3Dプリント非破壊検査の現状

3Dプリンティング技術（積層造形技術とも呼ばれる）の出現は、21世紀の機械製造業の分野における時代を超えた技術革新と考えられており、現代社会に多大な影響と衝撃をもたらしました。従来の機械製造技術、すなわち減法製造技術（切削など）や等材料製造技術（鍛造、鋳造、粉末冶金など）と比較すると、3D プリント技術には比類のない利点が数多くあります。しかし、3D プリントされた製品には多くの欠陥がある可能性もあります。製品を破壊せずに品質を管理するには、非破壊検査を行う必要があります。

1. 3Dプリント製品の非破壊検査の現状

3D プリント製品の製造および使用中に、特定の欠陥の発生と拡大は避けられません。 2000 年、米国空軍研究所、英国バーミンガム大学、マンチェスター大学は、それぞれ TC4 および 316L ステンレス鋼のレーザーラピッドプロトタイピング部品の内部に気孔と融合不良の欠陥を観察しました。したがって、この技術で製造された部品の表面および内部品質検査と受入評価のための主要技術の開発は、エンジニアリングにおけるこの技術の応用展望を直接制限します。

現在、国内外の研究者らは、この側面の応用についていくつかの研究を行っており、主に内部欠陥の特徴と原因の研究に重点を置いているが、まだ完全で有機的な体系は形成されておらず、推進して完了する必要があるフォローアップ作業がまだ多く残っている。

研究によると、3D プリント材料の欠陥のさまざまな特性に基づいて、3D プリントの欠陥の主な原因は次の 2 つの側面にまとめられます。

① 材料特性に起因する欠陥、主に気孔など、3Dプリント特性パラメータの最適化では解決できない材料特性に起因する欠陥。
②特性パラメータに起因する欠陥、つまり3Dプリントにおけるプロセスパラメータや設備に起因する欠陥は、特性パラメータに起因する欠陥と呼ぶことができ、主に穴、反り、球状化、未溶融粒子の存在などが含まれます。

2007 年、ノースウェスタン工科大学の研究者らは、3D プリントされたチタン合金製品の欠陥形成メカニズムに関するさらなる研究を実施しました。気孔の形成は粉末材料の特性（主に粉末のゆるい密度）に依存することが分かりました。形成された気孔は球形で、材料内にランダムに分布しています。粉末の流動性や酸素含有量は気孔の形成に影響を与えません。融合不良の形成は、成形特性パラメータが一致するかどうかに依存し、その中で最も重要な影響要因は、エネルギー密度、複数のパス間の重なり率、および Z 軸単層移動です。気孔は不規則な形態、粗い内壁を持ち、層またはパス間の重なり部分に帯状に分布することがほとんどです。

2011年、華中科技大学の研究者らは、選択的レーザー溶融法で形成されたステンレス鋼部品の性能に対する粉末特性の影響について詳細な研究を実施しました。粉末の粒子サイズ、形状、酸素含有量が部品の成形品質に大きな影響を与えることがわかりました。一定の範囲内で、粒子サイズが小さいほど、成形品の密度が高くなります。ただし、粒子サイズが小さすぎると、粉末の流動性に影響し、成形品の品質が低下します。

2011年、尚暁峰らは、プロセスパラメータ、設備性能、材料特性の観点から製品に形成される欠陥を研究し、粉末供給の遅れが堆積不足または堆積過剰を引き起こし、成形寸法精度の低下に直接つながることを発見しました。比エネルギーは粉末固着の根本原因であり、比エネルギーが異なると冷却速度も異なります。比エネルギーが高いほど、冷却速度は速くなります。冷却速度が速すぎると粉末粒子が完全に溶融せず、溶融していない粉末粒子が成形品の表面や側壁に付着し、成形品の表面品質が低下します。

2013年、スペインのカタルーニャ工科大学の研究者らは、高周波（45MHz）自動水中浸漬超音波技術を使用して、金属粉末材料の密度、亀裂、未融合の検出と特性評価に関する研究とテストを実施しました。研究によると、超音波検査は、3Dプリント製品の内部品質検査や稼働中の検査に使用できるだけでなく、信頼性の高い品質実証ツールとしても開発でき、3Dプリント製造プロセス研究の補助ツールとして使用して、技術の向上と革新を導くこともできます。

2014年、オーストラリアのモナッシュ大学の研究者は、マルチカラーX線技術を使用して、選択的にレーザー溶融されたハステロイ耐腐食性ニッケルベース合金製品のX線検出感度に関するテスト研究を実施しました。この研究では、X線検出の解像度は材料の厚さに関係しているだけでなく、欠陥の位置とも大きな関係があることが示されました。厚さ2mmの製品の場合、X線検出の解像度は0.2mmですが、厚さ10mmの場合は2mm未満です。

