金属のマーキングにはファイバーレーザーとUVレーザーのどちらを選ぶべきですか？

波長が金属との相互作用に与える影響：ファイバー（1064 nm）対UV（355 nm）

導電性金属において、熱吸収と酸化皮膜形成による1064 nmファイバーレーザーマーキングが優れる理由

ファイバーレーザー標識システムは、熱吸収特性により導電性金属と良好に結合する1064nmの赤外波長で動作します。金属材料内部の自由電子がこのエネルギーを吸収すると、急速に熱に変換されます。これにより表面に制御された変化が生じ、特にステンレス鋼では焼きなまし工程中に暗色の酸化層が形成されるなど、酸化効果として観察されます。この方法の優れた点は、基材の構造を損なわないことにあるため、耐腐食性も維持され、製造業者が重視する特性が保たれます。また、チタンやアルミニウム合金などの金属を扱う場合、従来のUVレーザーと比較して約30%高速でマーキングが可能です。航空機エンジン部品、外科用器具、自動車エンジン部品など、故障が許されない用途において、このような強固で明確に視認可能なマーキングは、品質管理およびトレーサビリティ要件において極めて重要な役割を果たします。

なぜ355 nmのUVレーザーは、金属の高い反射率と不十分な熱結合により、金属へのマーキングで根本的な限界に直面するのか

355 nm波長における金属は80%以上の反射率を示し、特に銅や鏡面仕上げされたアルミニウム表面で顕著です。この高い反射率により、光がどれだけ吸収され、熱に変換されるかが大きく制限されます。プラスチックには非常に効果的なコールドマーキングプロセスですが、これらの導電性材料では強い酸化物の形成が起こりません。製造業者が高出力化や複数回のパス走行でこれを回避しようとすると、微細な亀裂の発生、表面の歪み、異なる部品間でのマーキングの一貫性の欠如といった問題が生じます。このような物理学的な根本的制約があるため、生産速度が重要であり、バッチごとの一貫性が求められ、実使用条件下での摩耗にも耐える耐久性が要求される多くの産業用金属マーキング用途において、UVレーザーは費用対効果が低いのです。

性能比較：産業用金属における速度、コントラスト、耐久性

マーキング速度と可読性：ファイバーレーザーマーカーは、ステンレス鋼、アルミニウム、チタンにおいてUVレーザーを上回る性能（ISO/IEC 15415 認証済み）

ファイバーレーザーは、伝統的なUVシステムの3倍の速度で導電性金属にマーキングを行うことができます。たとえば、ステンレス鋼では約700 mm/秒の速度に達するのに対し、UVシステムはわずか250 mm/秒で困難を伴います。この性能向上は、1064 nm波長の光子がよりよく吸収されるためです。ISO/IEC 15415規格に準拠した試験では、これらのレーザーが曲面やテクスチャを持つ表面を含むあらゆる種類の表面に、材料を削ることなく明確で読みやすいマーキングを生成することが示されています。航空宇宙グレードのチタンに対する試験では、塩水噴霧試験後もファイバーレーザーによるマーキングは約95%の視認性を維持するのに対し、UVレーザーでマーキングされた部品はわずか62%まで低下します。また、ファイバーシステムは陽極酸化アルミニウムにおいても一貫して0.2 mmの文字解像度を達成し、工具鋼での数千回にわたる熱的および機械的ストレスサイクルを通じて90%以上のコントラスト安定性を維持します。一方、UV技術は高い反射率のために複数回のパスが必要となり、熱影響領域やぼんやりとしたエッジが生じるため課題があります。これは、反射率が80%を超えることも多い銅合金を扱う場合に特に問題となり、品質管理の維持が非常に難しくなります。

