【分析】積層造形技術における非破壊検査の研究の進歩

従来の機械製造技術では、精密鋳造や圧力鋳造などの複雑なワークピースの製造に鋳造が一般的に使用されます。同時に、鍛造や金型成形技術の発達により、製品の加工が困難になったり、製造が不可能になったりしました。したがって、産業の発展には、既存技術の大幅な改善や新技術の出現が緊急に必要であり、積層造形技術の出現は大きな意義を持っています。レーザー積層造形技術は、積層造形技術の最も代表的なタイプです。その成形原理によると、最も代表的なものはレーザー選択溶融（SLM）とレーザー金属直接成形（LMDF）です。レーザー選択溶融技術の原理を図1に示します。
1. 付加製造 現在、積層造形技術は工業生産において最もダイナミックかつ有望な技術の 1 つとなっています。減算法を採用した従来の機械製造技術と比較して、積層造形技術は、サイクルが短い、金型が不要、柔軟性が高い、材料や部品構造に制限がないなど、一連の利点があり、自動車、医療、エレクトロニクス、軍事産業、航空宇宙などの分野で広く使用されています。ハニカム、格子、またはその他の複雑な構造を使用することで、ワークピースの重量と機能パラメータを最適化し、壁の厚さを減らすことも可能です。すべての新しいテクノロジーと同様に、品質管理は重要な問題です。これまで、積層造形技術の品質管理問題に関する研究は十分に深化されておらず、非破壊検査は積層造形の品質管理レベルを向上させるための重要な技術です。本稿では、積層造形プロセスにおける欠陥の種類をまとめ、積層造形プロセスにおける非破壊検査技術の需要を指摘し、さまざまな非破壊検査技術の長所と短所をまとめることで、レーザー超音波技術の応用可能性を結論付けています。
2. 積層造形技術における欠陥の種類 典型的な積層造形ワークピースを図 2 に示します。積層造形は、工程によって、原材料、準備、後準備、サービスの4つの段階に分けられます。各段階では異なる種類の欠陥が存在する可能性があり、テストする必要がある内容も異なります。原材料でテストする必要がある主な内容には、粉末のサイズ、粒子の形状と形態、物理的および化学的性質、材料の供給が含まれます。準備プロセスでの主な検査内容は、応力状態、溶融状態、材料の性能、部品の歪み、気孔率、残留応力（外力や不均一な温度場を排除した後に物体に残る自己平衡内部応力）、過溶融深さ、溶融品質です。準備後の主な検査対象は、幾何学的形状の偏差、残留応力、製品の異方性、亀裂、気泡、介在物、表面欠陥、気孔クラスター、深く埋め込まれた欠陥、および気孔率（バルク材料の気孔容積が自然状態の材料の総体積に占める割合を指します）です。使用プロセス中に形成される欠陥には、主に表面欠陥、亀裂、変形が含まれます。レーザー積層造形におけるいくつかの典型的な欠陥を図 3 に示します。

その中で、亀裂、気孔、気孔クラスターなどの連続欠陥が最も危険であり、これらの欠陥は通常、ほとんどのワークピースに存在します。付加製造されたワークピースの際立った特徴の 1 つは、従来の鍛造、鋳造、または成形部品に比べて多孔性が高いことです。多孔性が増加すると部品の強度が低下する可能性があり、局所的な気孔クラスターは使用中に亀裂形成につながる可能性があり、微細気孔の存在は積層造形されたワークピースの動的特性（疲労など）を決定することがよくあります。同時に、一部の領域が急冷されると局所的な金属偏析が発生し、金属の結晶化プロセス中に特定の応力-ひずみ状態が生じます。残留応力が高くなると、変形、形状変化、微小亀裂の形成につながる可能性があるため、付加製造プロセス中に応力状態を監視することは重要な問題となります。

3. 積層造形技術における非破壊検査の要件 積層造形されたワークピースは通常、一回限りのものであり、製造コストが非常に高いため、従来の破壊試験は通常、積層造形されたワークピースの検査には適用できません。同時に、積層造形されたワークピースは層ごとに作成されるため、その特性を予測することがより困難であり、積層造形されたワークピースの品質検査に課題が生じます。ある意味では、非破壊検査は、ワークピースの完全性とサービス性能を損なうことなく、ワークピースの品質評価を完了することができ、積層造形されたワークピースの独自の検査要件を満たすことができます。

