エンプラ/スーパーエンプラのレーザー加工

DLMP®を使用したTeflon®フッ素樹脂の加工

Teflon®(テフロン)の商品名で知られているポリテトラフルオロエチレン(PTFE)は、非固着性、撥水性、耐薬品性、耐温度性などの特性を備えたフッ素樹脂です。Teflonは商業、産業および航空宇宙といった最も要求の厳しい環境で使用される用途に適しています。

Teflonは分子構造を構成する炭素とフッ素の結合によって、フッ化水素酸を含む強力な化学物質に対しても優れた耐薬品性を発揮します。また非常に高い融点(327℃)と低温(-79℃まで)に対応する柔軟性を合わせ持つ上、非常に高い誘電強度を備えています。

Teflonにはシート、チューブ、ロッド形状などのさまざまな形状や色が豊富に揃っており、最も一般的な色は白と黒です。通常Teflonは化学的に純粋であるため、可塑剤や充填剤は加えられていません。

 

Teflon®とDLMP®技術

Teflonは融点が高い、架橋結合がないといった材料特性を持ち、レーザーエネルギーを利用した材料の形状や外観を変化させるデジタルレーザー加工(DLMP)技術に対応します。Teflonとレーザーエネルギーの相互作用によって生じる効果は、材料のアブレーションと材料改質です。Teflonの場合、レーザー切断、レーザー彫刻およびレーザーマーキング加工が可能です。レーザーエネルギーによって材料を除去することで、材料の切断、彫刻やマーキングのほか、表面特性を変化させて目に見えるマークを形成することもできます。

 

材料のアブレーション

材料のアブレーションとは、材料を取り除く物理的なプロセスのことを指します。レーザーシステムによって材料表面の上から下までを完全に除去する場合を「レーザー切断」、材料の表面から指定の深さまで部分的に除去する場合を「レーザーマーキング」と呼びます。

Teflonは10.6μmのCO2レーザーを吸収します。Teflonがレーザーエネルギーを吸収すると、光エネルギーを分子振動(熱)にすばやく変換します。十分な熱があれば、ベースユニットを著しく劣化させることなく、繰り返し単位間の結合がきれいに壊される「開裂」が生じます。レーザー光路にある材料は蒸気と微細な粉体となってきれいに除去されます。

このためTeflonのレーザーアブレーションには一般的にCO2レーザーが使用されます。レーザーが照射された箇所や光路の外縁部は熱の一部を伝導します。この熱の影響を受ける領域を熱影響域(HAZ)と呼びますが、Teflonは融点が高いため実質的にHAZは生成されません。

 

材料特性の改質

Teflonは10.6μmのCO2レーザーエネルギーを容易に吸収しきれいにアブレーションを行いますが、コントラスト生成においてはあまり効果的ではありません。また1.06μmのファイバーレーザーも、純粋な白色Teflon上でのコントラスト生成ではあまり効果的ではありません。しかしながら、黒色Teflonではコントラストを生成する方法があります。黒色のTeflonを生成するために使用されるカーボンブラック顔料は、ファイバーレーザーのエネルギーを非常によく吸収します。このエネルギーは熱に変換され、ポリマーマトリックスによって伝導されます。適切にコントロールするとポリマーは沸騰し始め、より表面積が大きくなります。大きくなった表面が屈折し、黒色Teflon上に高いコントラストのオフホワイトマークが形成されます。漂白またはフォーミングとも呼ばれるこのプロセスは残留物や粉体を残さず、さらにマークキングされたエリアはTeflonの特性を保持します。

 

レーザーマーキング(表面)

黒色Teflonにファイバーレーザーでマーキングすることで、番号、テキスト、バーコード、写真などの情報を伝達できます。マーキングは恒久的で、ほどよいコントラストが得られるため、印字方法に代わる魅力的な方法となります。例では、黒色Teflonの表面にマーキングされたシリアル番号を示しています。

複合加工

Teflonは材料を動かしたり再固定したりせずに複数の加工が可能です。画像の例は、シートストックからのカット/材料にひし形を彫刻/シリアル番号を表面にマーキングという複数加工を組み合わせた例です。彫刻とマーキングは常に、複合加工での切断前に行います。

環境、衛生、および安全に関する考慮事項

レーザーと材料間の相互作用では、ほぼ常にガス状流出物や粒子が生成されます。レーザーアブレーション加工を使用する場合のTeflonの主な分解メカニズムは開裂です。これは、材料からより小さなTeflon粒子がアブレーションされ、微細な白色粉末に沈着します。フッ化カルボニル、フルオロホルム、ヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロプロピレンなどの気相流出物も存在します。これらのガスや粒子は、政府の規制に従って外部環境に排出する必要があります。あるいは、流出物を最初にろ過システムで処理してから外部環境に排出することもできます。一部の材料はレーザー加工中に可燃性の副産物を生成する傾向があるため、レーザー加工を常に監視する必要があります。