JP5811018B2

JP5811018B2 - レーザ加飾方法

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Publication number: JP5811018B2
Application number: JP2012096743A
Authority: JP
Inventors: 明広井村; 渡辺　郁夫; 郁夫渡辺; 横田　徹; 徹横田; 貴城吉良
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2032-04-20
Also published as: JP2013223831A

Description

本発明は、基材に形成された塗膜に対してレーザ加飾を行うレーザ加飾方法に関する。

従来から、車両においては、ボディ塗装や外装塗装部品上に図柄や文字等の加飾を施すことが行われているが、前記加飾を施す際には、塗膜の基材に対する密着性等の基本物性を維持したまま加飾することが重要である。従って、前記加飾は、一般的には、ボディ塗装や外装塗装部品の表面に加飾フィルムを貼り付けたり、加飾用の塗装を既存の塗装の表面に追加したりすることにより行われていた。

しかし、加飾フィルムを貼り付けて行う加飾は、加飾デザイン毎に加飾フィルムや部品治具を作成する必要があり、加飾作業に手間がかかるとともに、加飾設備および加飾コストの増大を招いていた。また、加飾用の塗装を既存の塗装に追加して行う加飾においても、加飾デザイン毎に専用のマスキング治具や型マスクを揃えるとともに、加飾用の塗装のために塗装ブースや乾燥用オーブンを揃える必要があり、加飾作業に手間がかかるとともに、加飾設備および加飾コストの増大を招くこととなっていた。
さらに、フィルム貼り付けや追加塗装による加飾では、加飾を行うデザイン種類に制約があった。

そこで、加飾作業の手間の削減や、加飾設備および加飾コストの低減を図るために、基材に形成された塗膜に対して行う加飾を、前記塗膜に対してレーザ光を照射することにより行うことが、考案されている。例えば、特許文献１に記載の技術である。

特許文献１に記載の技術は、具体的には、基材に対応する成形品に、塗膜に対応する蒸着膜を形成した後に、前記蒸着膜に対してレーザ光を照射して、前記蒸着膜に装飾（レーザーマーキング）を刻設し、さらに、加飾された蒸着膜の表面に保護膜であるトップコート層を形成するものである（特許文献１の実施例２を参照）。
また、前記成形品に形成された前記蒸着膜の表面に、前記蒸着膜を保護する中塗り層を形成した後に、前記成形品にレーザ光を照射して、前記中塗り層および蒸着膜に装飾（レーザーマーキング）を刻設し、装飾を刻設した後に、前記中塗り層の表面に前記トップコート層を形成するものである（特許文献１の実施例４を参照）。

特開２００６−００１１５９号公報

しかし、例えば車両のボディ等に塗装を施す際には、基材に塗膜を形成し、さらに前記塗膜を保護する保護膜層を形成するが、前述の特許文献１実施例２に記載のように加飾を行う場合は、前記保護膜を形成する前の塗膜に対して加飾することとなるため、基材に対する塗装が完了する前に加飾作業を行う必要があり、作業が煩雑となっていた。

また、前述の特許文献１の実施例４に記載のように加飾を行う場合は、塗膜を加飾するレーザ光により、塗膜の表面を保護する中塗り層までが破壊されてしまうため、加飾作業後に塗膜の表面を保護するための保護膜を再度形成する必要があり、作業性が悪く煩雑であった。
即ち、この特許文献１の実施例４に記載の技術を、例えば図８に示すような、鋼板１０１の表面に、順に電着塗装により形成される下塗り塗装膜１０２、中塗り塗装膜１０３、ならびにベース塗膜１０４ａおよびクリア層１０４ｂからなる上塗り塗装膜１０４が形成された車両のボディに対して適用した場合、クリア層１０４ｂ側から照射されたレーザ光は、クリア層１０４ｂを破壊しながらベース塗膜１０４ａを加飾して、ベース塗膜１０４ａに加飾部を形成することとなり（図８（ａ）参照）、加飾作業後にクリア層１０４ｂの表面にベース塗膜１０４ａを保護するための保護コート膜１０５を形成することが必要となる（図８（ｂ）参照）。

そこで、本発明においては、加飾設備および加飾コストの増大を招くことなく、優れた作業性にて、基材に塗膜が形成されたワークに対してレーザ加飾を行うことができるレーザ加飾方法を提供するものである。

