用途

信頼性の高い接合部は、航空機コンポジット構造の運用寿命を左右するほど重要です。そのため、メンテナンスの際に接合部の品質を評価するためのNDT手法が開発されています。このアプリケーションノートでは、検査の信頼性を向上させるために最近開発されたいくつかの方法を精査します。

背景

航空機製造におけるコンポジットの使用は劇的に増加しています。ボーイング、エアバスなど主要な航空機メーカーは、その民間航空機においてコンポジットの使用を著しく増加させてきています。ボーイング787の胴体のほとんど全てがコンポジット製である一方で、エアバスA380とA350も多くのコンポジット構造を組み込んでいます。短距離用ジェットとビジネスジェットのメーカーも、コンポジットの使用を増やしています。F22戦闘機やA400輸送機のような軍用航空機でも同様の傾向がみられます。

航空機の構造は、衝撃と落雷にさらされるため、非破壊試験が損傷の迅速な検査に必要とされます。メンテナンスチェックの試験結果に一貫性を持たせるための方法と必要な測定機器は、世界中のNDT検査者が容易に使用できるものである必要があります。

航空機の構造に対する衝撃は、コンポジット構造に異なるタイプの損傷を与えます。損傷は、コンポジットパーツの特性、その組成、および密度に応じて様々です。コンポジットを積層した構造で衝撃によって発生した不良は、主として胴体の異なる積層間と翼の被膜の層間剥離です。しかし、衝撃は皮膜と補強剤間の剥離の原因ともなります。その様な剥離によって構造の完全性が著しく損なわれる可能性があります。積層構造はB787並びにA350の主として胴体を構成しています。


図1: 積層構造における層間剥離

ハニカムコア構造（NOMEX等）をカーボン皮膜の間に挟み込んだコンポジットのサンドイッチ構造は異なる対応の損傷を示します。衝撃の後には、以下のような不良が見受けられます：
タイプA - 外側CFRP皮膜の層の間の表面に平行な層間剥離
タイプB - 外側皮膜とハニカムコアの間の剥離
タイプC - 検査表面に平行な、割れたハニカムコア
タイプD - 平行な範囲内の潰れたハニカムコア
タイプE - 内側皮膜とハニカムコアの間の剥離
タイプF - ハニカムコア内の液体の侵入


図2: コンポジットのサンドイッチ構造内の損傷

解決策と機器

マルチモード音響接合試験

オリンパスNDTのBondMaster 1000e+は、送受信モード、機械式インピーダンス解析（MIA）および共振試験を使用して、コンポジット材料を検査するマルチモード超音波接着接合試験機器です。この測定機器は、殆どの既存の航空機で長く使用されてきていますが、最近新たな方法が開発されました。


図3: BondMaster 1000e+

送受信モードがハニカム構造を含むコンポジット材料の検査に使用されます。送信器はパーツ内に音響エネルギーを送信し、それは受信機で受信されます。正常な接合状態では、一部の音響エネルギーが構造のコンポーネントによって減衰します。プローブが接合不良の範囲上にある際は、受信機に返されるエネルギーの量が大きく、結果として信号が増大します。


図4: 接合試験ピッチキャッチモード

本手法の適用が最近開発されて、タイプEの不良の様な40mmのハニカム構造の下部の反対側に位置する非接合の範囲（25mm x 25mm）の信頼性のある検出が可能となりました。新たな異なる高電圧プローブが、エアバス航空機の高度で時間のかかる検査のために特に設計されました。この目覚ましい結果は、現在エアバスのサービス掲示板で参照できます。

従来型超音波試験

超音波はコンポジット構造の検査に最も広く使用されている手法です。幅広い種類の適切な超音波測定機器が利用可能です。一般的には、超音波はコンポジット積層構造内をよく伝播し,異常を極めて容易に検出します。残念ながら、サンドイッチ構造内では、超音波はコア構造が異種で低密度であるために極端に減衰します。したがって、サンドイッチ構造に超音波を使用するためには、より特殊な機能が測定機器に必要となります。

製造現場では、比較的高増幅度の超音波ビームがパーツ内を伝播し、反対側に設置した受信トランスデューサーで信号の減衰を計る通過伝達方法で大型のサンドイッチパネルを検査します。結果は一般的にはCスキャン画像で示されます。この手法は幅広く使用されており、極めて信頼性が高いです。しかし、メンテナンスの現場では、必要な航空機構造に両側からアクセスすることが不可能なため、この手法を使用することは不可能です。

いずれにしても、超音波によって内側と外側の皮膜の非接合、液体の存在および潰れたコアの検査が可能となります。低周波数トランスデューサーと反対側の壁の信号を追跡することが必要で優れた方法が使用されます。外側の皮膜の積層剥離および内側の皮膜とコアの剥離は、反対側の壁の信号の総合的な減衰という特徴で示されます。

内側皮膜とコアの剥離を検出する手法が最近開発されました。この技術は強力な矩形波パルスによって励起された際に検査対象構造内に共振を起こす、広帯域1MHzのプローブを使用しています。測定機器の受信機フィルターは構造の厚さに調整され、対応する半波長で作動します。剥離が存在すると構造の剛性が低下し、共振の波長が長くなって共振周波数が低下します。 内部構造上の25mm x 25mmの剥離は、この現象によって反対側の壁の信号の6から12dBの減衰の原因となります。


図5: 超音波共振手法の原理

EPOCH XT超音波探傷器は、その高電圧パルスと矩形波パルスの品質と選択可能なナローバンドフィルターによって、この手法に最適の測定機器です。

図6: EPOCH XT


フェイズドアレイ超音波試験

超音波フェイズドアレイ等の新しい技術も最近進歩しています。ポータブルで使用しやすいユニットが市場に出回っています。OmniScan PAは、コンポジット積層構造内の衝撃損傷検出を含む様々な用途において、航空機メーカーのメンテナンスマニュアルで既に使われています。

その様な構造では、リニアスキャンが使用されます。測定機器は、1回で広い範囲を対象とするゼロ度リニアインスペクションを実行します。グライダー等のポータブルスキャナーと組み合わせて使用し、システムは検査した構造の直感的なマップを提供するCスキャン画像内に結果を表示します。画像とスキャナーを組み合わせて使用することで、信頼性と検査のスピードが増します。

図7:コンポジット検査用のOmniScanフェーズドアレイおよびグライダースキャナー

ハンドヘルドCFRPダメージチェッカー

NDT技術者用に新たな方法と測定機器を作成することに多大な努力が払われてきた一方で、コンポジット構造を有する航空機の使用が増加することにより、空港における航空機の引き返し待ち時間に衝撃損傷を迅速に確認する必要が生じてきています。世界中の全ての空港にNDT技術者が居るわけではないため、衝撃による層間剥離の可能性の検出に技術者でなくても使用できる測定機器が設計されました。

35RDCは、新ボーイング787航空機およびその他のコンポジット構造の検査用に製作された簡便な「GOOD」「BAD」判定用超音波測定機器です。それはNDTの訓練を受けていないスタッフが、ソリッド積層構造上の表面化の衝撃損傷を検出するために設計されました。そのコンセプトは、十分な基礎を持つパルス／エコー技術に基づいてボーイングが開発し特許化しています。35RDCは、現在B787のStructural Repair Dataに使用されています。

図8: 35 RDC