プラスチックへのレーザーマーキング、レーザーマーキング添加剤
産業用レーザーによるプラスチックへの直接マーキング
プラスチック部品へのレーザーマーキング、レーザー彫刻、レーザーエッチングにおいて、レーザー感応性の着色剤や添加剤をプラスチックコンパウンドに配合することで、優れたコントラスト、品質、より高速なマーキング速度、そして低コストを実現します。レーザー添加剤は、ABS、アセタール、ナイロン、ポリカーボネート、PET/PETG、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、PVC、PPS、ポリウレタン、ゴム／エラストマー、スチレンなど、多くのプラスチックに対して高い効果を発揮します。レーザーマーキングのメカニズムには、近赤外（NIR）1060～1080nm、グリーン532nm、UV 355nmの波長帯における炭化、化学変化、変色、アブレーション（除去加工）が含まれます。
SABREENは1992年、航空宇宙・米軍／NASA向け電子機器のマーキングにおいて、業界に先駆けて「スマート」化学レーザー添加剤を開発し、レーザー装置システムの統合を行いました。SABREENは、レーザー添加剤、ポリマー・着色剤、レーザー光源、システム設計、製造・統合、規制対応、射出成形工程の分野で45年以上の実務経験を有しており、その専門性がレーザーマーキング工程における卓越した品質を保証します。
レーザーマーキング用着色剤と添加剤
すべてのプラスチックが同じようにマーキングされるわけではありません
高コントラストなプラスチックレーザーマーキングは、着色剤、顔料／染料、着色強度、耐傷性向上剤、そして場合によっては赤外線レーザーエネルギーを吸収してポリマーに物理的・化学的変化を誘発する特殊添加剤に左右されます。着色剤や添加剤は、マスターバッチ、プレコンパウンドされた粒状品、または粉末の形態で供給され、一次成形工程で添加されます。レーザーマーキングに最適化された着色剤や材料の分散・均一性は、安定したマーキング結果を得るうえで極めて重要です。
SABREENは、従来の着色剤コンパウンドと比較して優れたコントラスト品質と線のエッジ精細さを実現するため、レーザー専用のカーボンブラックや酸化チタンを使用しています。カーボンブラックや酸化チタンの種類や配合量が適切でないプラスチックは、品質が劣り判読困難なマーキング結果となります。FDAおよび規制対応が求められる用途向けに、アンチモンドープ酸化スズに代わる数多くの代替材料をご用意しています。
産業用レーザーマーキングのエキスパート
プラスチックレーザーマーキングのワンストップ・トータルソリューション — 材料科学からカスタムシステムインテグレーションまで
技術サービス
- カスタムレーザーカラーマッチ配合およびコンパウンド、規制対応、試作サンプル（マスターバッチ）、プレコンパウンド材料（プレカラー）、レーザーラミネート。
- レーザー装置システムの設計、ターンキーのシステムインテグレーションおよびトレーニング、マシンビジョン、カスタムHMI、プロセス文書化。
- 現地での問題解決（世界各地対応）、レーザープロセス分析およびシステム最適化、カスタムベクターアートワーク。
- レーザー安全認証、設計およびCDRHクラス1エンクロージャーを含む完全なアプリケーション対応、社内監査のためのレーザー安全担当者（LSO）配置。
- プラスチック射出成形および分析評価、モールドフロー解析、添加剤・着色剤の分散性評価。
- 受託マーキングサービス
レーザーマーキングのメカニズム
プラスチックのレーザーマーキングでは、イッテルビウムファイバーレーザーなどの高エネルギー放射源をポリマーに照射することが基本メカニズムです。放射エネルギーは材料表面に局所的に吸収され、熱エネルギーに変換されることで、対象となるポリマー基材に反応を誘発します。近赤外領域で行うプラスチックレーザーマーキングには、1）炭化またはチャー化、2）化学変化による発泡、3）分解による変色、という3種類の表面反応があります。これらの表面反応はすべて、レーザーマーキングソフトウェア上で設定（出力、パルス周波数、マーキング速度）を変更することにより、1台のレーザーで実現できます。連続発振（CW）CO2レーザーは波長10.6マイクロメートル（遠赤外領域）で動作します。CW CO2レーザーはピーク出力が低いため、プラスチックへの高コントラストなマーキングはできません。
レーザーマーキングソリューション
産業用レーザーマーキングソリューション。プラスチックと着色剤、レーザー添加剤、射出成形、レーザーと光学系、システムインテグレーション。
レーザー添加剤と着色剤
レーザー添加剤はコスト削減につながり、優れたマーキングコントラストと高速なマーキングを実現します。
新技術
