簡易CFRP超音波探傷システムの開発 "PXIシステムを使用したことで、短い開発期間（2カ月）で開発費の大幅な削減（探傷システムは通常1000万円かかる）と設計自由度の向上が可能になった。" - 松崎亮介氏, 東京工業大学課題: 従来は超音波探傷専用にシステムが組み込まれて販売されていたが、非常に高価であり、またシステムの変更が容易でないことが問題となっていたため、より汎用性の高い測定システムを構築する。ソリューション: National Instruments 社のPXIシステムを用いて実現。ユーザ事例の続きを読むお客様名: 松崎亮介氏 - 東京工業大学 1.　背景非破壊試験（Nondestructive test、 NDT）あるいは非破壊検査は、材料や製品を破壊せずに、欠陥の有無、その存在位置、大きさなどを調べる試験であり、非破壊試験の結果から、JIS規格などに定められた判断基準に従って構造物が健全であるかどうかを判断する。非破壊検査する手法として、超音波探傷試験（Ultrasonic test、 UT）がよく用いられる。超音波探傷とは、超音波を種々の材料や溶接部の中に入射して、欠陥による反射、散乱を利用して、欠陥の有無、大きさを調べる試験方法である。本実験では複合材料積層板はく離の超音波探傷試験を実施し、機器の構造健全性を保証することを目的とする。 2.　課題超音波探傷法は、超音波を用いて材料中の欠陥を探す方法であり、一般に超音波の反射を利用したパルス反射法が用いられる。このパルス反射法を用いた超音波探傷試験は、超音波パルスを試験体の表面（探傷面）から垂直に伝わせる垂直探傷試験と、ある角度を持たせて斜めに伝わらせる斜角探傷試験が主に行われ、試験体の形状や検査をする箇所により使い分けられる。垂直探触子から入射した超音波パルスは、探傷面と垂直な方向に試験体の中を伝搬していく。このとき超音波パルスは、ある限られた方向に、限られた範囲（幅）で、ビーム状に試験体内を伝搬して行き、反射源に当たると戻ってくる。戻ってきた超音波パルス信号（反射波）をエコーといい、これらは探傷器の表示器上に探傷図形として表示される。ここで、探傷図形の縦軸は反射波の強さ（エコー高さ）を示し、横軸（時間軸）は反射源までの距離（ビーム路程W）を示している。横軸目盛りのフルスケールを測定範囲という。探傷図形には、超音波の送信パルスT と、きずからのエコーF、試験体底面のエコーBが表示されている。横軸の0 目盛りは試験体の表面に調整されているので、きずエコーF のビーム路程WFからきずの深さ位置が、底面エコーのビーム路程WBから試験体の板厚がわかる。炭素繊維強化プラスチック（CFRP）積層板の層間はく離を非破壊検査対象とする。 CFRPは炭素繊維に樹脂を含浸させたプリプレグとよばれる厚さ0。2mm程度のシートを多数積層したのち、硬化させることで成型する。繊維方向に比べて板厚方向の強度（層間強度）が著しく低いため、工具落下などの衝撃により容易に層間にき裂が発生し、圧縮強度・剛性の低下を引き起こし問題となっている。実験では、 JIS K7078 に準拠して炭素繊維強化プラスチックの層間せん断試験を実施することで、 CFRPに層間はく離を発生させる。従来は超音波探傷専用にシステムが組み込まれて販売されていたが、非常に高価であり、またシステムの変更が容易でないことが問題となっていた。より汎用性の高い測定システムを National Instruments のPXIシステムを用いて構築する。 3.　ソリューション 3-1.　システム構成超音波探傷試験には探傷器（波形送受信、波形の表示および調整）と探触子が必要である。探傷器として図1に示す National Instruments 社のPXIシステムを用いて波形送信に 100MS/s、 16ビットの任意波形発生器PXI- 5421を、波形受信に 100MS/s、 14ビットデジタイザPXI-5122 を用いる。波形の出力・取得はPXIシステム上の LabVIEWプログラムから実行する。探触子には Panametrics- NDT社の5MHz 探触子C543SMを用いる。図1 に装置外観、図2にブロックダイアグラムを示す。図1　CFRP超音波探傷システム外観図2　CFRP超音波探傷システムダイアグラム 1/4 www.ni.com 3-2.　結果下記の要領で探傷を行った。 1. 送信パルス波形状をエクセルで作成する。公称周波数 5MHz、サイクル数1。5～3、振幅 1のsin波形とする。ただし、このパルス波を探触子に加えてエコー受信すると波の始まりと終わりの振幅が乱れる。そこで、次式に示すハニング窓を掛けたものを入力波形とする。区間は[0、 1]とする。 2. 波形受信のためのトリガー設定を行う。 3. (3) 超音波を探触子から試験体に効率よく伝えるため、炭素繊維強化プラスチック積層板の表面に超音波用接触媒質（グリセリンペースト）を塗布する。 4. パルス波を積層板に対して送信し、底面波、反射波が正しく得られているか確認する。 5. 探触子を試験片端部から長手方向に2 mmずつ移動させ、各点において超音波探傷波形を取得する。次に幅方向に 2 mm移動させ再び長手方向に2mm ずつ走査を行う。試験片全体を走査するまで繰り返す。結果、短い開発期間（2カ月）で開発費の大幅な削減（探傷システムは通常 1000万円かかる）と設計自由度の向上が可能になった。図3　入射波形（任意波形発生器 PXI-5421により送信、14ビットデジタイザ PXI-5122で受信） 2/4 www.ni.com 図1　CFRP超音波探傷システム外観図2　CFRP超音波探傷システムダイアグラム 3/4 www.ni.com 図3　入射波形（任意波形発生器 PXI-5421により送信、14ビットデジタイザ PXI-5122で受信）法律関連事項このユーザ事例（この「ユーザ事例」）はナショナルインスツルメンツ（「NI」）の顧客によって作成されたものです。このユーザ事例は「現状のまま」提供され、一切の保証を伴いません。また、このユーザ事例の使用については、本サイトの使用条件でより具体的に記載されているとおり、一定の制限を受けます。 4/4 www.ni.com