発泡（レーザーマーキング）

発泡（レーザーマーキング）

要点

• 発泡は暗色のプラスチックに明るいマークを生じさせます。これは炭化の作用とは正反対です。
• 閉じ込められた気泡が光を散乱させるため、マークは白または淡いグレーに見えます。
• 短いパルスが不可欠です。高いピーク出力を素早く与えると発泡し、ゆっくり与えると炭化します。
• 発泡マークは炭化マークより機械的に弱く、耐摩耗性も劣ります。

発泡

発泡は、局所的な加熱によりポリマー表面の薄い層内で気泡が発生し、閉じ込められた気泡が入射光を散乱させて周囲の材料より明るいマークを生じさせるレーザーマーキングの機構です。暗色や黒色のプラスチックに明るい、あるいは白いマークを付ける標準的な方法であり、熱による暗色化の機構では得られない結果です。

ポリマーは軟化して分解が始まる温度まで加熱され、ガスを放出します。周囲の材料はまだ粘性があるため、ガスは自由に逃げられず、溶融部が再固化するにつれて微細な気泡として閉じ込められます。こうしてできた多孔質の層は、光を吸収せずに拡散散乱させ、その散乱を目は白として認識します。

発泡と炭化の比較

2つの機構はエネルギーの尺度上で近い位置にあり、これが実務上の難しさです。エネルギーが多すぎる、あるいは与え方が遅すぎると、発泡マークが炭化に傾き、結果は白ではなくグレーになります。

パルス幅が結果を決める理由

どの機構が選ばれるかは、総エネルギーよりも、そのエネルギーがどれだけ速く到達するかによって決まります。短いパルスは熱が拡散するより速くエネルギーを与え、非常に薄い層に短時間の高温のピークを生じさせます。これは、炭素を残す全体的な分解を進めることなくガスを発生させるのに十分です。長いパルスは同じエネルギーをより長い時間に分散させ、より厚い層をゆるやかに加熱するため、炭化に有利です。

発泡加工にMOPA光源が通常指定されるのはこのためです。パルス幅固定のQスイッチファイバーレーザーはパルス幅が1種類で、通常は約100 nsであり、炭化寄りの範囲に位置します。MOPAは、発泡に有利な1桁から十数ナノ秒台に設定できます。Qスイッチ機でも、使える明るいマークが得られることがありますが、その範囲は狭く、ロットのばらつきで外れてしまいます。

グレーではなく白いマークを得るには

• まずパルス幅を短くしてください。マークがグレーになる場合は、変更すべきパラメータはこれです。長いパルス幅のまま出力を調整しても、見当違いの変数を追いかけることになります。
• マークが強すぎる場合は、出力を下げるのではなく速度を上げてください。ピーク出力を高く保ったまま、総エネルギーを下げられます。
• パルスが重なって個別のピットではなく均一な発泡面となるよう、高い繰り返し周波数を使用してください。
• 使用グレードに発泡用の添加剤が含まれているか確認してください。暗色グレードの多くは添加剤なしでは発泡しにくく、専用に設計された添加剤により、その範囲が大きく広がります。
• 外観だけでなく、耐久性も確認してください。明るい白色のマークがこすれて取れるなら、それは発泡しすぎです。実際の取り扱いと洗浄の条件で試験します。

発泡マークのトラブルシューティング

発泡マーキングが指定される用途

• 黒色の自動車部品およびエレクトロニクスの筐体。暗い外観面に読みやすい明るいマークが必要で、ラベルが許されない場合です。これが最大の用途です。
• 暗色の医療機器部品。洗浄や生体適合性を複雑にする塗布層なしで、機械可読の識別子が必要な場合です。
• 暗色の絶縁体上のケーブル、コネクタ、電線へのマーキング。黒い背景に対する視認性が要件のすべてです。
• キーパッドとコントロールパネル。バックライト付きの表示を含み、発泡層が光を美しく散乱させます。
• 日付やロットのコードを付ける暗色の包装およびクロージャ。サプライチェーンを通じて読み取れる状態を保つ必要があります。

いずれの場合も、代替手段はインク、ラベル、パッド印刷などの塗布マークで、消耗品、密着のリスク、そしてトレーサビリティ用途が特に望まない取り除きやすさを伴います。発泡が求める狭いプロセスウィンドウとMOPA光源を正当化するのは、通常このトレードオフです。

関連用語と参考情報

• 炭化
• MOPAレーザー
• レーザーによる色合わせ
• レーザーマーキング添加剤
• プラスチックのレーザーマーキングソリューション

実運用での活用

The Sabreen Groupは、発泡マーキングの開発と、暗地に明るいマークのコントラストの適格性確認について、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、材料の適格性確認、生産上の問題のトラブルシューティングなど、当社の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。

よくある質問

発泡によって白いマークができるのはなぜですか？

局所的な加熱により表面の薄い層内でガスが発生し、周囲のポリマーがまだ粘性を持つため、溶融部が再固化するにつれてガスが微細な気泡として閉じ込められます。この多孔質の層は光を吸収せずに拡散散乱させ、拡散散乱を目は白として認識します。顔料は加えておらず、コントラストは表面の物理的構造の変化から生じます。

発泡に通常MOPAレーザーが必要なのはなぜですか？

機構が、エネルギーの量ではなく、そのエネルギーが到達する速さで選ばれるためです。短いパルスは非常に薄い層で温度を急上昇させ、炭素を残す全体的な分解を進めずにガスを発生させます。パルス幅固定のQスイッチファイバーレーザーは約100 nsで、炭化寄りの範囲にありますが、MOPAは発泡に有利な1桁ナノ秒台に設定できます。

発泡マークは炭化マークと同じくらい耐久性がありますか？

いいえ。発泡層は多孔質で機械的に弱く、表面下まで化学的に変質した材料として広がる炭化マークに比べ、耐摩耗性が低く、強い洗浄にも弱くなります。使用環境が研磨的または化学的に厳しい場合は、このトレードオフを当然のものとせず、明示的に適格性を確認する必要があります。

白いはずのマークがグレーになるのはなぜですか？

ほとんどの場合、パルス幅が長すぎて炭化が発泡と競合し、2つの生成物が混在しているためです。出力を調整する前にパルス幅を短くしてください。長いパルス幅で出力を変えても見当違いの変数を追うことになり、通常はより暗いグレーか、焼けたマークになります。光源のパルス幅が固定の場合、そのグレードに対して範囲が単に狭すぎる可能性があります。

発泡には添加剤が必要ですか？

暗色グレードでは必要なことが多くあります。顔料入りの樹脂の多くは添加剤なしでは発泡しにくく、パラメータの全範囲で弱いグレーのマークしか得られませんが、専用に設計された発泡添加剤により、プロセスウィンドウが大幅に広がります。配合によってはすでに含まれている成分で十分に発泡するものもあるため、まず実際の生産グレードでスクリーニングしてください。

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