単一配合の添加剤で、同一サイクル内にジェットブラックと不透明ホワイトの両方のレーザーマーキングコントラストを実現します。プラスチックボトルや成形品におけるラベルの代替やインク印刷の代替として理想的なソリューションです。FDA基準に適合しています。
プラスチックレーザーマーキングの適用事例
自動車内装レバー
受賞歴のある従業員用スマートバッジ（RFID）
自動車用キャップレス燃料フィラー
医療用チューブ、侵襲的外科処置向けにFDA基準に適合。オンザフライ・レーザーマーキングがインク印刷に代わります。
ジェットブラックのレーザーマーキングコントラスト。新添加剤はFDA基準に適合し、重金属であるアンチモン・スズ酸化物／三酸化物を含みません。動物用途にも最適です。
ライナーレス飲料用キャップのオンザフライ・レーザーマーキング。FDA基準に適合した添加剤を使用。マーキング速度は毎分2,000個。HDPE、PE、ポリプロピレンなどに対応。
産業用ファイバーレーザーによるプラスチックのレーザーマーキング
イッテルビウムファイバーレーザー、MOPA、固定パルスレーザーは、プラスチックのマーキングおよび彫刻に最適です。マーキングレーザーの機能は、局所的な高エネルギー放射源（レーザー）を部品表面（ポリマー）に照射することです。放射エネルギーは材料に吸収され、熱エネルギーに変換されます。この熱エネルギーが材料内で「熱化学」反応を誘発します。レーザー照射強度とフルエンスは、プラスチックマーキングにおける重要なパラメータです。強度はパルス周波数、レーザー出力、集光スポット径、パルス幅の影響を受けます。フルエンスはビーム強度、スキャナー速度、パルスオーバーラップ、集光ビーム径の影響を受けます。最適な品質を得るには、プラスチックの種類に応じてレーザー強度とフルエンスのパラメータを慎重に調整する必要があります。
レーザーマーキング用語集
プラスチックの「レーザーマーキング」とは、対象基材表面への材料侵食を最小限に抑えながら、消えない情報を付与する非接触デジタルプロセスです。情報は通常、英数字テキスト、記号、図形、ロゴ、図面、バーコード、マシンビジョンコードなどの形式で付与されます。1060～1080nm（近赤外）で動作するビームステアリング方式のイッテルビウムファイバーレーザー（およびその先行技術であるアークランプ励起・ダイオード励起のNd:YAGレーザー）は、その発振波長と出力性能（ピークパワーおよび平均パワー）に適した理想的な導波特性を備えています。フライングオプティクスは、部品マーキングの代替手法です。特定のポリマー材料の一部の色は、より短い波長である532nm（第二高調波発生）やUV 355nmでもマーキングできます。
波長1060～1080nmを用いたビームステアリング方式レーザーマーキングの基本メカニズムは、高エネルギー放射源をポリマーに照射することです。放射エネルギーは材料表面に局所的に吸収され、熱エネルギーに変換されます。この熱エネルギーが材料基材に反応を誘発します。近赤外波長域では、チャー化、アブレーション、化学変化など、複数種類の反応が起こり得ます。求めるマーキングコントラスト結果に応じて、大きく異なる化学組成やレーザーシステムパラメータを選択し、望ましい反応タイプを実現できます。
炭化またはチャー化反応は、吸収されたエネルギーによって吸収部位周辺の材料温度が十分に上昇し、ポリマーの熱分解が生じることで発生します。酸素が存在する環境ではポリマーが燃焼しますが、ワークピース内部は酸素供給が限られているため、ポリマーがチャー化して黒いマークが形成されます。マークの濃淡は、吸収されたエネルギー量と材料の熱分解経路の両方によって決まります。
例 — ABS製コンピューターキーキャップ
プラスチックのレーザーエッチング（「アブレーション」とも呼ばれます）は、レーザービームが気化または溶融によって基材表面から材料を除去する非接触デジタルプロセスで、侵食は最小限に抑えられます。レーザーエッチングの深さは通常0.001インチ以下です。例：デイタイム／ナイトタイム表示の自動車用ボタン。
デイ／ナイトプロセスの用途は、材料の層を除去して特定の色層を露出させることです。この例では、白色ベースコートの上に1層以上の黒色コートが重ねられています。ベースとなるポリマーは通常、透明ポリカーボネートまたはABSで、いずれもLED光源からの光を透過（背面照射）させる非晶質ポリマーです。基材への深いマーキングは、表面のエッチングにとどまらず「彫刻」とみなされます。
レーザー彫刻は、レーザーエッチングやレーザーマーキングよりも深いプロセスです。波長10.6マイクロメートルで動作するCW CO2レーザーは、ポリマーの無色直接彫刻に一般的に使用されます。もう一つの彫刻用途として、ネームタグ、ラベル、サイネージなどにおける選択的な色層（芯色と表面色）の多層彫刻があります。
