海外先進積層造形非破壊検査技術の調査分析

航空宇宙分野では部品やコンポーネントの精度に対する要求が比較的厳しく、積層造形技術によってこれらの部品をより良く製造できるため、この技術は航空宇宙分野で広く使用されています。実際のアプリケーションでは、従来の方法で製造された部品に使用される破壊テストは、積層造形部品には適用できません。積層造形部品は、多くの場合、1 回限りで、製造コストが非常に高いためです。さらに、積層造形された部品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になります。

積層造形部品の独自性は製品品質検査に課題をもたらしますが、これはまさに NDE の使用に適しています。複雑な形状の部品は、従来の方法では検査が困難です。 NDE は、積層造形部品の固有の検査要件をすべて満たします。

通常、未完成の AM 部品の表面は粗いため、研磨が必要になります。 X 線コンピューター断層撮影 (CT) は、部品の深部内部の特徴や特性を評価するのに適していますが、X 線ビームに垂直な亀裂を検出できないという制限があります。しかし、NDE の方向性は、複雑な付加製造部品のテストを最適化し、標準化を達成できるだけでなく、非侵襲的なアプローチであるため、潜在的に費用対効果が高く、幅広く適用できるため、実行可能です。

NASA 積層造形非破壊検査

NASA は、3D モデルを通じて関連情報を取得するために使用されるカリーナ星雲の最初の完全な 3D モデルの作成など、積層製造技術の成功したアプリケーションを豊富に持っています。

たとえば、高性能 3D プリンターを国際宇宙ステーションに届け、宇宙 3D プリントミッションを開始するなどです。 NASA は 3D プリンターを使用して軌道上で物体を製造し、最終目標は宇宙で衛星全体を 3D プリントすることです。

- 積層造形における主要技術と測定課題

- 積層造形部品の品質評価

NASA の非破壊検査の主な技術は次のとおりです。

コンピュータ断層撮影

上図の左側はインデックスジョイント上部内壁のコンピュータ断層撮影画像、右側はTi-6AL-4V ASTRO-H絶縁冷凍部品の内部構造を示しています。

直接金属レーザー焼結技術を使用して製造された Pogo-Z バッフル、RS-25/J2-X ノズル、インジェクター、およびバルブ本体のコンピュータ断層撮影画像。

上の写真は、直接金属レーザー焼結アルミニウムゲージの裏面のレントゲン写真（左）とコンピューター断層撮影画像（右）を示しています。

上記の 3 つの図は、CT 測定によって、シミュレートされた内部欠陥だけでなく、アクセスできない内部の特徴も検出できることを示しています。

上の図は、Ti-6Al-4V 引張試験片とその熱間静水圧プレスの GRC コンピューター断層撮影画像を示しています。

CT 測定技術の制限要因は、X 線ビームに垂直な亀裂を検出できないため、欠陥を確実に検出できないことです。

浸透探傷試験

最新かつ最も代表的な NDE データの調査に基づいて、NDE の利点と限界、および対処して進歩させる必要がある特定の技術的課題が得られます。たとえば、積層造形部品の際立った特徴の 1 つは、従来の鍛造、鋳造、または成型部品に比べて多孔性が高いことです。

これらの部品の表面は不規則であったり粗かったりするため、表面欠陥の検出に使用される従来の非破壊検査方法を使用して積層製造された部品の検査を完了することは困難、または不可能です。たとえば、Ti-6AL-4V 試験片の PT および Pogo-Z バッフル加工面を見ると、特別な後処理 (機械加工と研磨) を行わずに AM 部品の多孔質領域や粗い領域を検査するには、PT は現実的な方法ではないことがわかります (次の 2 つの図を参照)。

上の写真は、液体ロケットのガス状水素/液体酸素 (GH2/LOX) インジェクター (左) と Pogo-Z バッフル (右) で開発中の Ti-6AL-4V の透過テストです。上図から、表面粗さによりバックグラウンドノイズが高くなっていることがわかります。

上の写真は、Ti-6AL-4V ASTRO-H 断熱冷蔵庫コンポーネントにおけるさまざまな背景浸透兆候の光学画像 (左) と浸透兆候の光学画像 (右) を示しています。

同様に、深い位置にある欠陥やアクセスできない欠陥の複雑な内部構造/格子構造を測定する方法を理解することは困難な作業になります。 PT、ET、UT など、CT の補完技術の有効性を制限する問題を克服するには、より新しく、より感度が高く、非接触の NDE 方法が必要であることは明らかです。

渦電流検査

積層造形部品のアクセス可能な部分の渦電流テストにより、従来の機械加工方法で製造された金属と非常に類似していることが実証されるはずです。 ET におけるあらゆる金属部品では、表面仕上げと粒子構造が重大な欠陥の発見に大きな役割を果たします。

構造化光

積層造形プロセスでは、連続する層の堆積中に形状と特性が変化する可能性があることを考慮すると、これら 2 つの部分の均一性とサイズの制御が極めて重要です。登場した非破壊検査技術の 1 つに、部品の精度を検証するために使用できる構造化光があります。

上の写真は、Pogo-Z バッフルの構造化光特性を示しています。

超音波スキャン

近赤外線カメラ測定による現場プロセス監視

制御とフィードバックの分野で最先端の研究に使用されている近赤外線イメージングとマシンビジョン技術が、EBF3 の品質向上に活用されています。利点としては、溶接プールの特性の測定と特性評価のための市販の NIR カメラの温度校正が挙げられます。さらに、その進歩は、複数のカメラ、リアルタイム追跡、フィードバックアルゴリズムなど、溶接形状の一貫性を向上させるために使用されるさまざまな方法にも反映されています。これらのシステムを実装すると、ステンレス鋼の直壁サンプルの一貫性が向上します。製造工程中に校正済みの近赤外線カメラを使用すると、製造された部品の欠陥を検出できることが実証されています。

GE アディティブマニュファクチャリング NDE

赤外線パルスサーモグラフィー

赤外線パルスサーモグラフィーは、サンプルや状況に応じて迅速かつ正確な評価を可能にする欠陥検出方法です。赤外線パルスサーモグラフィーでは、ランプを点滅させて極度の熱を発生させ、その熱が試料内に侵入して熱源として使用されます。熱が試料全体に拡散すると、赤外線カメラを使用して温度差を検出します。試料の欠陥部分は欠陥のない部分とは熱的に異なる反応を示します。赤外線カメラはこれらの違いを検出できるほど感度が優れています。

CTスキャン

GE が使用する CT スキャナーは Phoenix v|tome|x m300 CT スキャナーです。

CT スキャンでは、一連の 2 次元 X 線画像を使用して 3 次元部分を再構築します。 CIMP-3D のスキャナーでは、部品は機械の中央にあるターンテーブル上に配置されます。機械の右側にあるX線投影は、X線を照射する部分を通過して、左側のセンサーに戻ります。固体部分は X 線を遮り、センサー上に影を生成し、暗い領域が固体に対応し、明るい領域が空間に対応するグレースケール画像が生成されます。

データがキャプチャされると、再構築のために別のワークステーションにロードされます。処理する必要があるデータの量は膨大です。改修が完了すると、CIMP-3D の CT スキャンを担当する研究開発エンジニアが構築された部品の視覚的な分析を実行し、隙間や穴がないか確認することができます。実際のモデルを設計モデルの上に重ね合わせることもできるため、偏差を簡単に定量化できます。モデルは、任意の方向でレイヤーごとに探索することもできます。

さらに読む：「3D プリント製品の非破壊検査の現状と展望」

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出典: 3Dサイエンスバレー

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