誘導波に基づく指向性エネルギー堆積積層造形法によって製造された薄壁構造物のための新しい圧電レーザー超音波監視/検出方法

出典: AM ホーム付加製造ホーム

金属積層造形プロセスでは、さまざまな原材料の形態（粉末、ワイヤ、シートなど）に基づいたさまざまな積層造形（AM）技術が登場しています。その中で、粉末原料の付加製造技術は、溶融池が小さく、印刷精度が高いため、より人気があり、粉末供給システムによって、主に粉末床溶融結合法（PBF）と指向性エネルギー堆積法（DED）の2つのカテゴリに分けられます。

選択的レーザー溶融法 (SLM) や電子ビーム溶融法 (EBM) などの PBF 技術では、粉末ボックスとブレードを使用して原材料を構築領域全体に広げ、集束したレーザービームによって金属粉末を選択的に溶融します。

DED 技術には、レーザー溶融堆積 (LMD) やレーザーエンジニアードネットシェーピング (LENS) などがあり、通常は同軸ノズルを使用して粉末とエネルギーを同時に対象領域に送り、部品を形成します。粉末層がないので、粉末除去の手順は必要ありません。 PBF と比較すると、DED は事前堆積粉末層を必要としないため、部品の修復やコーティングに適しています。さらに、DED は、異なる材料特性を持つ機能的な傾斜部品や複合部品の製造に広く使用されています。インサイチュー粉末混合機能と広い可動範囲により、ハイブリッド積層製造と減算製造に最適です。

DED プロセスには、材料の溶融、相変化、伝導/対流、粉末の相互作用などの複数の物理的フィールドが関係するため、製品の品質は、スキャン戦略、粉末供給速度、レーザー出力などのプロセスパラメータに敏感になります。不適切なパラメータは、さまざまな製造上の欠陥や製品の故障につながる可能性があります。これまでの研究では、DED プロセス中に、さまざまな要因により製造上の欠陥 (亀裂、多孔性、冶金結合の弱さ、融合不足、残留応力など) が発生する可能性があることが示されています。したがって、製造パラメータを制御し、欠陥が検出された場合に適切な処置をとるためのフィードバックループを実装するために、部品をチェックするための現場検査および監視方法を開発する必要があります。

非破壊評価 (NDE) 技術は、部品に損傷を与えることなく、材料の特性評価、欠陥の特定、およびプロセスの監視に広く使用されています。近年、X 線イメージング、赤外線サーモグラフィー、発光試験、レーザーラインスキャン、超音波検査 (UT) など、さまざまな非破壊検査技術が DED プロセスの欠陥検出に使用されています。その中でも、UT は、高効率、高い浸透深度、材料損傷に対する高い感度などの利点により、大きな発展の可能性を秘めています。

非接触レーザー超音波 (LU) 検査法は、AM プロセスの検査と監視のためにいくつかの研究グループによって開発され、適用されてきました。たとえば、LU は、レイリー波を使用して DED によって生成された 316L 鋼サンプルの欠陥を検出するために使用されます。既存の文献では、DED プロセスの現場およびオンライン監視に超音波法を使用することの重要性と実現可能性が強調されています。

積層造形の超音波検査に関する文献のほとんどは、バルクサンプルに焦点を当てています。積層造形によって製造される部品のもう 1 つの重要なカテゴリには薄壁構造があり、この部分では DED が従来のフライス加工や機械加工技術よりも優れていることが実証されています。 DED が製造する薄肉構造は、タービンケーシング、ヘリコプターエンジンの燃焼室、ガスタービンの排気管などに応用されています。エンジニアリングアプリケーションに加えて、積層造形コミュニティの研究者は、欠陥形成メカニズムを研究し、新しい DED 技術を開発する際に、薄壁構造をテストサンプルとして使用することがよくあります。薄壁構造は、バルク構造よりも、小さな欠陥、層の亀裂/剥離、壁の座屈の影響を受けやすくなります。薄壁構造の DED 製造をチェックするために、迅速かつ正確な現場検査および監視方法を開発する必要がありますが、これまでそのような構造に関する研究はほとんど行われていません。

超音波またはラム波は、エネルギーの減衰がほとんどなく構造に沿って伝播し、検査領域の 100% をカバーするため、壁のような構造の検査に特に適しています。これらの構造内の欠陥を迅速にスクリーニングして検査できます。歴史的に、ガイド波技術は、従来の石油/ガスパイプライン、航空機の翼構造、複合パネルなどの検査や監視に効果的に適用されてきました。

これを基に、香港科技大学の研究者らは、ガイド波を使用してDED薄壁構造を検出する新しい方法を開発しました。この方法では、基板に接着されたチタン酸ジルコン酸鉛 (PZT) 圧電トランスデューサーを使用して、導波管として機能し、基板に沿って薄壁に向かって伝播する誘導波を励起します。誘導波は印刷された薄壁部分に沿って伝播し、非接触レーザー振動計によって測定されます。基板壁構造におけるラム波の発生と伝播を迅速に予測するための波動モデルが開発され、数値的および実験的研究を通じて検証されます。次に、プロトタイプ検査システムを適用して、DED によって製造された完成した薄肉構造の欠陥検出性能を評価します。サンプルを保持するための 6 軸モーションステージはスキャン測定を実行するために使用され、実際の DED プロセス中のステージの動きをシミュレートします。この新しい方法は印刷環境に統合でき、DED プロセスの監視が可能になります。関連する研究結果は最近、物理学と天体物理学の第2分野のジャーナルであるUltrasonicsに掲載されました。