フルプロセステストでは、積層造形プロセス中に溶融状態の金属材料の特性を評価するために非破壊テスト方法を使用する必要がありますが、これは準備されたワークピースをテストするよりもはるかに困難です。同時に、テストプロセスは積層造形プロセスに干渉してはなりません。検出および制御機能の向上、リアルタイムの可視性の提供、製造環境の調整のために、AM 機器およびプロセスでは、改良された NDT センサーとコントローラーが必要です。積層造形によって製造された部品を直接設置に使用できるように、適格な部品の生産を改善するには、堆積プロセス中の材料特性のリアルタイム検査と決定が必要です。

AM ワークピースの品質を向上させるには、各 AM ワークピースの詳細な生成記録を提供しながら、部品を層ごとに監視し、部品の歪みや残留応力を制御または軽減するなど、システム全体の閉ループプロセス制御が必要になる場合があります。プロセス制御は製造前の原材料にまで及び、部品の微細構造、形状、品質を検証することもできます。製造プロセス中にプロセスパラメータが最適値から逸脱すると、処理されたワークピースのサービス性能が低下する可能性があるため、非破壊検査結果を通じて積層造形プロセスパラメータを評価する必要があります。評価される主なパラメータは、たとえば、アコースティックエミッション法で計算されたシステム偏差や、光学センサーによって測定された溶融池の深さです。

材料の非破壊評価には、原材料の非破壊検査、完成品の非破壊検査、欠陥影響監視、設計製品データベース、および物理的パラメータ参照標準の 5 つの主な要件があります。金属粉末のサイズ、粒子形状、微細構造、形態、化学組成、分子および原子組成などの原材料の非破壊検査では、これらのパラメーターを定量化し、最終的に完了したワークピースの非地球の一貫性を評価する必要があります。 IESおよび複雑な内部機能。製品の品質とパフォーマンスに対する製品の品質とパフォーマンスのパフォーマンスへの影響を理解するために、完成したワークの欠陥のタイプ、頻度、およびサイズを特徴付ける非破壊的なテスト方法を使用します。 ;物理的なパラメーター参照標準では、添加物の複雑なジオメトリ、深い埋め込み欠陥、および異なる微細構造（すべて）、非地球的参照機器を作成する必要があるため、添加剤の形状（すべて）の実現可能性を評価するための適切なフルサイズのワークが不足しています。

積層造形プロセスでは、起こりうる欠陥をリアルタイムで監視し、表面形態や準備温度の影響を克服し、積層造形プロセスに影響を与えずに非破壊検査技術を製造プロセスに統合する必要があります。また、処理された部品は、受け入れ段階と使用期間中に評価して、使用性能を判断する必要があります。さらに、部品のライフサイクル全体を通じて、材料の微細構造や形態の特性評価、原子や分子の微細測定、内部応力状態の特性評価などを行う必要があります。要約すると、さまざまな性質の欠陥をタイムリーかつ確実に検出し、これらの欠陥がどのように発生するかを監視することは、積層造形プロセスにとって非常に重要です。したがって、非破壊検査方法の使用は、材料、設計、および試験の要件を満たす必要があり、製造プロセス中の最適化、プロセス試験の実施、製造後の品質承認、サービス中の品質監視など、材料のライフサイクル全体にわたって使用できます。したがって、積層造形のすべての段階で非破壊検査を行う必要があることは明らかです。

4. 積層造形技術における非破壊検査技術の開発 非破壊検査の現在の技術には、主にコンピューター断層撮影、浸透検査、渦電流検査、超音波検査、赤外線カメラ測定などがあります。図4に示すように、音響放出を使用して3Dプリントを監視するための実験システムを示します。

X 線検査は産業界で幅広い用途があり、積層造形部品の多孔性、寸法誤差、その他の欠陥の検出に確実に使用できます。 X 線の入射角は検出される欠陥のサイズと形状に直接影響し、サンプルの厚さの 2% 未満の欠陥を明らかにすることができます。コンピュータ断層撮影ではすべてのサンプルを検査できますが、超音波検査と浸透検査はワークピースの表面を対象とします。 X 線コンピュータ断層撮影は、内部の欠陥や内部の特徴を検出する能力があり、閉じた気孔や高密度の介在物を検出することができます。同時に、コンピュータ断層撮影検出技術にも、X 線の明らかな体積効果など、一定の限界があります。同時に、X線ビームに対して垂直な亀裂は検出できないため、欠陥を確実に検出することができません。全体として、X 線コンピューター断層撮影は、積層造形製品の非破壊検査に強力な技術であり、材料の構造、形状分布、および欠陥の定量的なサイズを特徴付けることが可能です。