パワー密度は、集光したレーザースポット径（単位面積あたりのレーザー出力、W/cm2）によって決まります。これはレーザーの素の出力とは異なります。所定の焦点距離レンズおよびレーザー波長における集光スポット径は、レーザービームの発散角によって決まり、これはレーザー構成、モード選択アパーチャサイズ、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。
パルス周波数（音響光学Qスイッチによる）とピークパワー密度は、マークを形成し最適なコントラストと速度を実現するための重要なパラメータです。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、基材への伝熱を最小限に抑えながら材料を気化させます。パルス周波数が上がるにつれ、ピークパワーは低下し、気化は最小限になる一方で発熱量は増加します。ビーム速度（作業表面上をレーザービームが移動する速度）も重要な要素です。
レーザー添加剤はコントラストの度合いを向上させ、レーザー設定パラメータを変更することでさらに強調できます。ポリマーには、「濃色系」または「淡色系」のマーキングコントラストを生じさせる固有の特性があります。低濃度の酸化チタン（TiO2）やカーボンブラックを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、グレードごとに異なる結果が生じることがあります。添加剤の配合は、毒性を持たず、製品の外観、物性、機能特性に悪影響を及ぼさないものでなければなりません。
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）と比較して、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と比べて15%以上速いマーキング速度を実現します。レーザー添加剤はペレット状の粒状品および粉末の形態で供給されます。粒状品はポリマー樹脂に直接配合でき、粉末はマスターバッチに加工されます。いずれもポリマーへの分散が容易です。添加剤とポリマーの組み合わせにもよりますが、最終製品における重量配合濃度は0.01%から4.0%の範囲です。
粒状品・粉末のいずれも、プレ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配合できます。どの添加剤を採用するかは、ポリマー組成、基材色、希望するマーキングコントラストの色、および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、これにより自然色（無着色）の基材不透明度に「グレーがかった」色調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、複合金属酸化物、独自コンパウンドが含まれる場合があります。
最終的な色合わせの外観を実現するため、顔料や染料を用いて色調整が行われます。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のもと、食品接触および食品包装用途としてFDA承認を取得しています。欧州連合（EU）向けにも同様の適合声明があります。認証条件はポリマーの種類、配合濃度の上限、直接接触か間接接触かによって異なります。FDA承認添加剤を「最終製品」に配合したうえでさらに評価を行うことで、医療機器の生体適合性（国際規格ISO-10993を参照）を達成できます。
より高速なマーキング速度の実現
部品のマーキングに要する時間は、ポリマー基材、描画するベクターラインの本数、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ラインを描画する速度によって決まります。レーザーソフトウェアや、単方向・双方向・サーペンタイン（往復）といったベクター塗りつぶしの種類も、マーキング時間に影響します。
新たな独立系の研究により、通常0.01%から2.0%という極めて低い濃度でレーザー添加剤配合を組み込むことで、統計的に有意な速度向上が達成可能であることが示されています。
右の図は、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。両者はレーザーマークを生成する熱分解の温度が異なります。分解温度が高いポリマーほど、同等のマーク外観を得るために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、またはより多くの吸収添加剤が必要となります。
室温から1000°Cまでの2種類のHDPEサンプルの熱重量分析（TGA）。熱分解温度の違いを示しています。HDPE Bは、HDPE Aよりも容易かつ高速にマーキングできます。
一次成形工程
「レーザー最適化」材料科学（最適なコントラスト、彩度色、レーザー設定パラメータの確立を含む）が完了した後、次のステップとして、適切な希釈比率で実際の量産金型を用いた成形トライアルを実施します。このステップは、レーザー最適化されたカラーマトリックスの均一な分散を確保するうえで極めて重要です。成形後、実際の製品部品にレーザーマーキングを行い、当初の結果を確認します。
