積層造形技術とその検出の難しさの詳細な分析

従来の非破壊検査方法は、積層造形技術で製造された部品と他の加工技術で製造された部品の検査において多くの類似点があります。しかし、程度の差はあれ、積層造形技術の台頭は、非破壊検査技術に依然として一定の課題をもたらしています。

付加製造 (AM) は、近年最も注目され、最も革新的な製造プロセスの 1 つです。設計図を機械に送り込み、反対側から機能部品を取り出すというこの新しい製造工程は、一世代前のSFにしか存在しなかったアイデアだ。スタートレックのように人間を複製できるようになるまではまだ遠いが、その差は縮まりつつある。

プラスチック、ゴム、セラミック、インク、貴金属、一部の特殊合金材料は、毎日さまざまな業界で製造され、使用されています。その応用分野は非常に広く、一般的なおもちゃ、金型、さらには人間の臓器まで含まれています。現在、これらすべてを 3D プリント (付加製造) 技術を使用して印刷できます。この記事では、航空宇宙および発電分野における積層造形の応用に焦点を当てます。これらの分野では、多くの人々がいくつかの課題に対する革新的なソリューションの設計と作成に懸命に取り組んでいます。

これらの分野では、3D プリント技術を使用して製造されるコンポーネントはますます複雑になり、ますます重要なアプリケーションで受け入れられ、使用されるようになっています。これらのアプリケーションは、業界が積層造形技術で実現しようとしていることのほんの始まりにすぎません。近い将来、積層造形技術で使用される粉末や合金材料の性能が継続的に向上するにつれて、製造される新しい部品の総合的な性能もより高く、より新しいレベルに到達するでしょう。

現在、積層造形により、よりユニークで高度に最適化された形状の製品が生産されていることを考えると、より高度な現実世界の検査機能も必要です。検査機能と冶金検証は、AM 設計とプロセスパラメータの不可欠な部分である必要があります。たとえば、現在のテストの状態と、将来テストが必要になる可能性がある場所を実際に理解する必要があります。

AM 検査の基本を詳しく説明する前に、まず金属 AM テクノロジーの複雑さを理解しましょう。

付加製造技術

まず第一に、積層造形（AM）技術は単なる 1 つの技術ではなく、技術のクラスです。 AM (3D 印刷技術とも呼ばれる) は、粉末床溶融結合法 (PBF) と直接エネルギー堆積法 (DED) の 2 つの主なカテゴリに分類されます。これら 2 つの主要なテクノロジカテゴリには、その他の分類テクノロジもいくつか含まれています。

PBF
直接金属レーザー焼結（DMLS）
選択的レーザー焼結（SLS）
選択的レーザー溶融（SLM）
電子ビーム溶解法（EBM）

死後
ガスタングステンアーク技術 (GTA)
プラズマアーク技術（PA）
ガスメタルアーク溶接技術 (GMA)
プラズマアーク技術 (PTA)
レーザービーム技術（LB）
電子ビームフリーダム（EBF）

これらのテクノロジーを詳しく説明する前に、まず PBF と DED の違いを理解しましょう。

PBF 技術の原理は、堆積面上に均一な粉末層を供給し、堆積面上に電子ビームまたはレーザーを誘導し、ビームまたはレーザーのエネルギーが面内の指定されたすべての位置で粉末を照射して、粉末を溶融および固化することです。その平面が完了すると、システムは次の平面にインデックスを付け、プロセスを繰り返します。これは、コンポーネントが完全に構築されるまで続きます。 PBF テクノロジーでは、堆積面は x 軸と y 軸で固定され、ビルド面が完全に完了した場合にのみ z 軸で移動します。
DED 技術では、粉末またはワイヤが、電子ビームまたはレーザーなどのエネルギー源と同期して溶融池に供給されます。 PBF と同様に、ビームまたはレーザーからのエネルギーによって印刷された材料が溶解されます。ただし、PBF とは異なり、堆積ポイントは x 方向と y 方向に固定されていないため、構築される表面やエネルギー源は構築設計に応じて移動します。 DED とのもう 1 つの違いは、部品層の構築をほぼどの方向でも実行できることです。これは、2 つの積層造形技術の最大の違いでもあります。
したがって、PBF と DED はどちらも材料を溶かして設計された形状に融合する方法であり、どちらも複雑な形状を形成できます。違いは、材料の導入方法と部品の各層の形成方法にあります。これにより、金属積層造形技術と、2 つの主要な AM 分類技術である PBF と DED についての理解が深まることを期待します。

