レーザーマーキングの革新：自動車、石油・ガス、ヘルスケアへ展開する新地平

レーザーマーキングが海中、表面下、超高速へ

確立されたレーザーマーキング分野が、自動車、石油・ガス、医療、その他業界でのビジネス機会拡大とともに新たな地平を切り開き続けています。

ピコ秒およびフェムト秒領域の超高速レーザーは、特にデリケートで連邦規制の対象となる医療用途においてキープレイヤーとして台頭しています。新しい独自ソフトウェアバージョンとカスタマイズされたマーキングシステムへの需要が増加中。比較的若いシステムプロバイダーと、ワイヤー・ハーネス分野のグローバルリーダーとの大型新パートナーシップは、レーザーマーキングの力強いモメンタムをさらに証明しています。

インダストリー4.0への流れに沿い、レーザーマーキング製品のスループットを向上させる新たな自動化対策が導入されています。

装飾的なレーザーマーキングは以前から使用されてきましたが、ブランド保護のため、幅広い高付加価値部品への複雑なコードのトレーサビリティマーキングの需要が高まる中、この技術はこれまで以上に不可欠になっています。

共に成長する

フィンランド拠点のCajo Technologiesにとって、2019年は昨年の勢いを継続する年になりそうです。ワイヤー・ハーネス大手Anixterとの新たな販売・流通パートナーシップ、および海底ケーブル分野での業務拡大が進行中です。

これらの業界は高速オン・ザ・フライマーキングに大きく依存しており、これがCajoの最も成長が速いアプリケーションだと、プレジデントのIsmo Rantala氏は語ります。2010年創業、米国本社をニューオーリンズに置くCajoは、世界最速のレーザーマーカーを自負しており、それがAnixterの注目を集めました。

「Anixterは世界最大のワイヤーディストリビューターであり、世界中で10億ドル以上のワイヤーを在庫しています」とRantala氏は説明します。「Cajoの専門知識を社内に取り込むことで、Anixterは顧客に付加価値を提供できます。顧客は、ワイヤーサプライヤーから直接、プリマーキング済みワイヤーまたはCajoマーキングシステムを入手できます」

「ワイヤー・ハーネス業界は、オン・ザ・フライマーキングが彼らのあらゆるマーキングの未来であることを認識しました」とRantala氏。マーキング用途のダウンタイムの90%は、インク詰まりによる機械故障が原因だと指摘します。対照的にレーザーは消耗品がなく、100,000時間稼働可能です。

一方、主にOEM向けに販売するCajoは、独自ソフトウェアスイートを強化し、TrumpfやRofinと同等の領域に到達しつつあります。最新の設計提供はCajoCAD 3.0。現在の採用優先順位はソフトウェアエンジニアだとRantala氏は語り、業界最大手ワイヤーメーカーが要求する仕様に基づき、ワイヤーマーキング速度の更なる改善を目指しています。

継続的なイノベーションは、油掘削リグと陸上を結ぶ海底ケーブルのマーキング需要があるため、Cajoにとって特に重要です。これらのプラスチック被覆ケーブルは最大80km（約49マイル）に達し、ノルウェーのAker Solutionsがエネルギー業界向けに製造する光ファイバー電力・流体ラインのケースがそうでした。複数の個別ケーブルがより大きなケーブル内に収容されます。

Aker向けに、Cajoはケーブル周り120度間隔で3本のレーザーでマーキングするセルを構築。プロジェクト名とケーブル長を示すマークがどの角度からも見えるようにしています。光ファイバーケーブルはねじれると正常に機能しないため、上面の単一マーキングラインで正しい向きを維持。その他のマーキングは、ケーブルの特定部分が船、リグ、陸上からどの距離にあるかを示します。「トラブルシューティング用です。ケーブルに何らかの問題が起きた場合、エラー箇所をピンポイントで特定して修理できます」

システムに搭載するレーザーについて、Cajoは「99%の材料にマーキング可能」なファイバーユニットを採用しているとRantala氏は主張します。「PVCやその他材料への海底ケーブル用レイラインとシーケンシャルマーキングをレーザーで実現でき、これらの製品を手掛ける企業の注目を集めています」

短く鋭く

部品サイズという点ではるかに小さなスケールで、医療分野ではピコ秒、さらにはフェムト秒領域の超高速（超短パルス）レーザーを、ステンレス鋼デバイスへの永久的な固有デバイス識別子（UDI）マーキングに採用し始めています。

ナノ秒レーザーは長らく製品マーキングに成功してきましたが、Coherent-Rofinのビジネス開発マネージャー、Thorsten Ferbach氏（カリフォルニア州サンタクララ）によると、ステンレス鋼への影響で、繰り返しオートクレーブ滅菌を行うと腐食が生じる可能性があります。したがって、ピコ秒レーザーは大きな投資となりますが、故障が許されない高付加価値医療デバイスの製造では、それ以上の回収が見込めます。

