レーザーマーキング可能なプラスチック

レーザーマーキング可能なプラスチック

重要ポイント

• 「レーザーマーキング可能」とは、単にレーザーを当てられるという意味ではなく、反応するよう配合されているということです。その反応は設計によって作り込まれています。
• マークは永久的で高コントラストであり、消耗品なしで、摩耗、擦れ、薬品に耐えます。
• PC、ABS、ポリアミド、ポリプロピレンが、レーザーマーキングに使われる主力の材料系です。
• トレーサビリティが、医療機器、自動車部品、エレクトロニクスでの採用を後押ししています。

レーザーマーキング可能なプラスチック

レーザーマーキング可能なプラスチックとは、レーザービームを当てると、永久的で高コントラストのマークが生じるポリマーです。それはポリマー自体の化学的性質によるか、それよりはるかに多くの場合、樹脂に配合されたレーザー感応性の添加剤によります。マーキング適性は、ポリマーの系統に固有の性質ではなく、特定の着色剤、フィラー、添加剤パッケージを備えた、特定のグレードの性質です。

この違いが、レーザーマーキングのプロジェクトで失望を招く、最も一般的な原因です。「ポリプロピレンはマーキングしにくい」というのは便利な一般論ですが、適切に配合されたポリプロピレンのグレードは非常によくマーキングでき、フィラーを含まない天然のものは、ほとんどマーキングできません。

多くのポリマーが1064 nmでマーキングしにくい理由

主力のファイバーレーザーは、1064 nmの近赤外域で発振します。ポリマーの主鎖はこの波長をほとんど吸収せず、エネルギーは表面に蓄積されず、ほとんどが透過してしまいます。配合の中の何かがそれを捉える必要があります。その何かは、通常、次のいずれかです。

• カーボンブラック、またはその他の暗色顔料
• ガラス繊維または鉱物フィラー
• たまたま吸収性を持つ着色剤、難燃剤、安定剤
• 目的に合わせて設計されたレーザーマーキング添加剤

ポリマー系統ごとのマーキング適性の目安

樹脂をマーキング可能にする方法

• レーザー添加剤を配合する。標準的な工業的手法です。アンチモンドープ酸化スズ、ビスマス系化合物、マイカ顔料が一般的で、配合量は通常、機械的特性やベースカラーを目立って損なわない程度に少量です。「スマート添加剤がプラスチックのレーザーマーキングを向上させる」をご覧ください。
• レーザー感応性のマスターバッチを使う。実質的には同じ化学系を、成形機でのレットダウン用に供給する形です。「レーザーマーキング用マスターバッチ」をご覧ください。
• 波長を変える。355 nmのUV光源は、多くのポリマーに、添加剤なしで光化学的にマーキングできますが、コストは高く、速度は低くなります。
• すでにあるものを活用する。ガラス繊維入りやカーボンブラック着色のグレードは、配合を一切変えなくても、許容できるマーキングが得られることがよくあります。

材料の適格性評価

マーキング適性は、系統ではなくグレードに属するため、適格性評価は、実際の生産材料で、実際の着色剤の配合量と現実的な再生材の混合率を含めて行う必要があります。マークの色、コントラスト、コードの読み取り性は、目視で判断せず、測定して評価し、リリース前に、樹脂ロットをまたいでレシピを検証します。考慮すべき点は、「マーキング品質に影響するプロセスパラメータ」にまとめています。

候補樹脂のスクリーニング

マーキング適性は、系統ではなくグレードに属するため、スクリーニングは判断ではなく、測定の作業です。1回の作業で商業上の疑問に答える、簡潔なスクリーニング手順は次のとおりです。

• 実際の材料から成形プラークを作ります。生産用の着色剤配合量、生産用のフィラー、ラインで実際に使う再生材の混合率を反映してください。サプライヤーの天然色のプラークは、ほぼすべてのグレードを実際より良く見せます。
• 出力と速度のマトリックスを実行します。5段階の出力と5段階のマーキング速度の格子を、各セルをラベル付きのパッチとして1枚のプラークに配置すれば、プロセスウィンドウ全体を1つの部品でマッピングでき、数分で済みます。
• 各セルを測定します。分光光度計で、マークの内側と外側のL*を記録します。マトリックスを目視で読むと、レシピがウィンドウの中央ではなく端に位置してしまうのは、まさにそのためです。
• ピークではなく、プラトーを探します。最良のレシピは、許容できるコントラストが得られる最も広い領域の中央です。それがロット間のばらつきに耐えられるためです。最もコントラストの高い単一のセルは、断崖の縁であることがよくあります。
• マークの裏側を確認します。サンプルを断面にします。発泡や表面下の損傷で得た高い表面コントラストは、薄肉部の強度を損なうことがあります。
• レシピをリリースする前に、2つ目の樹脂ロットで繰り返します。着色剤の分散のロット間のばらつきは、多くの人が想像する以上にコントラストを動かします。