一つの手法として、ビームステアリング方式レーザーをプログラムし、製品表面全体を連続的にマーキング（スキャン）する方法があります。左の図（左から右）は、射出成形されたペンにおけるゴールドオンブラックの彩度レーザーマーキングを示しており、左端は良好な例、中央の2枚は彩度分布が不均一な例、右端は優れた均一分布を示す例です。
成形工程における留意点
レーザー添加剤の配合／色合わせの化学工程において、完成品に含まれるレーザー添加剤量が計算値よりも少なくなることは珍しくありません。この問題のほとんどは、押出成形や射出成形における分散の不均一性に起因します。背圧の増加やスクリュー回転速度の調整といった成形機の簡単な調整により、たいていの問題は解決します。各部品全体にわたるレーザー添加剤の均一な分散は、最適なマーキング性能を得るうえで極めて重要です。押出成形、射出成形、熱成形工程では、カラーコンセントレートよりもプレカラーコンパウンド材料の方が均一性に優れます。手作業による混合は避けるべきです。モールドフローおよびゲートの種類・位置も重要な要素です。
すべてのレーザーが同等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およびソフトウェアの構成要素は、マーキング品質、速度、汎用性に大きな差をもたらします。レーザーシステムを導入する際は、万能な唯一の解決策は存在しないということを念頭に置くことが重要です。各アプリケーションは、プラスチック基材の組成や色、マーキング品質、速度、レーザー効率、コントラスト（明地に暗色、暗地に明色、またはカラー）、総システムコストの観点から、それぞれ固有のものです。
ビーム品質の出力モードとは、レーザービーム内のエネルギー分布を指し、マーキング性能にとって極めて重要です。レーザーは、メーカーによってマルチモード（MM）、TEM00（横電磁モード）、あるいはローオーダーモード（LOM）を含むその中間のモードとして供給されます。これらの出力モードは、ビーム発散角やレーザービーム径にわたるパワー分布などの要素と関係しています。
TEM00レーザービームは、集光光学系が許す限り最小のスポットサイズに集光でき、TEM00レーザービーム内のエネルギー分布は中心部で最も強く、中心から端に向かって均一に減衰します。TEM00レーザー出力は最も高いビーム品質を提供します。マルチモード（MM）レーザー出力は最もビーム品質が劣ります。下の図を参照してください。ローオーダーモードおよびTEM00モードのレーザーは、非常に高いパワー密度で小さな集光スポットを実現できるため、シングルストロークの英数字、塗りつぶしTrueTypeフォント、複雑な図形の高速ベクターマーキングに特に適しており、エッジの明瞭な非常に細いラインを高速に描画できます。ほとんどのプラスチック用途では、TEM00に近いモードまたはTEM00レーザービームが最適です。
ビームステアリング方式のNd:YAGレーザーマーカー（アークランプおよびダイオード光源）は、高速コンピュータ制御されたガルバノメーターに取り付けられたミラーを利用し、鉛筆と紙で文字を書くようにレーザービームをマーキング対象表面上で走査します。
Y軸用とX軸用の各ガルバノメーターが、マーキングフィールド内でのビーム移動を実現します。フラットフィールドレンズアセンブリがレーザー光を集光し、基材表面上で高いパワー密度を実現します。右の図は、コンピュータ制御ガルバノメーターを用いた光学ビーム伝送システムを示しています。
ファイバーレーザーは、その基本原理において他の固体マーキングレーザーとは異なります。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配置されています。ファイバー伝送レーザーとは異なり、ビームの全経路がビーム伝送光学系に至るまで光ファイバーケーブル内に収まっています。
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発展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、溶着、切断における最も重要な技術進歩の一つです。ファイバーレーザーは、その基本原理において他の固体マーキングレーザーとは異なります。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配置されています。ファイバー伝送レーザーとは異なり、ビームの全経路がビーム伝送光学系に至る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レーザーと比較して優れたビーム品質と輝度を実現します。ビーム品質の指標の一つがM2値です。M2値が小さいほどビーム品質は優れ、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。パルスエネルギー最大1mJ、高パワー密度の固定パルスおよび可変パルス（MOPA）ファイバーレーザーは、従来マーキングが困難とされてきた多くのポリマーにマーキング可能です。バナデートレーザーも、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で小さなM2値を有します。パルス幅は、材料への発熱および炭化の度合いに影響します。より短いパルス幅は、繊細なポリマー用途において有利に働くことがあります。
