華南理工大学白星旺付加製造トップジャーナル | 3D ポイントクラウドに基づくワイヤアーク付加製造の表面欠陥検出と定量評価!

出典: 溶接科学

ワイヤアーク積層造形法（WAAM）は、効率が高くコストが低いため、中型および大型の金属部品を迅速に製造するための経済的な選択肢であり、近年、学者や起業家から大きな注目を集めています。しかし、干渉やプロセスの異常により、各層が溶接面に堆積された後に、気孔や隆起などの欠陥が時々現れます。溶接ビードの欠陥の検出と定量評価は、堆積の成功とコンポーネント全体の品質を保証するために重要です。

最近、華南大学の白星旺教授のチームが「3D ポイントクラウドに基づくワイヤおよびアーク積層造形における表面欠陥の検出と定量評価」と題した最新の研究結果を Virtual and Physical Prototyping に発表しました。チームはマシンビジョン技術を使用して、WAAM 用の新しい欠陥検出および評価システムを開発しました。責任著者はBai Xingwang教授です。

研究者らが開発した新しいシステムは、溶接ビードの高さ曲線の 2D 曲率と溶接ビードの点群の 3D 曲率に基づく新しい欠陥検出アルゴリズムを組み合わせたものです。さらに、蓄積された点群から抽出された幾何学的特徴を使用して正常な溶接ビードプロファイルを再構築することに基づく欠陥評価アルゴリズムが開発されています。このシステムは、WAAM プロセス中に溶接ビードの形態を自動的に検出し、欠陥の位置、種類、量に関する重要な情報を提供して、効果的な中間層の修復を実現し、部品の品質を向上させます。

図 1. 欠陥検出の目的。
図 2. 欠陥検出および評価システムのフロー。
図3.欠陥評価結果。
主な結論

この研究では、WAAM プロセス専用に設計された表面欠陥検出および評価システムを提案します。このシステムは、溶接点群の幾何学的特性を分析することにより、表面欠陥の重大度を効果的に特定、分類し、定量的に評価します。以下の結論が導き出されました。

（１）幾何学的特徴に基づく欠陥検出および重大度評価の実現可能性が実証された。ハンプ欠陥の識別は曲率計算と高低差分析に依存し、孔と膨らみ欠陥のセグメンテーションは 3D 曲率分析に基づいています。実験結果によると、正確率は90.5%、適合率は92%、再現率は90.4%でした。

（２）欠陥の重大度の定量分析は、再構成された正常な溶接面から得られた点群と実際の欠陥を比較することによって達成される。この分析を容易にするために、欠陥面積、高さ、体積などのパラメータが計算されます。欠陥シミュレーション実験では、比較的大きな面積の誤差を除いて、ほとんどの誤差が許容範囲内であることが示されています。これらの調査結果は、その後の欠陥処理の基礎として役立ちます。

（３）欠陥検出の成功率は点群の密度と完全性と密接に関係している。点群の密度が高いほど、多孔性および突起欠陥の検出成功率が高くなる傾向があります。ただし、密度が高くなると計算の複雑さも増すことに注意してください。

このシステムは、WAAM プロセス中にその場で自動的に欠陥を検出できるようにし、継続的な品質管理と生産性の向上を実現します。しかし、ラインレーザースキャナーの精度には限界があるため、システムでは小さな亀裂欠陥を検出できません。この制限に対処するために、今後の取り組みでは、CCD カメラや超音波センサーなどの補助センサーを検出システムに統合することに重点を置く必要があります。この統合により、システムの欠陥検出機能が強化され、全体的な精度が向上します。これらの進歩を活用することで、このシステムは製造不良率を大幅に削減し、全体的な生産性の向上に貢献する可能性があります。

連絡先著者

白星旺、男性、1982年9月生まれ、博士、教授、湖南省の総合大学の若手中堅教師、機械設計・製造・自動化学部副学部長。 2014年9月、華中科技大学機械製造・自動化学科卒業。2016年12月から2017年12月まで、英国クランフィールド大学の客員研究員。彼は主に、金属や複合材料の付加製造、3Dプリントの産業応用、デジタルインテリジェント製造システムなどの教育と科学研究に従事しています。彼は、国家自然科学基金プロジェクト2件、湖南省自然科学基金プロジェクト1件、湖南省教育局研究基金プロジェクト2件、帰国留学生向けスタートアップ基金プロジェクト1件を主宰しました。彼は、「IntJHeatMassTransfer」、「IntJAdvManufTech」、「Journal of Mechanical Engineering」などの著名な学術誌に10件以上の論文を発表しています。発明特許3件、実用新案3件が認可されました。 2019年、湖北省技術発明第一位受賞（第3位）。

論文引用

Mengru Liu、Xingwang Bai、Shengxuan Xi、Honghui Dong、Runsheng Li、Haiou Zhang、Xiangman Zhou (2024) 3D ポイントクラウドに基づくワイヤおよびアーク積層造形における表面欠陥の検出と定量評価、Virtual and Physical Prototyping、19:1、https://doi.org/10.1080/17452759.2023.2294336

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