この技術を牽引しているのは、2018年9月施行のFDA規制で、複数回の滅菌を必要とする医療デバイスには、時間経過とともに劣化しないマーキングを義務付けています。この規制は、世界中の医師がこれらのマークにエンコードされたデータにアクセスできることを保証することを意図しています。これらのコードの読み取り失敗はFDAデータベースに記録され、特定製品の報告が多すぎると、大規模調査の一環としてFDAが生産停止を命じる可能性があるとFerbach氏は説明します。

この需要に対応するため、Coherent-RofinはRapid NXピコ秒レーザーを最適化してきました。ナノ秒レーザーが材料表面に黒色酸化物を生成して暗いマークを作るのに対し、ピコ秒マーキングは1.4301ステンレス鋼などの材料のサブサーフェスナノ構造を変化させ、光を閉じ込め吸収させることで高コントラストマークを生成します。

「ステルス戦闘機の保護外皮と原理が似ています」とFerbach氏。「その外皮にレーダービームを照射しても反射せず、飛行機が見えなくなります。ステンレスデバイスでは、ピコ秒レーザーで処理された領域が光を吸収して暗いマークとして見えます。酸化物マークとは異なり、視角による見え方の変化がなく、あらゆる角度から同じ黒色サブサーフェスマークに見えます」

スループットとマーキングプロセス監視能力の点では、この用途ではナノ秒とピコ秒レーザーに差はないと同氏。しかし、プロジェクト開始前にCoherent-Rofinは実現可能性調査を実施。ピコ秒レーザーが正しいパラメータで動作することと、内部水冷ユニットの予防保全について顧客が理解することを確認します。

医療デバイス以外でも、他業界が超短パルスレーザーの精密マーキングを採用する可能性があります。

ステンレス家電に焦点を当てた現代的なキッチンデザインは理想的な候補だとFerbach氏。「ステンレス製品は現在、エッチングまたは印刷されています」と同氏。前述の理由（視角による黒色マークの見え方の変動）で、この業界ではナノ秒レーザーを避けています。「ここでは、超高速レーザーのメリットについて市場を教育し続ける必要があります」

家電以外でも、コンシューマーエレクトロニクスOEMが超高速レーザーを採用し始めています。

材料面では、ピコ秒レーザーはチタン（インプラント用）、アルマイトアルミ（整形外科デバイス用）、PEEKおよびPPSUプラスチックにもマーキング可能です。

ポートフォリオと市場の拡大

コネチカット州ブルームフィールドのDapra Marking Systemsは、大手OEMから小規模カスタムファブリケーターまで多様な機会を捉えるため、約2年前から自社レーザーシステムの製造を開始。低出力デバイスから比較的高出力の100Wマーキングまで、新たにファイバーベースのグリーンレーザーとピコ秒ラインを追加し、提供を拡大しています。

「適切な用途でピコ秒しか対応できない場合、それはニッチフィットとなります」と、レーザーセールス・アプリケーションディレクターのDave Noonan氏。「UVマーキングを『コールドマーキング』と呼ぶのは熱影響が極めて小さいからですが、ピコ秒レーザーではそれがステロイドを打ったようなものです」

同社は、背面壁に取り付けられたプログラマブルスライド付きエンクロージャーも提供。このX軸スライドにより、レーザーヘッドをより長い距離で移動可能。標準的なスライドでは30インチ（762mm）の移動が可能で、より多くの部品や、ライフルバレルのような長尺部品、バレルシリーズのマーキングが可能。従来の約110〜170mmの正方形マーキングエリアとは対照的です。

一方、Dapraのソフトウェアスイートへの新機能追加により、手術器具のような円筒形部品の高速ロータリーインデキシングが可能に。「プローブにリングを配置して組織への挿入深度を知る場合、これらのリングを非常に一貫した方法で配置する必要があります」とNoonan氏。「典型的なマーキング用『第3軸』では、マーキングしてからインデックスするため、同時に実行できません。（新ソフトウェアでは）マーキングと回転を同時に実行でき、長年の課題を、真のオン・ザ・フライソフトウェアより低コストで解決します」

さらに、Dapraは、あらゆるキャビネットのあらゆるレーザー出力にドロップイン可能な新しいコントローラーを開発。「非常にモジュラーな性質です」とNoonan氏。Class 4製品にも同じコントローラーを使用しており、これらがかなり人気になっています。

Dapraシステムは、医療、航空宇宙、自動車、ギア製造、大型農業機械などの用途で急速に採用されています。

「航空宇宙セクターは昨年かなりホットで、今年はさらにレッドホットになりそうです」と同氏。この業界は歴史的に、低応力マーキングを規定する規制のため、ドットピンマーキングに傾倒してきました。「より多くの部品マーキングと、より大規模なプロジェクトへの関心が急増しています」

これらのプロジェクトは大手から来る傾向がありますが、小規模カスタムファブリケーターも台頭しており、Dapraは彼らのニーズに応える製品ライン導入を促進しています。

「フロリダでの設置で、従業員1.5名の小規模医療メーカーにレーザーを販売したばかりです」と同氏は回想。「トラクションピン、手術トレー、ボーンスクリューなどを製造しています。以前なら、このような小規模プレイヤーにはレーザーは高すぎました。もう違います。新しい世界で、我々には適切なソリューションがあります」