表面下の完全性と耐腐食性：ファイバーレーザーによるアニールマークは金属の疲労強度を保持するが、UVアブレーションは微細亀裂のリスクを伴う

ファイバーレーザーアニール処理は、部品自体から材料を取り除くことなく、表面の結晶構造を500～900度の範囲で再配列します。このプロセスにより、内部構造が損なわれることなく維持され、優れた疲労特性も保持されます。第三者機関による試験では、316Lステンレス鋼にこの処理を施した場合、元の繰返し応力に対する耐性の約98%を保持していることが確認されています。一方、UVアブレーション法で処理された試料では状況が異なります。昨年『Surface Engineering Journal』に発表された研究によると、これらの試料は構造全体に微細な亀裂を生じるため、強度が約18%低下することが示されています。こうした微小亀裂は、特に時間とともに継続的な負荷がかかる環境下で、ピット腐食が始まる起点となります。これは、体内に植え込まれる医療機器や海上で使用される装置などにおいて非常に重要な点です。ファイバーレーザーでマーキングされたステンレス鋼は、依然として表面に保護用のクロム酸化物皮膜を保持しており、変色などの兆候が出ることなく1,000時間以上塩水噴霧試験（salt fog test）に耐えることができます。一方、UVアブレーション処理の場合、こうした条件下での性能ははるかに劣ります。

• 5～10 µmの深さの微細亀裂を生成し、腐食を促進します
• 陽極酸化アルミニウムの保護酸化皮膜の厚さを30%削減します
• 測定可能な素材の除去により、圧力容器の認証取得に失敗するリスクがあります

運用および経済の現実：レーザー刻印機の総所有コスト

ファイバーレーザー刻印機：メンテナンスが少なく、ダイオード寿命は10万時間以上、消耗品なし

運用コストに関しては、ファイバーレーザー装置は特に優れています。固体状のポンプダイオードは10万時間以上持ち、全く交換の必要がありません。ガス供給がなくなる心配もなければ、結晶の交換や、常に手間のかかる周波数倍増光学系の対応にも悩まされることはありません。メンテナンスは基本的に定期的に光学系を清潔に保つことだけであり、UVレーザーやCO2レーザー装置に比べて年間サービス費用を約70％削減できます。これらの装置は電力を大量に消費することもなく、通常2キロワット未満の電力しか使用しません。大量の金属マーキング作業を行う企業にとっては、これらすべての要素が長期的に最も経済的な投資となり、故障間の非常に信頼性の高い稼働時間を実現します。

UVレーザーマーキング装置：初期投資コストが高く、結晶の頻繁な交換と冷却に関するオーバーヘッドが金属用途における投資収益率（ROI）を低下させる

UVレーザー方式のライフタイムコストは、他の選択肢と比較してはるかに高くなる傾向があります。これらのシステムで使用される第3高調波生成用結晶は、金属を加工する際に比較的短期間で劣化し、多くの場合8〜12か月程度で交換が必要になります。新しい結晶1個あたりの費用はおおよそ3,500米ドル前後です。さらに、精密冷却システムに関する問題もあり、これはエネルギー消費量が30〜40％ほど多くなるだけでなく、故障のリスクポイントも増やしてしまいます。UVレーザーは初導入時のコストが他の選択肢と比べて50〜70％高いことが一般的であることを考慮すると、多くの企業が投資回収が難しい理由が明確になります。実際の業界データを見ると、ステンレス鋼やチタンなどの材料を扱う場合、UVレーザーのマーキング装置は、ファイバーレーザーと比較して5年間で約35％低いリターンしか得られないことがメーカーの多くから報告されています。この差は、継続的なメンテナンス費用、予期せぬダウンタイム、そして長期間にわたって蓄積される電気代の増加によるものです。

よく 聞かれる 質問

金属へのファイバーレーザー刻印はどのように機能しますか？

ファイバーレーザー刻印は、導電性金属によって吸収される1064nmの赤外波長を使用し、熱的効果を引き起こして酸化を生じさせ、金属の構造を損なうことなくマークを形成します。

なぜUVレーザー刻印は金属に対して効果が低いのですか？

UVレーザーは355nm波長で金属の反射率が高いため、光の吸収が制限され、ファイバーレーザーと比較して不均一で耐久性に欠けるマークになります。

ファイバーレーザー装置のコストメリットは何ですか？

ファイバーレーザーはメンテナンスコストが低く、10万時間以上の長寿命なダイオードを持ち、消耗品がないため、産業用金属刻印において費用対効果が高い選択肢です。

UVレーザーシステムではどのような問題が発生しますか？

UVレーザーシステムは初期投資が高く、結晶の頻繁な交換が必要で、冷却要求が増大し、ファイバーレーザーシステムと比較して投資収益率が低くなります。