2. 3Dプリント製品の非破壊検査の展望（1）3Dプリント用原材料の検査
3Dプリントの原材料は粉末や線材であり、従来の板材、棒材、鍛造品などと形状が大きく異なります。そのため、その物理的・化学的特性の試験・検査項目は従来の減算加工技術の原材料とは大きく異なり、機械的特性や金属組織などの項目は実施できません。粉末材料では、化学組成分析に加えて、粒子サイズ、粒子サイズ分布、形態、粒子内の空隙などのパラメータに重点を置く必要があります。

（２）3Dプリント製品の超音波検査

非破壊検査の方法は、材料の内部欠陥の検出と特性評価に限定されず、材料の密度、弾性パラメータ、多孔度、残留応力分布、およびさまざまな内部不連続性の非破壊検査と特性評価も実現できます。プロセス全体で、高速で非破壊かつその場での結果を達成できるため、研究開発と生産サイクルの短縮と材料コストの削減にプラスの意義があります。

たとえば、超音波検査は、3D プリント製品の残留応力の分布をリアルタイムで監視して反りや割れを防ぐために準備プロセスで使用されます。製品の研究開発段階では、超音波検査とデジタルコンピューター技術を組み合わせることで、製品に対応する密度、弾性パラメーター、多孔度を提供でき、製品の研究開発プロセスの改善とアップグレードを導き、サンプルの準備とより高品質の 3D プリント製品の製造において「灯台」の役割を果たします。

3Dプリント材料の粒界構造の微細化により、超音波検査の関連条件を改善・拡大する必要があり、超音波検査の高周波化と定量化の傾向がより顕著になります。

（３）３Dプリント製品の放射線透過試験

X線検出は、複雑な部品の検出において当然の利点があります。これに基づいて、X線は必然的に3Dプリント製品の検出においてより重要な役割を果たすことになります。将来的には、高解像度の産業用CTとDR技術の助けを借りて、X線検出は3Dプリントの発展においてより大きな役割を果たすでしょう。

将来、工業用X線技術の3Dプリントへの応用は、デジタルコンピュータ技術の発展と統合され、検出結果の優れた直感的な表示という利点を持つと同時に、エッジ強調やスムージング技術も組み込まれ、画像の詳細を向上させ、画像ノイズの低減、グレースケールコントラストの調整、疑似カラー処理などを実行できるため、製品の内部不連続性の検出率を向上させることができます。

さらに、物理モデリングにも努力が必要です。関連する物理モデルを構築することで、3Dプリント材料における光線の作用メカニズムを研究することができます。現在のDR技術の助けを借りて、より客観的な定量的研究を実施し、製品内部の残留応力分布レベル、材料の多孔性などを特徴付け、材料の品質レベルを総合的に評価することができます。

現在、3D プリントされたサンプルに特化した X 線検査のアプリケーションはほとんどなく、主な評価手段と方法は依然として他の同様の鍛造品や鋳造品の検査プロセスに基づいているため、この分野の研究を開発および拡張することは非常に重要です。

試験技術の面では、サンプルの製造プロセスを完全に組み合わせ、その特殊性に基づいて一連の一致する試験方法とシステムを構築する必要があります。使用法と許容レベルに関しては、その微細構造の特殊性を考慮し、さまざまな側面の許容パラメータを調整する必要があります。

（４）３Ｄプリント材料の微小領域の非破壊評価

3Dプリント製品の信頼性を確保するためには、研究・準備過程で3Dプリント製品の材料特性を徹底的に分析し、さらに材料の微小領域の構造と特性、微小領域の再結晶、カーケンドールボイド、成形過程における内部応力の発現挙動、内部構造形成則、内部欠陥や損傷形成メカニズムなどを理解する必要があります。そのため、ミクロンレベル以上の分解能でミクロン、ナノメートルスケールの非破壊評価技術を開発し、材料の微小領域の機械的、電気的、磁気的、熱的特性を3次元的に画像化して評価することは、音響学をはじめとする分野共通の課題となっています。

（５）3Dプリント製品の早期損傷評価

3Dプリント製品の早期損傷評価も、非破壊検査技術の発展の方向となります。製造プロセスと状態予測の一環として、損傷評価技術は設備システム全体の安全な動作に直接影響します。そのためには、既存の機器をベースにさらに安定性と感度を高めた機器や装置を開発し、遠隔評価を実現する必要があります。

さらに、健康モニタリングアプリケーションと「ビッグデータ」技術を組み合わせて、リアルタイムの遠隔非破壊モニタリングを実現し、あらゆる種類の傷害を未然に防ぐことにも注意を払う必要があります。

出典: 非破壊検査、第38巻、第6号、2016年著者: リン・ソン、上海材料研究所アシスタントエンジニア

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