上記課題を解決するレーザ加飾方法は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１記載の如く、基材に塗膜を形成して構成されるワークに対してレーザ加飾を行うレーザ加飾方法であって、基材に形成された塗膜の表面に、前記塗膜を保護するクリア層を形成するクリア層形成工程と、前記クリア層形成工程の後に、前記クリア層が最表層に形成された前記ワークに対して、前記クリア層側からレーザ光を照射して、前記塗膜に装飾を施す装飾工程とを備え、前記ワークに照射するレーザ光のエネルギー強度を、４５ｍＪ／ｃｍ ² 〜８６０ｍＪ／ｃｍ ² の範囲内で、前記塗膜の色に応じて変化させる。

また、請求項２記載の如く、前記レーザ光の波長は、１０６０ｎｍ〜１０６４ｎｍである。

本発明によれば、加飾設備および加飾コストの増大を招くことなく、優れた作業性にて、基材に塗膜が形成されたワークに対してレーザ加飾を行うことができる。

本発明のレーザ加飾方法により加飾が施されるワークを示す側面断面図である。パール色の塗色を有するサンプル塗膜板についての加飾性評価結果を示す図である。シルバー色の塗色を有するサンプル塗膜板についての加飾性評価結果を示す図である。赤色の塗色を有するサンプル塗膜板についての加飾性評価結果を示す図である。青色の塗色を有するサンプル塗膜板についての加飾性評価結果を示す図である。各塗色のサンプル塗膜板についての塗膜性能評価結果を示す図である。各塗色のサンプル塗膜板についての有効なレーザ光照射エネルギー強度を示す図である。従来のレーザ加飾方法により加飾が行われるワークを示す図である。

次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。

本願発明にかかる加飾方法は、塗装がなされた車両のボディや外装塗装部品等のワークにおける塗膜表面に対してレーザ光を照射して、前記塗膜上に図柄や文字等の加飾を施すレーザ加飾方法である。

図１に示すワークＷは、例えば塗装が施された車両のボディであり、鋼板等の基材１と、基材１の表面に電着塗装をなすことにより形成される下塗り塗装膜２と、下塗り塗装膜２の表面に中塗り塗料を塗装することにより形成される中塗り塗装膜３と、中塗り塗装膜３の表面に形成される上塗り塗装膜４とを備えている。

上塗り塗装膜４は、中塗り塗装膜３の表面にベース塗料を塗布することにより形成されるベース塗膜４ａと、ベース塗膜４ａの表面にクリア塗料を塗布することにより形成されるクリア層４ｂとで構成されている。クリア層４ｂは、ベース塗膜４ａの表層側に配置されており、ワークＷの最表層に形成されている。
ベース塗膜４ａは、塗装がなされたワークＷの塗色を示す塗装膜であり、クリア層４ｂは、ベース塗膜４ａの表面を覆うことにより、ワークＷの塗装にツヤを付与するとともに、ベース塗膜４ａを保護してワークＷの塗装の耐候性を担うものである。また、クリア層４ｂは透明な塗膜層である。

本実施形態におけるレーザ加飾方法は、ベース塗膜４ａの表面にクリア層４ｂを形成するクリア層形成工程と、前記クリア層形成工程の後に、クリア層４ｂが最表層に形成されたワークＷに対して、クリア層４ｂ側からレーザ光を照射して、ベース塗膜４ａに装飾を施し加飾部を形成する装飾工程とを備えている。

ワークＷに照射されるレーザ光は、１０６０ｎｍ〜１０６４ｎｍの波長を有するレーザ光である。
また、前記レーザ光は、例えば、Ｙｂ（イッテルビウム）がドーピングされたファイバ内でレーザ光を効率良く励起・増幅させパルス発振を得る、ＦＡＹｂ（ＦｉｂｅｒＡｍｐｌｉｆｉｅｄＹｔｔｅｒｂｉｕｍ）方式により生成されるレーザ光である。

１０６０ｎｍ〜１０６４ｎｍの波長を有するレーザ光をワークＷに対してクリア層４ｂ側から照射した場合、透明なクリア層４ｂは前記レーザ光を吸収せずに透過させる性質を有しているため、前記レーザ光は直接ベース塗膜４ａを刻設して加飾することとなる。
即ち、前記レーザ光は、クリア層４ｂを破壊することなく、ワークＷの塗装の発色を担うベース塗膜４ａのみに作用して、当該ベース塗膜４ａを直接加飾することとなる。

