コールドレーザーマーキング

コールドレーザーマーキング

主なポイント

• この名称には2つの異なる方式があります。紫外線による光化学マーキングと、超短パルスによる非熱的アブレーションです。
• プラスチックの主流は355 nmのUV方式で、材料を加熱するのではなく、ポリマーの結合を直接切断します。
• ミクロン単位の分解能で、炭化、変色、すすが生じません。
• 医療用インプラント、プリント基板、薄膜、精密プラスチックなど、熱が許されない用途で不可欠です。

コールドレーザーマーキング

コールドレーザーマーキングは、短波長の紫外線（通常は355 nm）を用いて、材料が劣化するまで加熱するのではなく、化学結合を直接切断することでポリマーにマーキングします。このプロセスは、非熱的マーキングまたは光化学マーキングとも呼ばれます。文字どおり冷たいわけではありませんが、熱影響部が十分に小さいため、熱に敏感な部品でも、溶融、炭化、変形を起こさずにマーキングできます。

物理的な原理

光子エネルギーは波長が短くなるほど高くなります。1064 nmの赤外線光子のエネルギーは約1.2 eVで、共有結合を切断するにははるかに小さく、そのエネルギーは単に熱になります。355 nmの紫外線光子は約3.5 eVで、ポリマー主鎖の炭素-炭素結合の解離エネルギーに匹敵します。

このエネルギーでは、吸収された光子がポリマー鎖を直接切断できます。材料は、光分解による結合の切断で除去または変化し、熱的な成分はわずかです。ここから2つの結果が生じ、これがこの技術が存在する理由のすべてです。

• 熱影響部が非常に小さいため、溶融した縁、炭化したハロー、クレイジング、寸法変形が生じません。
• ほとんどのポリマーが強く吸収します。ほぼすべての有機ポリマーは紫外線をよく吸収し、1064 nmでは事実上透明なポリマーでも同様です。そのため、レーザー添加剤を配合しなくても、ナチュラル、透明、淡色の樹脂に高コントラストのマークを付けられます。

コールドマーキングと赤外線マーキングの比較

指定される場面

• 医療機器：オートクレーブ、ガンマ線、EtO滅菌に耐え、基材を損なわず、生体適合性の承認を複雑にする添加剤も使わずに済むUDIマーク。
• 薄肉部品とフィルム部品：赤外線マーキングでは部品が変形したり穴が空いたりする場合。
• 透明および淡色のポリマー：赤外線マーキングではコントラストがほとんど、またはまったく得られない場合。透明プラスチックへのレーザーマーキングを参照してください。
• 微細なコードとマイクロマーキング：熱影響部が小さいことで、マシンビジョンが頼りにするセル形状を保てる場合。
• 添加剤なしの用途：規制、食品接触、光学上の要件により、吸収剤の配合ができない場合。

光源は通常、周波数3倍のバナジン酸塩（Nd:YVO4）レーザーです。その利点と引き換えに、設備コストの高さ、スループットの低さ、周波数変換光学部品の寿命が有限であることを考慮する必要があります。すでに熱的に良好にマーキングできる顔料入りや充填のエンジニアリング樹脂では、ファイバーレーザーのほうが経済的な選択肢です。この比較は、UVレーザーマーキングとファイバーレーザーマーキングの比較で詳しく解説しています。

コールドマークを実現する2つの方式

この用語は2つの異なる技術を指し、両者を混同すると、安価な方式で十分な仕事に高価な装置を指定してしまうことになります。どちらも熱的なマークを避けますが、その物理は異なります。

ポリマー加工の大半では、紫外線方式が適切な答えです。超短パルスシステムが正当化されるのは、サブミクロンの形状、下の層を乱さずに1層だけをマーキングする多層フィルム、内部のわずかな損傷でも許されない光学部品など、特定の要件がある場合です。

医療機器でのコールドマークの適格性評価

コールドマーキングは、生体適合性の問題を再燃させる添加剤なしで、永続的な機器固有識別子（UDI）を付与できるため、ほかのどの分野よりも医療機器で指定されています。これによりマークが機器マスターレコードの一部になるため、適格性評価は単に成功するだけでなく、文書化する必要があります。

• 完成した機器の材料に、最終的な色で、量産で実際に使うリグラインド比率でマーキングします。ナチュラルのプラークでの評価は、着色した成形品についてほとんど何も証明しません。
• コードは目視で検査するのではなく、グレード評価します。機器固有識別子は機械で読み取られるため、合否基準は2次元シンボルのISO/IEC 15415の観点で定めるべきです。最低グレード、アパーチャ、照明は、オペレーターの指示書だけでなく、検査方法に固定してください。
• 滅菌後に再度グレード評価します。蒸気オートクレーブ、ガンマ線、エチレンオキサイドは、それぞれポリマー表面への影響が異なります。1回のパス後ではなく、検証済みの全サイクル数の後にシンボルをグレード評価してください。
• 内部損傷がないことを確認します。試料を断面観察して、マークの下にクレイジングや曇りがないか調べます。特にポリカーボネートやアクリルでは、損傷が表面から見えない場合があります。
• 再評価の発動条件を定めます。樹脂ロットの変更、着色剤の変更、光源出力のドリフト、光学部品の交換は、それぞれマークの再グレード評価が必要なイベントとして明記してください。

