宇宙、自動車、医薬品の用途ではグレードAの検証が求められることが多く、高コントラストのコードはマーキングも高速で、低コストのハンディリーダーで読み取れます。

プラスチックレーザーマーキング：プラスチックへの高コントラストレーザーマーキングのトータルソリューション

ナイロン（ポリアミド）製プラスチック製品への高コントラストのレーザーマーキングは、幅広い産業用途があることから、需要が急速に高まっています。機能的・装飾的なマーキングには、英数字の識別、データマトリックス／QRビジョンコード、図面、微細構造などがあります。

ポリフタルアミド（PPA）を含むポリアミドは、材料特性、成形条件、レーザー構成が多様なため、レーザーマーキングが最も難しいポリマーの一つです。近赤外レーザー用のスマート添加剤は、材料特性に影響を与えることなく、マーキングコントラストの問題を解決し、マーキング速度を高めます（サイクルタイムの短縮）。

本稿では、高コントラストの色彩と経済的なレーザーマーキング作業を実現するために、ナイロン、化学添加剤、ファイバーレーザーについて解説します。

マーキング品質を表す基本的なパラメータは、マーキング面と基材との色のコントラストです。イッテルビウムファイバー、バナデート（Nd:YVO4）、Nd:YAGなどの近赤外レーザーによる変色の表面メカニズムは3つあります。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です1。特に需要の高いコントラスト色は、黒地に不透明な白、白地に漆黒、中間色の青地に不透明な白です。これらの色の組み合わせには、化学添加剤が必要になることが少なくありません。添加剤はカラーコントラストの度合い（レーザー光の吸収）を高め、最適なレーザーの選定とマーキングパラメータによってさらに強化されます。

ナイロン（ポリアミド）とは？

ポリアミド（ナイロン）は、繰り返しアミド結合（–CO-NH–）を含む、エンジニアリングおよび高性能熱可塑性樹脂の主要なクラスです。同一の単位の縮合によりホモポリマーが、異なる単位からコポリマーが形成されます。

ナイロンは、二酸とジアミンの重縮合、または炭素数6、11、12のラクタムの開環重合によって作られます2。ナイロンのモノマーは、脂肪族、半芳香族、芳香族（アラミド）のいずれもあり、構造は非晶性から半結晶性まで、結晶化度の高低もさまざまです。

脂肪族ポリアミドは、全芳香族ポリアミドよりはるかに大規模に生産されており、エンジニアリング熱可塑性樹脂の中でも最も重要なクラスの一つです。

重要なポリアミドは2つあり、ポリ（ヘキサメチレンアジパミド）（ナイロン6,6）とポリカプロラクタム（ナイロン6）です。その他の脂肪族ポリアミドには、ナイロン12、69、6-10、6-12、46、1212があります。ナイロン11は、再生可能資源（ヒマシ）に由来するバイオベースのエンジニアリングプラスチックです。

脂肪族アミドの縮合で作られる半芳香族・半結晶性ポリアミドには、PA 6TやPA 6Iがあります。半芳香族ポリアミドは、より高価な全芳香族のアラミドに対する、コスト効率の高い代替材料となることがよくあります。アラミドと呼ばれる芳香族ポリアミドは、脂肪族アミドより強度が高く、耐溶剤性、耐炎性、耐熱性に優れ、寸法安定性も高いのが特長です。広く知られている芳香族アミドとして、ポリ（p-フェニレンテレフタルアミド）であるKevlarがあります。

ポリフタルアミド（PPA）を含むポリアミドは、材料特性、成形条件、レーザー構成が多様なため、レーザーマーキングが最も難しいポリマーの一つです。

ポリフタルアミド（PPA）は、ポリアミド（ナイロン）ファミリーに属する熱可塑性合成樹脂のサブセットで、ポリマー鎖の繰り返し単位のカルボン酸部分のうち、55モル%以上がこれで構成されるものと定義されます。PPAは半芳香族・半結晶性です。PPAは、PA6,6やPA6などの脂肪族ナイロンと、はるかに高価なポリアラミドとの間の性能のギャップを埋める材料です。