これにより、レーザ光の照射によりクリア層４ｂの物性が変化することがないため、ワークＷの塗装における耐候性や密着性等の塗膜性能を損なうことなく、ベース塗膜４ａの色彩を変化させて加飾を行うことが可能となり、加飾作業後にクリア層４ｂの表面に保護膜を形成する必要がないため、作業性を向上することができる。
また、ワークＷへのレーザ光の照射により加飾を行うので、塗装ブースや乾燥用オーブン等の生産設備の増強や、治具やマスキングやフィルム等の部品の増加を伴うことなく、また文字や絵柄等のデザインに制約を生じさせることなく、簡便にワークＷに対する加飾を行うことが可能となる。

このように、本実施形態におけるレーザ加飾方法においては、加飾設備および加飾コストの増大を招くことなく、優れた作業性にて、基材１にベース塗膜４ａ等の塗膜が形成されたワークＷに対してレーザ加飾を行うことが可能となっている。

次に、基材１にベース塗膜４ａ等の塗膜およびクリア層４ｂを形成したワークＷであるサンプル塗膜板を実際に作製し、前記サンプル塗膜板に対して本実施形態のレーザ加飾方法により加飾を行った際の、加飾性評価および塗膜性能評価を行った結果について説明する。

前記サンプル塗膜板は、基材１として冷間圧延鋼板を用い、基材１に２０μｍ厚の下塗り塗装膜２、３０μｍ厚の中塗り塗装膜３、１５μｍ厚のベース塗膜４ａ、および１５μｍ厚のクリア層４ｂを形成することにより作製した。
また、前記サンプル塗膜板は、代表色として選定したパール色、シルバー色、赤色、および青色の各色について作製した。

ベース塗膜４ａを構成するベース塗料は、関西ペイント社製の水性ベース塗料であるＷＢＣ−７１３Ｔ（色番：０７０（パール色）、１Ｆ７（シルバー色）、３Ｒ３（赤色）、８Ｔ０（青色））を用いた。
クリア層４ｂを構成するクリア塗料は、関西ペイント社製のクリア塗装であるＫＩＮＯ−１２１０ＴＷを用いた。

前記サンプル塗膜板に照射するレーザ光は、１０６０ｎｍ〜１０６４ｎｍの波長を有するＦＡＹｂレーザ光であり、４５ｍＪ／ｃｍ²（第１水準）、２１５ｍＪ／ｃｍ²（第２水準）、４３０ｍＪ／ｃｍ²（第３水準）、６４０ｍＪ／ｃｍ²（第４水準）、および８６０ｍＪ／ｃｍ²（第５水準）、の５水準の照射エネルギーにて各サンプル塗膜板に対して照射した（但し、パール色のサンプル塗膜板のみ第２水準〜第５水準の４水準にてレーザ光の照射を行った）。

前述の５水準の照射エネルギーでのレーザ光の照射により加飾が施された、４色の各サンプル塗膜板について、加飾性評価を行った。
具体的には、レーザ光の未照射部位と照射部位との色差を測定し、加飾前後で有効な色変化を生じさせることができるレーザ光の照射条件（照射エネルギー）を確認した。

色差の測定は、側色計（コニカミノルタ社製ＣＭ−５１２ｍ３）を用いて行い、各サンプル塗膜板について３方向（測定光照射角度が２５°、４５°、７５°の３方向）から測定を行った。
また、測定した色差値は、ＣＩＥΔＥ９４にて表した。

加飾性評価においては、加飾により生じた色変化が有効な色変化であるか否かを判定し、各照射エネルギー水準における各測定光照射角度の測定値において、一つ以上の角度での色差値が１．０以上である場合に、有効な色変化があるものと判定した。

図２〜図５に、各色のサンプル塗膜板についての色差の測定結果を示す。具体的には、図２にはパール色のサンプル塗膜板についての測定結果、図３にはシルバー色のサンプル塗膜板についての測定結果、図４には赤色のサンプル塗膜板についての測定結果、図５には青色のサンプル塗膜板についての測定結果を示す。

図２によれば、パール色のサンプル塗膜板については、第４水準の照射エネルギー（６４０ｍＪ／ｃｍ²）の場合に、照射角度４５°および照射角度７５°において色差値が１
．０以上となっており、第５水準の照射エネルギー（８６０ｍＪ／ｃｍ²）の場合に、全ての照射角度において色差値が１．０以上となっていることから、レーザ光の照射エネルギーが６４０ｍＪ／ｃｍ²以上であれば有効な色変化を生じさせることができるものと判断できる（図２における網掛け部分を参照）。