本研究で使用した幅40mm、高さ20mm、厚さ1.34mmの単層サンプルは、図1aに示すように、自社開発のDEDシステムによって製造されました。このシステムは、500 W マルチモード連続レーザー電源、同軸ノズル、粉末供給システム、光伝送およびフォーカスシステム、6 軸平行移動プラットフォーム、および自社開発のコントローラーで構成されています。

原料にはステンレス鋼316L粉末が使用され、球状形態でサイズ範囲は20〜50μmです。 316L粉末の公称組成を表1に示します。印刷システム全体に酸素含有量が多い製造プロセス中、薄壁内の選択された堆積位置に不均一な電力出力が事前に設定され、図 1b に示すように人工的な欠陥が発生します。亀裂の長さは約 1.5 mm と測定され、基板からの距離は約 15 mm でした。 DED 処理後に印刷された薄壁サンプルを基板とともに超音波テストに使用して、開発された検出方法を評価しました。

印刷された金属薄壁構造を迅速に検出するために提案されたガイド波検出システムを図 3 に示します。 PZT は、製造領域から離れた基板表面に永久的に結合されます。 PZT によって超音波が励起され、その波は基板を通して薄壁に導かれます。この構成では、誘導波の長距離伝播特性を利用して、DED マシンの動作を妨げることを回避し、高レーザースポットが超音波センサーの性能に与える影響を軽減できます。
選択した PZT の寸法は、図 4a に示すように、長さ 30 mm、幅 5 mm、高さ 0.5 mm です。 PZTと薄壁の間の距離は16mmです。中心周波数が 1000 kHz のハンウィンドウトーンバースト信号が波形発生器によって生成されます。この周波数値が選択されたのは、薄い壁上の強い A0 モードのラム波を測定できるためです。励起信号はパワーアンプによって増幅され、図 4b に示すように、壁の水平線に沿ってスキャンすることにより、レーザー振動計を使用して面外振動が測定されます。

検査ポイント 11 から 15 のウェーブレット係数は、欠陥位置の真下に位置し、他の検査ポイントよりも多くの損傷関連情報を持っているため、図 12a にプロットされています。注目すべきは、約 32.6 μs で、検知ポイント 11 ～ 14 から明らかな応答が観察されることです。これは、欠陥からの直接反射信号によるものと考えられます。さらに、37.4 μs 付近に顕著な応答が見られ、これは上壁境界から反射された波を表しています。検出地点13でも明瞭な谷間が観測された。これは、欠陥の影効果と壁の上部からの反射波が大幅に遮断されるためです。レーザー振動計測定はこの線に沿って行われるため、図 12b は欠陥の空間位置の損傷相関マップを示しています。
図 13a は、すべてのセンシングポイントからの結果をまとめ、B スキャン画像として直感的に表現し、欠陥の検出と位置特定を可能にします。入射波と欠陥からの直接反射波との間の時間遅延は 0.98 μs と判定されました。開発された理論モデルに基づいて、壁内の1000kHzでのA0モードの波動速度は3223m/sと計算されます。したがって、欠陥とスキャンライン間の距離は約 1.6 mm と推定されます。 6軸モーションステージと同期することで、ステージの座標データから壁面の各レーザー計測点の空間位置の情報をリアルタイムに取得します。スキャンラインが基板から 13 mm の高さにあることを考えると、壁内の高さ約 14.6 mm、長さ約 1.5 mm で欠陥を識別できます。さらに、入射波と壁の上部境界での反射波の間の時間遅延は 5.74 μs です。プレキャスト壁層の高さは約22.3mmと推定されます。これらの測定値は、実際に記録されたデータと密接に相関しています。

この研究では、DED-AM によって製造された薄肉構造の小さな欠陥を検出し、その位置を特定するための新しいガイド波ベースの検査システムを紹介します。

PZT アクチュエータは、製造プロセスへの影響を最小限に抑えながら、構築領域から離れた基板に永久的に接着されます。超音波は基板を通して薄い壁に導かれ、壁に沿って伝播するラム波に変換されます。非接触レーザー振動計は、薄い壁上のガイド波信号を測定するために使用されます。

基板や薄壁におけるガイド波の発生と伝播を予測するための波動モデルを確立し、数値シミュレーションと実験を通じてモデルの有効性を検証します。その後、このシステムは、DED によって製造された薄壁サンプルにおける粉末供給の不一致によって生じた欠陥を検出するために使用されました。測定の感度を高めるために周波数が選択されます。スキャンされたガイド波信号を分析することにより、スキャンされた画像から欠陥を検出して位置を特定することができ、欠陥の横方向の寸法も正確に特定されました。

現在、この研究は応用の可能性を示しています。新しいガイド波検出方法により、PZT をアクチュエータとして使用し、非接触レーザー振動計を受信機として使用することで、将来的には DED プロセスのオンライン検出と監視に使用できます。このシステムは DED 建築環境に組み込むことも可能で、建築プロセスを妨げることはありません。

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