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社は、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。アプリケーション開発は非常に専門性の高い分野です。どのレーザータイプを採用するかは、最適化されたポリマー材料と相互作用するレーザーの出力特性によって決まります。以下のグラフ（IPG Photonics社の固定パルス長および可変〈MOPA〉パルス長イッテルビウムファイバーレーザーの時間的パルス形状を示す）を参照してください。
図1．パルス長100nsにおけるIPG固定パルス長レーザーの時間的パルス形状
固定パルス長ファイバーレーザーをマーキング用に設定する際は、2つの入力値を設定する必要があります。
1）パルス周波数（パルスレートとも呼ばれます）
2）ポンプパワー（％表示、100%はポンプダイオードへの最大可能電力入力を指します）
図2．パルス長4nsにおけるIPG MOPAレーザーの時間的パルス形状
可変短パルスMOPAファイバーレーザーをマーキング用に設定する際は、3つの入力値を設定します。
1）パルス幅（パルス長とも呼ばれます）
2）パルス周波数
3）ポンプパワー（％表示、100%はポンプダイオードへの最大可能電力入力を指します）
前ページの両グラフにおいて、各パラメータ入力の組み合わせがレーザービームの出力特性、すなわちパルスエネルギー、ピークパワー（パルスエネルギーの瞬間的最大値、J／パルス幅）、平均パワー（平均パワー〈W〉＝パルスエネルギー〈J〉×パルス周波数〈Hz〉）を制御します。
パルス周波数とピークパワー密度は、マークを形成し最適なコントラストと速度を実現するための重要なパラメータです。パワーとパルス周波数の関係を示す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、基材への伝熱を最小限に抑えながら材料を気化させます。パルス周波数が上がるにつれてピークパワーは低下し、気化は最小限になる一方で伝熱量は増加します。マーキングのコントラストと品質に影響を与えるその他の要因としては、ビーム速度やベクターライン間の間隔が挙げられます。
「オンザフライ」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品に対して行われます。ポリオレフィン製合成ワインコルクやライナーレス飲料用キャップのアンダーキャッププロモーションでは、英数字テキストや図形のマーキング速度は毎分2,000個に達します。マーキング速度は、ポリマーの種類、基材色、レーザー添加剤の種類と配合量、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、文字高さ、文字列の長さ、文字間隔、バーコード／データマトリックス、ロゴ／図形、シングルストロークまたは塗りつぶしTrueTypeフォント、塗りつぶし方向、連続または繰り返しテキストなど、多くの変数によって決まります。適切に配合された添加剤・着色剤を使用することで、マーク表面での「パワー密度」が律速要因とならないようにできます。その結果、ビームステアリング方式のガルバノメーターは最大速度で動作できます。
オンザフライ生産マーキング能力に影響を与える要因は複雑であるため、各アプリケーションを個別に精査する必要があります。一般化できる法則はほとんど存在しません。ただし、参考として次のナイロンポリマーの例を挙げます：50Wファイバーレーザー、254mmフラットフィールドレンズ、英数字100文字、文字高さ2mm、繰り返しテキスト文字列長14.68インチ、マーキング時間0.232秒。計算上の速度は約毎分315リニアフィートとなります。
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スコット・サブリーン（Scott Sabreen）— 社長兼チーフエンジニア、30年以上の経験。お客様のアプリケーションと SABREEN のソリューションについて、無料・無償でご相談いただけます。最も難しい課題をぜひお寄せください。
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