図３によれば、シルバー色のサンプル塗膜板については、第２水準の照射エネルギー（２１５ｍＪ／ｃｍ²）の場合に、照射角度２５°において色差値が１．０以上となっており、第３水準および第４水準の照射エネルギー（４３０ｍＪ／ｃｍ²、６４０ｍＪ／ｃｍ²）の場合に、照射角度２５°および照射角度４５°において色差値が１．０以上となっており、第５水準の照射エネルギー（８６０ｍＪ／ｃｍ²）の場合に、全ての照射角度において色差値が１．０以上となっていることから、レーザ光の照射エネルギーが２１５ｍＪ／ｃｍ²以上であれば有効な色変化を生じさせることができるものと判断できる（図３における網掛け部分を参照）。

図４によれば、赤色のサンプル塗膜板については、第２水準および第３水準の照射エネルギー（２１５ｍＪ／ｃｍ²、４３０ｍＪ／ｃｍ²）の場合に、照射角度２５°において色差値が１．０以上となっており、第４水準および第５水準の照射エネルギー（６４０ｍＪ／ｃｍ²、８６０ｍＪ／ｃｍ²）の場合に、全ての照射角度において色差値が１．０以上となっていることから、レーザ光の照射エネルギーが２１５ｍＪ／ｃｍ²以上であれば有効な色変化を生じさせることができるものと判断できる（図４における網掛け部分を参照）。

図５によれば、青色のサンプル塗膜板については、第１水準〜第５水準の全ての照射エネルギー（４５ｍＪ／ｃｍ²、２１５ｍＪ／ｃｍ²、４３０ｍＪ／ｃｍ²、６４０ｍＪ／ｃｍ²、８６０ｍＪ／ｃｍ²）の場合に、全ての照射角度において色差値が１．０以上となっていることから、レーザ光の照射エネルギーが４５ｍＪ／ｃｍ²以上であれば有効な色変化を生じさせることができるものと判断できる（図５における網掛け部分を参照）。

各サンプル塗膜板においては、ベース塗膜４ａの塗色により、有効な色変化を生じさせ得る照射エネルギー強度が異なっているが、これは以下の理由によるものと考えられる。
つまり、１．塗色の違いにより、照射されたレーザ光のエネルギー吸収率が異なる、２．各塗色のベース塗膜４ａにおける光輝顔料種により、照射されたレーザ光のエネルギー吸収率が異なる、塗色の違いにより、色変化の見え方が異なる（例えばパール色に用いられるマイカ顔料は元々透明であるため、加飾前後での色変化が分かりにくい）、といった３つの理由が組み合わさることによるものと考えられる。

このように、有効な色変化を生じさせ得る照射エネルギー強度はベース塗膜４ａの塗色により異なるが、４５ｍＪ／ｃｍ²の照射エネルギーでも有効な色変化を生じさせ得る塗色があることが分かった。

また、各色・各照射エネルギー水準のサンプル塗膜板について、塗膜性能評価を行った。前記塗膜性能評価としては、ＪＩＳＫ５４００に規定される碁盤目付着試験を実施した。
具体的には、各サンプル塗膜板の塗膜に対して切り傷を碁盤目状に１００マス付け、切り傷を付けた部分にセロハン粘着テープを貼り付けた後、前記テープの端部を塗膜面から垂直方向へ引き剥がし、塗膜の剥がれの有無を評価した。

図６に、各サンプル塗膜板についての塗膜性能評価の結果を示す。
図６によれば、パール色のサンプル塗膜板については、第１水準〜第５水準の全ての照射エネルギー（４５ｍＪ／ｃｍ²、２１５ｍＪ／ｃｍ²、４３０ｍＪ／ｃｍ²、６４０ｍＪ／ｃｍ²、８６０ｍＪ／ｃｍ²）の場合において、塗膜の剥がれは発生しなかった。
従って、パール色のサンプル塗膜板については、第１水準〜第５水準の全ての照射エネルギーにおいてレーザ光照射による加飾を行っても、塗膜性能を維持することが可能であると判断できる。

シルバー色のサンプル塗膜板については、第１水準〜第３水準の照射エネルギー（４５ｍＪ／ｃｍ²、２１５ｍＪ／ｃｍ²、４３０ｍＪ／ｃｍ²）の場合において塗膜の剥がれは発生せず、第４水準および第５水準の照射エネルギー（６４０ｍＪ／ｃｍ²、８６０ｍＪ／ｃｍ²）の場合において塗膜の剥がれが発生した。
即ち、シルバー色のサンプル塗膜板については、６４０ｍＪ／ｃｍ²以上の照射エネルギーにてレーザ光照射による加飾を行うと、塗膜性能を維持できないおそれがあるため、加飾を行うレーザ光の照射エネルギーは４３０ｍＪ／ｃｍ²以下とすることが好ましい。