付加製造の顕著な特徴は、従来の鍛造、鋳造、または金型成形部品よりも多孔性が高く、これらの部品の表面が不規則で粗いため、表面欠陥を検出するための従来の非破壊検査方法を適用するのが困難になることです。浸透探傷試験は、固体材料およびその製品の表面および表面近傍の欠陥を検出する表面検査技術です。加工や研磨されていない多孔質または粗いワークピースを検出するために使用されます。複雑な内部構造や深部にある格子構造を測定することは困難であり、より新しく感度の高い非接触非破壊検査方法が必要です。

Dinwiddie らは、赤外線カメラを使用して、積層造形中に生じる多孔性、未溶融材料、溶融物の飛散などの欠陥を明らかにしました。彼らが開発した特殊な画像処理アルゴリズムでは、多孔性の定量的な記述は可能だが、検出可能な最小欠陥サイズは指定できない。ガット氏とハリス氏は、作業面から 135 mm の距離に設置された 508 ピクセル/インチの解像度を持つ CMOS カメラを使用しました。合成プロセス中、カメラは層ごとに写真を撮影し、特別に開発されたアルゴリズムで処理して各層の幾何学的パラメータを取得しました。層の写真から、気孔の幾何学的寸法を決定し、断面の形状偏差を計算できます。この方法の限界は、一方では外部表面の状態しか分析できず、内部を検出できないこと、他方では表面粗さが検出結果に重大な影響を与えることです。

Guan らは、EX1301 Michelson 光干渉断層撮影システムを使用して、選択的レーザー焼結ワークピースを評価しました。達成可能な 3D 画像の空間解像度は約 10 μm です (X 線の場合は 50 μm)。同時に、図 5 に示すように、中空部分、未結合部分、表面粗さを検出できます。ただし、この方法では大型のワークピースを検出できません。 Guanらは、光波の浸透深さは材料の吸収と反射の特性に依存し、反射された光波の空間的および時間的コヒーレンスは測定精度に影響を与えるため、この技術は非金属材料にのみ適用できると指摘した。この方法は、X 線コンピューター断層撮影と同じ感度を持ちますが、光断層撮影を使用して層ごとに成長プロセスを監視できます。

Rudlin らは、積層造形プロセスの検出のための渦電流法、レーザー超音波法、レーザー画像法を研究しました。実際、上記の 3 つの方法は、製造プロセスの検査にはまだ使用されていません。準備後の人工的な欠陥検出と、積層造形されたワークピースの表面近傍の欠陥の評価にのみ使用できます。レーザー熱画像法の原理は、赤外線カメラを使用してサンプルのレーザー加熱部分の熱画像をリアルタイムで撮影し、サンプル断面のレーザー加熱の不均一性を明らかにすることです。この方法は、表面下の欠陥を検出する際の感度が低く、実験では、直径0.6 mm、深さ0.2 mmの欠陥のみが確実に検出されました。図 6 に示すように、0.5 mm を超える深さでは、渦電流技術の検出感度は 0.4 mm ですが、表面近くの欠陥を検出する場合、レーザー超音波法とレーザー画像法の感度は 0.2 mm 未満です。

レーザー超音波検査は、高速スキャンに使用できる非接触検出方法です。金属組織断面における超音波の横方向と縦方向の異なる速度を使用して、サンプル内の超音波伝播の異方性を特徴付けます。レーザー励起干渉受信を使用する場合、波面パラメータを使用して表面近くの欠陥のサイズと深さを決定できます。通常、パイプラインとレールの完全性を確保するために溶接部の欠陥識別に使用されます。現在、金属サンプル内の粉末堆積のレーザー超音波検査の使用に関する研究はほとんどありません。レーザー超音波はレーザー源を使用して、簡単に制御できる波形と広いスペクトル範囲を持つ強力な超音波パルスを生成できるため、その空間分解能は圧電励起の 3 ～ 10 倍高くなります。同時に、レーザー誘起超音波パルスには振動がなく、パルス持続時間はPZTに比べて6～7倍短いため、死角が小さく、より高い解像度と感度を実現できます。現在、レーザー超音波による150～500μmのサイズ範囲の不連続欠陥の検出深度は700μmに達しますが、深度が300μmを超えると感度が大幅に低下します。レーザー超音波を積層造形製品の多孔性や異方性の検出に使用する研究はまだほとんど行われていません。要約すると、レーザー超音波は積層造形の非破壊検査に大きな可能性を示していますが、製造プロセスと統合する必要もあります。この方法を使用して、積層造形プロセスを層ごとにリアルタイムで監視することを検討してください。