レーザー価格の低下に伴い、より多くの製造業者がレーザーマーキングをレパートリーに加えられるようになるため、Dapraは2019年もさらに大きな年になると予想しています。

注目すべき成長分野の一つは、プラスチックの自動マーキングです。ある射出成形ショップでは、「金型から2〜4個の部品を取り出し、インラインレーザーに1個ずつ提示してデータマトリックスをマーキングしています」。システムは部品を取り出す前にマークの読み取り可能性を確認し、読み取れない場合はセカンドマーク実行シーケンスを作動させます。

過去1年間で、ギアメーカーがドットピンに代わりDapraレーザーマーキングシステムを採用し、コストを「大幅に削減し、レーザーがもたらした生産価値に大満足しています」

ドットピンマーキングは低コストですが、ワーク保持の問題や超硬マーキングピンの摩耗によるマーキング鮮明度の劣化といった課題があります。「レーザーマーキングの非接触方式は、摩耗部品がなく、マークが信じられないほど再現性と信頼性が高いため、正当な理由で受け入れられています」

データ駆動型ソリューション

マーキングされたすべてのデータを追跡することは、マークを作ることと同等に重要です。ソフトウェアとマーキングデバイス間の重要情報の双方向転送は、システム設計の重要な要素です。製造エンジニアや現場の生産性維持責任者が関連データを追跡できるよう、この双方向通信チェーンの構築と確保が不可欠だと、Meccoのプレジデント、Dave Sweet氏（ペンシルベニア州クランベリータウンシップ）は主張します。

例えば、ハネウェル向けレーザーマーキング航空宇宙部品では、「システムデータベースから可変データを取得します。エンタープライズソフトウェアが情報を送信し、部品をマーキングするだけでなく、ビジョンシステムを使用して、マーキングした情報が送信された情報と一致するか検証します」。Meccoのシステムは、政府がUDIを登録するために保存するレポートを生成します。

Meccoのハネウェルプロジェクトケーススタディによると、20W SMARTmarkファイバーレーザーシステムは「120VDCでどこにでも接続可能で、旧型YAGフラットベッドの半分のフットプリント」。また、マーキング関連の品質通知と返品コスト（件あたり2,500ドル）が大幅に減少しました。

自動車業界では、安全関連部品と一定金額以上の部品に固有識別子マーキングが施され、すべて車両識別番号（VIN）に紐付けて追跡されるとSweet氏。カムシャフト、クランクシャフト、ブロック、トランスミッションケース、コネクタなどが含まれます。これらのコンポーネントをバーコードでマーキングした後、それらの「親子関係」がデータベースに記録され、最終的にすべての情報がVINに結びつけられます。

マーキングシステムの接続性は、協働ロボット（コボット）と共に動作する方向へ拡大しています。MECCOは最近、トレイから部品をピックアップし、ビジョンシステムでスキャンするために保持するコボットを使用するシステムを導入。ビジョンシステムが情報をレーザーマーカーに送信、コボットが部品をレーザーに運びマーキング。片面マーキング後、コボットが部品をカメラに運び、次の面をマーキングする前にマークの正確さを検証します。

「トレーサビリティのニーズは依然として増加しています」とSweet氏。「顧客は、箱入りレーザーではなく、ソリューションベースのシステムを求めています。つまり、製造柔軟性に対するますます具体的なニーズを満たす、モジュラーで設定ベースのアプローチの市場が成長し続けることを意味します」

Meccoは一般的に、4つの基本エンクロージャーサイズをベースにシステムの約80%を構築し、直径6、18、24、36インチ（152、457、610、914mm）のロータリーダイヤルを追加して、継続的に新しいワークをマーキング位置へ循環させます。各エンクロージャーにはX-Yテーブルオプションもあります。残り約20%はカスタマイズ可能で、オペレーターがジョブをロード・監視できるよう簡素化されたグラフィカルユーザーインターフェースなども含まれます。

例えば、最近の工具メーカー顧客は、30×30インチ（762×762mm）トレイの部品をカバーする必要があり、Meccoの特大エンクロージャーとX-Y-Zガントリーシステムが必要でした。「複数のレーザーを購入する代わりに、1台のレーザーでこのシステムをロードし、スタートを押して離れるだけで済みました」

別のケースでは、水道メーター会社がドットピンとレーザーマーキングを4ポジションロータリーワークステーションで組み合わせて使用。真鍮ハウジングにドットピンでシリアル番号をマーキングし、レーザーで黒色プラスチック蓋に同じシリアル番号を複製しました。

適切なシステム設計は明確に成果を生みます。Meccoの医療顧客が旧型ダイオードレーザーからファイバーシステムにアップグレードしたケースでは、全体のマシンサイクルタイムが18秒から11秒未満に短縮、マーク品質が向上し、ハンディスキャナーでの視覚検査が改善されました。

さらに、Sweet氏は小規模ショップがシステムに付随するロボットへの投資を増やしていることを指摘。レーザーマーキングが、堅牢で不可欠な産業オペレーションとなり、今後も発展し続けることは明らかです。