赤色のサンプル塗膜板については、第１水準〜第３水準の照射エネルギー（４５ｍＪ／ｃｍ²、２１５ｍＪ／ｃｍ²、４３０ｍＪ／ｃｍ²）の場合において塗膜の剥がれは発生せず、第４水準および第５水準の照射エネルギー（６４０ｍＪ／ｃｍ²、８６０ｍＪ／ｃｍ²）の場合において塗膜の剥がれが発生した。
即ち、赤色のサンプル塗膜板については、６４０ｍＪ／ｃｍ²以上の照射エネルギーにてレーザ光照射による加飾を行うと、塗膜性能を維持できないおそれがあるため、加飾を行うレーザ光の照射エネルギーは４３０ｍＪ／ｃｍ²以下とすることが好ましい。

青色のサンプル塗膜板については、第１水準〜第４水準の照射エネルギー（４５ｍＪ／ｃｍ²、２１５ｍＪ／ｃｍ²、４３０ｍＪ／ｃｍ²、６４０ｍＪ／ｃｍ²）の場合において、塗膜の剥がれは発生せず、第５水準の照射エネルギー（８６０ｍＪ／ｃｍ²）の場合において塗膜の剥がれが発生した。
即ち、青色のサンプル塗膜板については、８６０ｍＪ／ｃｍ²以上の照射エネルギーにてレーザ光照射による加飾を行うと、塗膜性能を維持できないおそれがあるため、加飾を行うレーザ光の照射エネルギーは６４０ｍＪ／ｃｍ²以下とすることが好ましい。

上述の加飾性評価および塗膜性能評価の結果から、有効な加飾を行うことができるとともに、塗膜の密着性を低下させることがないレーザ光の照射エネルギー強度、即ち有効なレーザ光照射エネルギー強度は、図７に示すような範囲となる。
即ち、図７によれば、パール色のサンプル塗膜板については、６４０ｍＪ／ｃｍ²が照射エネルギー強度の下限となる（本実例では、測定を行った照射エネルギー強度の最大値が８６０ｍＪ／ｃｍ²であったので、上限は少なくとも８６０ｍＪ／ｃｍ²となる）。

シルバー色のサンプル塗膜板については、２１５ｍＪ／ｃｍ²が下限となり、４３０ｍＪ／ｃｍ²が上限となる。
赤色のサンプル塗膜板については、２１５ｍＪ／ｃｍ²が下限となり、４３０ｍＪ／ｃｍ²が上限となる。
青色のサンプル塗膜板については、４５ｍＪ／ｃｍ²が下限となり、６４０ｍＪ／ｃｍ²が上限となる。

このように、１０６０ｎｍ〜１０６４ｎｍの波長を有するレーザ光をサンプル塗膜板等のワークＷに対して照射してベース塗膜４ａを加飾する場合、ベース塗膜４ａの塗色に応じてワークＷに照射するレーザ光のエネルギー強度を変化させて、適切なエネルギー強度のレーザ光をワークＷに照射することで、各塗色のワークＷに対して、塗膜の密着性を低下させることなく、有効な加飾を行うことが可能となっている。

Ｗワーク
１基材
２下塗り塗装膜
３中塗り塗装膜
４上塗り塗装膜
４ａベース塗膜
４ｂクリア層

Claims

基材に塗膜を形成して構成されるワークに対してレーザ加飾を行うレーザ加飾方法であって、
基材に形成された塗膜の表面に、前記塗膜を保護するクリア層を形成するクリア層形成工程と、
前記クリア層形成工程の後に、前記クリア層が最表層に形成された前記ワークに対して、前記クリア層側からレーザ光を照射して、前記塗膜に装飾を施す装飾工程とを備え、
前記ワークに照射するレーザ光のエネルギー強度を、４５ｍＪ／ｃｍ ² 〜８６０ｍＪ／ｃｍ ² の範囲内で、前記塗膜の色に応じて変化させる、
ことを特徴とするレーザ加飾方法。
前記レーザ光の波長は、１０６０ｎｍ〜１０６４ｎｍである、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加飾方法。