AM テクノロジーの仕組みがわかったので、このテクノロジーが鋳造や鍛造の方法に比べて多くの利点を持っていることは容易に想像できるでしょう。例えば、AM 技術では、金型を使わずに、非常に複雑な形状の部品も含め、さまざまな方向に部品を造形できるほか、異なるデザインの部品を同時に造形したり、複数の部品を 1 つに結合したりすることも可能です。この製造技術の可能性は無限であるため、製造された部品に対して高品質の検査を実行する能力も確保する必要があります。

非破壊検査方法<br /> AM の現在の検査方法は、鋳造や鍛造の検査方法と多くの点で似ていますが、一般的に部品は目視、寸法、外部と内部でテストされ、必要に応じて表面仕上げもテストされますが、多くのコンポーネントが統合され再設計されるため、検査方法が完全に異なる場合もあります。複数のパーツが 1 つのパーツに簡略化されるマージパーツは、複数のパーツのジオメトリを 1 つの新しい設計に結合するため、特に重要です。 AM が広く受け入れられるようになるにつれて、検査コミュニティはそれに追いつき、製品の完全性が最高品質レベルで維持されるようにする必要があります。

非金属積層造形技術前述の通り、AM製品は鋳造や鍛造品と同様の検査を受ける必要があります。それでは、これらの検査の詳細を見ていきましょう。

代表的な外部表面検査には、蛍光浸透探傷試験技術 (PT)、目視検査技術 (VT、通常は最大 10 倍に拡大)、表面粗さおよび寸法検査などがあります。寸法測定は、ゲージ、座標測定機 (CMM)、白/赤/青光スキャナーを使用して行うことができます。一般的な内部検査には、放射線検査 (RT)、電磁気検査 (ET)、超音波検査 (UT) があり、場合によってはコンピューター断層撮影 (CT) も行われます。

製造方法に関係なく、各検査の目的は同じです。鋳造と鍛造は、部品全体を一度に形成する全身製造方法です。 AM 製品は、システムと材料に応じて、通常 0.001 ～ 0.003 インチの厚さの層で構築されます。この違いにより、AM 製品の検査に注意を払い、専門的な検査に潜在的に異なる重点を置くことが重要である理由が決まります。

従来の非破壊検査は AM 部品に対してもほぼ同じ効果を発揮しますが、AM 製造方法によって従来の非破壊検査技術に新たな制限も生じます。これらの制限は主に表面粗さと薄層構造によって生じます。一部の AM 部品の表面粗さは (少なくとも特定の領域では) 非常に大きいため、浸透探傷試験、目視検査、電磁気検査、超音波検査が困難になります。粗さにより、目視による観察が困難かつ主観的になり、一部の接触プローブ法の実行も困難になります。

これらの特定の検査方法の限界を理解して、ほとんどの AM サプライヤーは放射線による内部検査方法に目を向けるようになりました。現在、多くの AM メーカーが選択する方法として、放射線検査 (RT)、特にデジタル RT (DR) とコンピューター断層撮影法が採用されています。これらの検査技術は、製品の重大な欠陥を検出するだけでなく、内部形状を確認するためにも使用できます。その中で、CT 技術は幾何学的検証も実行できますが、DR 技術は大まかな欠陥検出においてより多くの利点があります。しかし残念なことに、どちらの方法も単一レイヤーレベルで欠陥を特定するほどの感度はありません。

