ABSの超音波スキャン技術、船体検査の安全性を向上

ABSグループが超音波スキャン技術でターゲットとする市場の一つはボート修理業界で、表面からは見えない損傷や欠陥を評価できます。（画像：Getty Images）

160年の歴史と宇宙技術の転用

非営利団体アメリカン・ビューロー・オブ・シッピング（ABS）が160年前に設立されたとき、造船業者にはファイバーグラスの選択肢はありませんでした。幸い、海洋船舶の安全性をより確実にする技術も、その間に大きく進歩しました。その一部は、人類が宇宙航行種族となったことにもよるのです。

テキサス州スプリングに本社を置くABSグループ・オブ・カンパニーズ（ABS子会社）は、リスク管理ソリューションを提供し、ヨットや漁船のような小型船舶へ海事技術サービスを拡張しています。同社は今、NASAのオリオン宇宙船の熱シールド検査のために開発された技術を取り入れ、先進複合材料で作られた船舶の船体評価に提供しています。

アブコート（オリオン宇宙船の熱シールドに使用されるエポキシ樹脂）ブロックの生の超音波スキャンでは有用な情報がほとんど得られません（上）。しかし、航空宇宙コーポレーションがNASAのために開発した広範な信号処理により、欠損接着や「キッシング・アンボンド（接触しているが接着していない箇所）」といった欠陥を検出可能です（下）。（画像：NASA）

複合材料船体の検査課題と航空宇宙技術の採用

全長175フィート（約53メートル）以上の船舶には金属船体の強度が必要です。金属は音をよく伝導するため、従来の超音波スキャンで検査可能です。高周波音を材料に送り、デバイスに戻るエコーの不規則性から損傷を特定します。一方、小型船舶はファイバーグラス、エポキシ樹脂、カーボンファイバーの層で作られる複合船体で重量を節約できますが、これらの材料は音を吸収・減衰させるため、超音波技術での評価がはるかに困難です。

「非金属材料の欠陥検出能力でより進んでいる業界を見ました。航空宇宙業界が本当にその分野をリードしています」と、ABSグループの資産完全性管理ディレクター、Nick Obando氏。

複合材料による軽量化と、安全性を確保する信頼性の高い検査は、NASAや他の宇宙船設計者にとって最優先事項の一つです。そのため、宇宙機関がオリオンモジュールの熱シールドに新しい建設方法を選択した際、その完全性を保証する検査技術が必要となりました。非営利のR&D企業である航空宇宙コーポレーションに、複合材料を検査する新しい超音波技術の開発を依頼しました。これはABSグループとその小型・軽量な顧客層のニーズにも合致するものとなりました。

複合材料検査の潜在的市場の一つはオフショアプラットフォームで、損傷した複合材料圧力容器が危険をはらみ、配管やトップサイド構造の修復に複合材料がより適している場合でも、その完全性を試験する方法がなければ採用できません。（画像：Getty Images）

オリオン熱シールドの接着検査から海事への展開

オリオンは、今後数年間でNASAのアルテミスミッションにおいて宇宙飛行士を月へ往復させる宇宙船です。その熱シールドは、大気圏再突入時に最大5,000°F（約2,760℃）の高温から宇宙船を守ります。シールドはもともと、アポロカプセルの熱シールドで使用された軽量エポキシ樹脂アブコートをハニカム構造のセルに注入して製造する予定でした。しかし、試作シールドを作った際、一部の継ぎ目に亀裂が生じたため、NASAと請負業者のロッキード・マーティンは、アブコートのブロックをシールド基部に直接接着することにしました。

「これにより、その接着ラインがクリティカルになりました」と、NASAエンジニアリング&セーフティセンターの非破壊評価テクニカルフェロー、William Prosser氏（バージニア州ハンプトンのラングレー研究センター所属）。「接着強度がアブコート材料自体の強度より大きかったため、スペースシャトルのタイルのように引張試験ができませんでした。」

エンジニアリング&セーフティセンターはNASAを超えた専門家ネットワークを維持しており、その中に航空宇宙コーポレーションの材料プロセシング部門ディレクター兼非破壊評価研究所長のShant Kenderian氏がいます。

Prosser氏が2015年にKenderian氏に連絡したとき、航空宇宙コーポレーションはすでに問題解決の可能性を秘めた技術を試していました。最近採用されたToby Case氏が大学院生時代に開発した高度なスキャン技術を持ち込んでおり、チームは熱シールドサンプルでのシンプルなスポットチェックが可能であることを実証しました。「しかし、本番規模で大面積をスキャンするのは、全く別レベルの堅牢性が必要です」とKenderian氏。

ケネディ宇宙センターの技術者たちがオリオン乗員モジュールの熱シールドにアブコートブロックを貼り付けている様子。ブロックとシールドの接着を検査するため、NASAは航空宇宙コーポレーションに、材料の音響抵抗にもかかわらず、材料内部や下部の欠陥を検出できる超音波センサーの開発を依頼しました。（画像：NASA）

2年間の改良と実用化、ABSグループへのライセンス供与

その後2年間、焦点合わせと信号処理技術、さらにはハードウェアの改良が続き、ユーザーが複合材料の大面積をハンドスキャンし、表面下の損傷や欠陥の鮮明な画像を得られるようになりました。「適用した信号処理のトリックやステップすべてが、信号をますます向上させ、ついには鮮明になりました。そのレベルの開発はすべてNASAの資金で行われました」とKenderian氏。

NASAとロッキード・マーティンのエンジニアたちも、技術のテストと検証の段階で関与しました。「実際のフライトハードウェアでケネディ宇宙センターの検査員が使用できるシステムに変換する必要があり、それもまた重要な活動でした」とProsser氏。

航空宇宙コーポレーションは2019年末にこの技術で特許を取得し、まもなくABSグループが接触し、2021年初頭にライセンスを取得、翌年商用サービスとして展開しました。「私の知る限り、海事業界においてこれらの非金属複合材料を厚み方向に評価する真の能力を初めてもたらしたのは私たちです」とObando氏。

同氏によると、主なターゲットユーザーは3タイプ：品質保証に利用できる製造業者と小売業者、損傷や欠陥を評価する必要がある修理工場です。「製造・販売・購入のすべての当事者を、製造時と製造後の資産完全性に関するより良い保証で守ろうとしています。製造者や販売者は品質をより確実に保証でき、顧客は購入により信頼を置けます。保険会社にもこうした徹底的な検査の用途があるかもしれません」とObando氏。

しかし、ボート業界やそれ以外で埋められる他のニッチをまだ模索中だとも語ります。「この技術にわくわくしています。今こそ、その興奮をクライアントに伝え、『これがお役に立つかもしれません。この十分にサービスされていない業界でユースケースがあるか、示していただけませんか？』と問いかける段階です」とObando氏。

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