コールドマークのトラブルシューティング

関連用語と参考情報

• UVレーザーマーキングとファイバーレーザーマーキングの比較
• バナジン酸塩レーザー
• 医薬品・医療機器製造
• プラスチックのレーザーマーキングソリューション
• 促進劣化試験

実際の生産への適用

The Sabreen Groupは、医療、光学、熱に敏感な部品向けのUVコールドマーキングの適格性評価について、独立した立場でエンジニアリング支援を提供しています。プロセスの仕様策定、材料の適格性評価、生産上の問題のトラブルシューティングなど、エンジニアリングサービスチームがお手伝いします。お客様の用途について、ぜひお問い合わせください。

よくあるご質問

コールドレーザーマーキングが「コールド」と呼ばれるのはなぜですか？

意味のある熱を伴わずにマークを形成するためです。これを実現するメカニズムは2つあります。355 nmの紫外線マーキングは、ポリマーの結合を直接切断できる光子エネルギーを持つため、変化は熱的ではなく光化学的です。ピコ秒またはフェムト秒光源を用いた超短パルスマーキングは、熱が相互作用領域から拡散するより速くエネルギーを供給します。どちらも文字どおり冷たいわけではありませんが、いずれも熱影響部が十分に小さく、熱に敏感な部品でも、意図した形状の外側は影響を受けません。

コールドレーザーマーキングは、従来のレーザーマーキングより優れていますか？

用途によります。コールドレーザーマーキングは、熱による損傷が許されない、繊細で熱に敏感な部品やマイクロスケールの部品を扱う場合に優れています。頑丈な基材への一般的な量産マーキングでは、従来の熱的マーキングのほうが高速で、はるかに経済的です。

コールドマーキングにはどのようなレーザーが使われますか？

プラスチックでは、圧倒的に355 nmの周波数3倍バナジン酸塩光源です。経済的な方式であり、ほとんどのポリマーに添加剤なしでマーキングできます。ピコ秒およびフェムト秒光源も、光化学ではなく熱拡散を追い越すことでコールドマークを形成し、紫外線方式の小さな熱影響部でさえ許容できない場合や、基材が紫外線を有効に吸収しない場合に指定されます。コストは大幅に高くなります。

コールドレーザーマーキングはプラスチックに使えますか？

はい。熱で溶融や変色を起こしやすいプラスチックに特に適しています。ポリイミド、ポリカーボネート、ABSなど、熱の入力に敏感な材料に、鮮明で高コントラストのマーキングができます。

コールドレーザーマーキングは永続的ですか？

はい。形成されたマークは永続的で耐摩耗性があり、変化が表面に施されるのではなく材料自体に生じるため、水分、薬品、UV照射の影響を受けません。

コールドマーキングは超短パルスマーキングと同じですか？

厳密には異なります。超短パルスマーキングは、コールドマークを作る2つの方式の一つです。プラスチックでより一般的なのは355 nmの紫外線マーキングで、熱拡散を追い越すのではなく、結合を光化学的に切断することで熱を避けます。ピコ秒およびフェムト秒システムも同様の結果を得られますが、コストは大幅に高く、用途が本当に必要とする場合に指定されます。

コールドマーキングなら、レーザー添加剤は不要になりますか？

多くの場合は不要ですが、常にそうとは限りません。ほとんどのポリマーは、1064 nmよりも紫外線ではるかに強く吸収します。そのため、ファイバーレーザーではマーキングできない透明や淡色の樹脂でも、紫外線では容易にマーキングできます。ナチュラルのポリオレフィンではコントラストはなお控えめなため、高コントラストのコードが必要な場合は、添加剤が依然として必要になることがあります。決めつけず、実際の量産グレードでスクリーニングしてください。

医療機器のUDI向けに、コールドマークの適格性はどのように評価しますか？

目視で検査するのではなく、ISO/IEC 15415に従ってシンボルをグレード評価し、量産の色の完成品材料にマーキングして、検証済みの滅菌サイクルを全回数実施した後に再度グレード評価します。樹脂ロットの変更、着色剤の変更、光源出力のドリフト、光学部品の交換を再評価の発動条件として定めてください。この4つはいずれも、アラームが出ないままマークのコントラストを変化させるためです。

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