AM 部品を層ごとに構築/印刷すると、鋳造や鍛造では形成されない不連続性が生じます。各層はそれぞれ欠陥の影響を受けやすく、また各層の厚さが薄いため、検出感度や解像度が非常に重要な要素となります。 DR 技術と CT 技術は感度が異なり、AM 製品で生成される大きな欠陥に適していますが、ビルド層の厚さは最高 X 線解像度レベルの約 1/3 であるため、X 線は 3 層の厚さのサンドイッチをキャプチャします。解像度の問題に加えて、形状と密度によっても両方の方法がある程度制限され、DR および CT 技術の結果の解釈が非常に主観的かつ信頼性の低いものになる可能性があります。厚い壁、内部の空洞、半径、単純な平面などは、従来の NDT 方法を制限する重要な要因の一部です。

すべての外部検査は表面粗さによって制限され、内部の放射線検査も解像度が低いために非常に制限されます。これまで、ほとんどの企業は破壊試験された冶金サンプルを使用して、製造された各製品の完全性を検証してきました。しかし、これらのサンプルは製品全体と同じビルドプレート上に同じ条件下で構築されますが、1 つの引張サンプルがすべての部品を代表することはできるでしょうか?この部分は他の部分と全く同じですか?

プロセス補償共振技術<br /> 私たちは現在、現在の標準技術でほとんどの業界が直面している問題を理解しています。必要なのは、部品の構造的完全性に基づいて、AM で製造された各部品を定量的に検査および評価できる検査方法です。現在、このタイプの検査を提供できるオプションは多くありませんが、検討する価値のあるものの 1 つがプロセス補償共振技術 (略して PCRT) です。

PCRT は AM 研究において大きな可能性を秘めた手法です。これは、部品全体の材質/完全性/寸法状態に非常に敏感な、固有周波数技術としても知られる部分共振を使用した全身検査方法です。この技術は、コンポーネントの性能や材料特性に悪影響を与える可能性のある、構造的に異なるコンポーネントを識別するために使用できます。統計処理とパターン認識ツールを使用して欠陥部品を識別し、内部検査と外部検査の両方の技術です。

PCRT 検査データは、各部品が製造された後に監視して、所定の許容範囲または許容値を満たしていることを確認するために使用できます。また、特定の欠陥タイプやサンプル内のシミュレートされた欠陥を検出するように「教える」こともできます。 PCRT 分析は、許容可能な部品のばらつきや、多孔性や不十分な融合などの許容できない欠陥状態などの例によって学習したり、応答を予測するようにモデル化したりできます。その後、モデル化された応答を検査アルゴリズムにプログラムして、検査員が既知の構造上の問題を非常に迅速に検出できるようにします。

積層造形技術におけるプロセス補償共鳴技術の利用。画像提供：Vibrant
PCRT は、どのサンプルが公称参照サンプルと異なるかを報告できますが、この技術は通常、欠陥の位置を特定したり、サイズを定量化したり、欠陥の特性を評価したりするために使用することはできません。 PCRT は、DR および CT 技術では検出できない可能性のある単層欠陥を持つ部品を同じビルドプレート内で分離するために使用できます。

いくつかの積層造形研究では、PCRT は AM 部品の許容できない多孔性、亀裂、不十分な融合領域、その他の欠陥を検出するために使用されています。また、これは比較的高速なプロセスです。 1部品あたりの測定時間は30秒～3分なので、全数検査としても使えます。化学薬品の使用を必要とせず、エネルギーや材料の廃棄物も発生しません。 PCRT は、ビルドプレートから取り外す必要がある個々の印刷コンポーネントをテストします。

PCRT 検査は、複雑な形状を持つ商用航空宇宙アプリケーションですでに使用されており、検査および部品交換コストを削減しながらコンポーネントの信頼性を向上させ、付加製造された製品検査の未来を切り開く可能性があります。

結論<br /> 現在一般的に使用されている一連の検査方法では、必要な個々のコンポーネントの検証は行われず、業界では現在、材料の部品バッチが要件を満たしていることを確認するために、代表的であると考えられる引張試験片に依存しています。 PCRT は現在、定量化されたテスト結果、プロセス監視のサポート、品質保証、継続的な改善など、生産準備が整った製品に対する 100% テストオプションを提供することで、これらのニーズを満たすことができます。

グレゴリー・ジェームズ・ウィーバー著
翻訳元: qualitymag
翻訳者: ヴィンス

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