1つのグレード内でマーキング適性を左右するもの

名目上同じ材料の2つのロットでも、マーキングが異なることがあります。以下は通常の理由であり、材料が変わったと結論づける前に確認する価値があります。

合格基準の設定

「マークは判読可能であること」という程度のマーキング適性の仕様では、顧客の監査やサプライヤーとの争いに耐えられません。次の3つの数値があれば、拘束力を持たせられます。

• 最小コントラストの数値。マークと基材の間のΔL*として明記し、目視ではなく、定められた測定器とアパーチャで測定します。
• マークを機械で読み取る場合の最小コードグレード。二次元シンボルはISO/IEC 15415、リニアバーコードはISO/IEC 15416に準拠し、グレードとあわせて、照明とアパーチャを明記します。
• 実際の使用環境に結びついた耐久性の条件。部品が実際に受ける、摩耗サイクル、溶剤への暴露、滅菌方法、または耐候性です。実際の条件に対して試験されていない永久性の主張は、市場クレームの大半の発生源です。

再適格性評価のトリガーも、同じ文書に明記します。樹脂ロット、着色剤、再生材の混合率、金型交換、レーザー光源のサービスは、いずれも結果を動かします。

関連用語と参考情報

• 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のための基礎的な材料科学
• 高耐熱プラスチックへのレーザーマーキング
• プラスチックのレーザーマーキングソリューション
• デジタルプロダクトパスポート

実際の生産での活用

The Sabreen Groupは、樹脂のマーキング適性のスクリーニングとレーザー添加剤の配合について、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、生産上のトラブルの解決など、お困りの際は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のご相談は、お問い合わせください。

よくあるご質問

プラスチックが「レーザーマーキング可能」になる条件は何ですか？

配合です。材料が、レーザービームに正確かつ効率的に反応するよう設計されており、インク、ラベル、接触なしで、高コントラストの永久的なマークが可能になります。大半のベースポリマーは、単独ではこれが得意ではありません。

レーザーマーキングされることが最も多いプラスチックは何ですか？

透明性と安定性に優れるポリカーボネート、民生用エレクトロニクスで広く使われるABS、耐久性があり自動車で一般的なポリアミド（ナイロン）、そしてポリプロピレンです。それぞれ反応が異なり、同じ系統内でもグレードによって差があります。

レーザーマークは、どのくらい耐久性がありますか？

永久的で、摩耗、擦れ、薬品に強いものです。コントラストが、塗布された層ではなく、ポリマー自体の変化から生じるためです。擦り落ちるインクも、不良になる接着剤もありません。

レーザーマーキングに、消耗品は必要ですか？

必要ありません。これが大きな魅力の一つです。インク、溶剤、ラベル、箔を消費しないため、継続的な材料コスト、保管、段取り替えによる廃棄物、廃棄処理が、マーキング工程からなくなります。

同じレーザーで、製品内のすべてのプラスチックにマーキングできますか？

調整なしでは、ほとんど無理です。ポリマーによって、さらには同じポリマーでもグレードによって、吸収が異なるため、異種材料の組立品では、通常、材料ごとにパラメータを変える必要があり、難しい基材には、別の波長や添加剤が必要になることもあります。

長い試験を行わずに、樹脂のマーキング適性をスクリーニングするには、どうすればよいですか？

実際の生産材料から成形プラークを作り、1枚のプラークに5段階の出力と5段階の速度の格子をマーキングして、分光光度計で各セルのL*を測定します。これでプロセスウィンドウ全体を1つの部品でマッピングできます。最もコントラストの高い単一のセルではなく、許容できる最も広い領域の中央を選んでください。ロット間のばらつきに耐えられるのは、プラトーだからです。

同じグレードなのに、ロットによってマーキングが異なるのはなぜですか？

多くの場合、ベースポリマーではなく、着色剤の分散、再生材の混合率、成形条件が原因です。溶融温度と冷却速度が表面の結晶化度と光沢を変え、マーク自体が同一でも、見かけのコントラストが変わります。マークがずれていて、材料証明書に変更がない場合は、レーザーを調整する前に、成形工程を確認してください。

レーザーマーキングの仕様書には、何を記載すべきですか？

測定器とアパーチャを定めたΔL*としての最小コントラストの数値、マークを機械で読み取る場合の、照明を明記したISO/IEC 15415または15416に準拠した最小コードグレード、そして実際の使用条件（実際の摩耗、溶剤、滅菌、耐候性への暴露）に合わせた耐久性の条件です。再適格性評価のトリガー（樹脂ロット、着色剤、再生材、金型交換、レーザーのサービス）も明記してください。

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