超音波フェーズドアレイ技術を使用して複合構造の内部損傷を評価する

超音波フェーズドアレイ技術を使用して複合構造の内部損傷を評価する
寄稿者: 張亜源、田暁勇

複合材料の構造は複雑なため、内部損傷の非破壊検査 (NDT) は私たちにとって依然として課題となっています。スペインのカスティーリャ・ラ・マンチャ大学の研究チームは、フェーズドアレイ超音波検査を使用して、複合積層板の製造上の欠陥や内部損傷を特定し、評価しています。

この研究では、Markforged Two 3D プリンターを使用して、Markforged が提供したナイロンと炭素繊維を原料として炭素繊維強化ナイロン複合積層板を作製しました。次に、積層板を幅 300 mm、長さ 300 mm のボードに手作業で敷きました。異なる積層シーケンスを使用して、繊維配向が超音波伝播に与える影響を評価しました。各積層シーケンスは、内部欠陥のないボードと、異なる人工介在物を持つボードの 2 つの異なるボードから作成されました。具体的な分布を図 1 に示します。


図 1. 埋め込まれたアーティファクト: a) PTFE (ポリテトラフルオロエチレン) ピールファブリックとスプレー、アルミニウムとピールプライの介在物、b) 炭素繊維強化プラスチック複合ラミネート内のさまざまな深さにおける層間埋め込み介在物の分布。デバイスの一般的な動作原理は、64 要素のフェーズドアレイトランスデューサーを備えた Olympus OmniScan MX2 デバイスを使用して、5MHz でフェーズドアレイ超音波テストを実行することです。このデバイスは、多要素信号フォーカスにより超音波信号の減衰特性と解像度が向上しますが、内部損傷は障害物として機能し、送信波の経路を遮断し、屈折、反射、回折現象を引き起こします。この原理に基づいて、スキャン画像の結果を比較することで積層板の内部損傷を特徴付けます。


図 2. フェーズドアレイ超音波試験の実験セットアップ: a) フェーズドアレイトランスデューサーとラスタースキャン方式の詳細。 b) 人工介在物のない損傷のない CFRP ラミネートの振幅と深さの分布の超音波 C スキャン画像。
試験結果から、損傷のない積層板と比較して、人工介在物を含む積層板はすべて振幅の不連続性の兆候を示しており、積層板の欠陥が特定されたことが証明されていることがわかります。また、介在物の深さの違いも試験結果のグラフに反映されます。


図3. CFRP積層板(下層)に埋め込まれたPTFEスプレーコーティング人工介在物の超音波フェーズドアレイCスキャン画像:a)[0]₈積層板、b)[45]₈積層板、c)[0/90/±45] s積層板。繊維強化熱可塑性複合材が産業用途でますます重要になるにつれ、この技術は複合材の損傷識別に関する理解を深める大きな可能性を秘めています。将来的には航空宇宙などの産業分野でも幅広く活用できる可能性があります。

参考文献:
M. A. Minero、I. García-Moreno、G. P. Rodríguez、J. M. Chacón。フェーズドアレイ超音波技術を使用した複合構造の内部損傷評価:CFRPおよび3Dプリント強化複合材料の衝撃損傷評価。Composites Part B 165 (2019) 131–142。

寄稿者: 張亜源、田暁勇 寄稿部署: 機械製造システム工学国家重点研究室

超音波、フェーズドアレイ、非破壊検査

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