「スマート」添加剤

マーキング品質を表すパラメータの一つは、マーキング面と背景との色のコントラストです。コントラストは、色の変化そのものによって得られるとは限らず、光の回折の変化によって得られる場合もあります。

同様に重要なのは、マーキングの品質や忠実度、つまり細線の解像度や鮮明さです。ナイロンを含む多くのポリマーは、レーザー光を本質的に吸収しないため、変色が起こりません。レーザー増感の化学添加剤により、マーキングのコントラスト、速度、耐久性が大幅に向上します（画像1参照）。カーボンブラック、TiO2、難燃剤などの化合物はレーザー光の吸収度合いがさまざまであるため、基材の色も要因の一つです。

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。顆粒状の製品はポリマー樹脂に直接ブレンドし、粉末状の製品はマスターバッチに加工します。（最終製品中の）重量比での配合濃度は、通常0.01〜3.0%です。最適なカラーコントラストを得るには、各部品全体にわたるレーザー添加剤の均一な分布・分散が不可欠です。

最終的なカラーマッチの外観を得るため、顔料や染料で色調を調整します。特定の添加剤は、21 CFR 178.3297「ポリマー用着色剤」の条件A〜Hのもと、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1。

イッテルビウムファイバーレーザー

近赤外のイッテルビウムファイバーレーザーは、2010年頃に従来のYAGレーザーに代わって産業用マーキング市場に登場しました。ファイバーレーザーは優れたビーム品質（M2）と高輝度を備え、小さなスポットサイズ（20ミクロン未満）に集光できるため、高いエネルギー密度が得られます。ファイバーレーザーは非常に汎用性が高く、コスト効率に優れ、プラグアンドプレイで、メンテナンスはほぼ不要です。

固定パルス（Qスイッチ）と可変パルス（MOPA）のナノ秒ファイバーレーザーは、IPG PhotonicsやSPI Lasersなど複数のレーザーメーカーから販売されています。通常100〜150 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ポリマーマーキング用途で使われていますが、Qスイッチ技術に固有の制約により、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、ナノ秒のパルス幅で最大500 kHzの繰り返し周波数で動作します。パルス幅[ns]は、パルスの始まりから終わりまでの時間の尺度で、通常はパルス形状の半値全幅（FWHM）に基づきます。

一般に、高い繰り返し周波数は（他のレーザー／波形パラメータとの組み合わせにより）より速いマーキング速度につながります。波形や表面の炭化の度合いには大きな違いがあります3（画像1参照）。

レーザーの入熱と入熱速度を空間的・時間的に局所制御することで、最大限の性能が得られます。温度に敏感なポリマーには、可変短パルス（MOPA）ファイバーレーザーが、過度の炭化を伴わずに高コントラストを得るうえで特に効果的です。

透明なプラスチックには、医療用途向けにサブサーフェスマーキングが可能です。一般に、MOPAレーザーは1 nsから250 ns（それ以上も含む）のパルス幅（パルス持続時間）を生成します。The Sabreen Groupは、ナイロンを含む多くのポリマー用途で、20 ns〜50 nsが最適なカラーコントラストを得られる理想的な範囲であることを確認しています。

外観上および機能上のマーキングコントラストにおいて、部品への直接マーキング（DPM）のデータマトリックスやバーコードで、高解像度、ラインエッジ品質、小さなデータセルが求められる場合、レーザー添加剤が決定的な違いを生みます。データ列が長くなるほど、データセルは密になります。

軍事、航空宇宙、自動車、医薬品の製品では、グレード「A」の検証が求められることが少なくありません。高コントラストのコードは読み取りやすさに加えて、マーキング速度の向上や、工場全体で低コストのハンディリーダーを使用できるといった利点もあります。

結論

参考文献

• Sabreen, S. Fiber Lasers: Selection and Additives, Plastics Decorating, November 2017.
• Polyamide (PA) Nylon Complete Guide, SpecialChem 2019.
• Brodsky, M. Wave Forms: A New Laser Tool, Optics & Photonics, March 2012.

Scott R. Sabreenは、プラスチック二次加工プロセス（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をご覧ください。

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