また、残留応力の測定方法は、物理的測定方法と機械的測定方法に分けられます。機械的測定方法は通常、溝入れや穴あけなどの破壊的な方法です。残留応力の検出に使用できる非破壊検査方法には、主に磁気法、X線回折法、超音波法などがあります。そのうち、磁気法は強磁性体の飽和過程における応力と磁化曲線の関係の変化に基づいており、一定の範囲内で使用されています。X線法は理論的には完璧ですが、放射線による損傷があり、表面応力しか測定できず、特定の位置の格子歪みを測定することが難しいため、その応用は大きく制限されています。超音波法は非破壊検査方法の中で最も有望な方法であり、現場での測定が速く、便利で、表面と内部の残留応力の両方を測定できるという特徴があります。特に、レーザー超音波技術はより大きな応用可能性を秘めています。

5. 積層造形非破壊検査技術の展望 積層造形における非破壊検査の適用には多くの問題があります。非破壊特性評価では、小さな気孔、固有の欠陥、複雑な幾何学的寸法、複雑な内部特徴を記述する必要があります。NASA が積層造形を完全に受け入れていない主な理由の 1 つは、積層造形プロセスにおける十分な非破壊評価方法がまだ不足していることです。

材料や製品の欠陥については、材料堆積の高速画像化やリアルタイム測定、不連続な温度勾配、空隙、介在物のその場検出など、非破壊検査方法におけるその場検出は現時点では完璧ではありません。さらに、現在の制御方法では、積層造形されたワークピースの微細構造に対するセンサーフィードバック制御を実現できません。応用上のこれらの問題を解決するには、材料の欠陥を最大限に検出するための現場非破壊検査技術を開発し、実装する必要があります。非破壊検査方法によって測定されるプロセスパラメータには、オンライン搬送、粉末密度、変形、残留応力、構造構成、吸収電力、亀裂、気孔などが含まれます。

非破壊検査技術を現場検査ツールとして適用する上での障害となる問題は次のとおりです。
1) 急速な溶融と冷却により、微細な欠陥をリアルタイムで監視することが困難になります。
2) 非破壊検査方法は、室内気圧やレーザー保護安全システムなど、積層造形環境に必要な条件を維持する必要があります。
3) ほとんどの AM 装置は、NDE センサーを簡単に統合できるように設計されていません。NDE センサーの挿入が AM プロセスに影響を与えないように注意する必要があります。
4) ほとんどの付加製造装置は公開的に制御できません。

つまり、積層造形技術の非破壊検査の研究には、まだやるべきことがたくさんあります。積層造形技術自体の欠陥の特徴と形成メカニズムを蓄積する必要があります。また、これらの欠陥に対する非破壊検査技術の応用や、積層造形装置と非破壊検査装置の統合についても、研究すべき問題がたくさんあります。現在、積層造形装置の主な障害は、既存の非破壊検査方法と技術が、製造プロセス中の積層造形材料検査や部品検査に使用できないこと、またはその場での検査に使用できないことです。同時に、従来の非破壊検査技術を使用して積層造形で製造された部品を検査することは、依然として困難です。

6. 結論 積層造形技術プロセスの各段階には、非破壊検査に関する明確な要件があります。十分な非破壊検査方法の欠如が、積層造形技術のさらなる広範な応用を妨げる主な理由です。現在存在する主な問題は、一方では非破壊検査技術自体の適用限界であり、他方では積層造形と非破壊検査装置の統合問題である。

積層造形プロセスに存在する可能性のある欠陥に加えて、残留応力も監視する必要がある対象です。多くの非破壊検査方法の中で、レーザー超音波技術は、残留応力の検出や積層造形欠陥の検出など、最も大きな応用可能性を秘めています。

この研究は、山東省自然科学基金（ZR2017QEE002）、山東省革新産業クラスタープロジェクト（2016ZDJQ0401）、および国家労働安全重大事故防止・制御重点技術科学プロジェクト（2017GC10268）の支援を受けて実施されました。

著者: 陳建偉、趙楊、朱楊、劉帥、馬建

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