ABS の超音波スキャン技術により船体検査の安全性が向上

ABS グループが複合材料用の超音波スキャン技術でターゲットにしている市場の 1 つは、表面では見えない損傷や欠陥を評価できるボート修理業界です。 （画像：ゲッティイメージズ）

160 年前に海上の生命と財産の保護を目的として非営利の米国海運局 (ABS) が設立されたとき、造船業者にはグラスファイバーという選択肢はありませんでした。幸いなことに、船舶の安全性をより確実に確保するための技術も、この間に大きく進歩しました。その理由の 1 つは、人類が宇宙を旅する種族になったことです。

ABS Group of Companies Inc. (テキサス州スプリング) は、リスク管理ソリューションを提供し、ヨットや漁船などの小型船舶に海洋技術サービスを拡張する ABS 子会社です。現在、NASA のオリオン宇宙船の熱シールドを検査するために開発された技術を採用し、先進的な複合材料で作られた船舶の船体の評価に提供しています。

オリオン宇宙船の熱シールド上のエポキシ樹脂である Avcoat のブロックの生の超音波スキャンでは、有益な情報はほとんど得られません (上)。しかし、Aerospace Corporation が NASA 向けに開発した広範な信号処理により、接合の欠落や「キス剥離」、つまり表面が接触しているものの互いに接合されていない箇所 (下図) などの欠陥を検出できます。 （画像：NASA）

175 フィート程度を超える船には金属製の船体の強度が必要です。金属は音を伝えやすいため、従来の超音波スキャンを使用して検査できます。超音波スキャンでは、高周波音を材料に送信し、デバイスに返されるエコーの不規則性を特定することで損傷を検出します。小型の船舶は、多くの場合グラスファイバー、エポキシ樹脂、またはカーボンファイバーの層で作られた複合船体を使用して重量を軽減できますが、これらの材料は音を吸収して減衰させるため、超音波技術で評価するのが非常に困難になります。

「私たちは、非金属材料の欠陥を検出する能力においてすでに進んでいる業界に注目しましたが、航空宇宙産業はその分野を実際にリードしています」と ABS グループの資産整合性管理ディレクターであるニック・オバンドーは述べています。

複合材料による軽量化と、安全性を確保するための信頼できる検査は、NASA や他の宇宙船設計者にとって最優先事項の 1 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工法を選択したとき、エンジニアはその完全性を保証するのに役立つ検査技術を必要としていました。彼らは最終的に、非営利の研究開発会社エアロスペース コーポレーションに依頼して、複合材料を検査するための新しい超音波技術を開発しました。この技術は、ABS グループとその小規模で軽量な顧客のニーズにも適合することが判明しました。

複合材料検査の潜在的な市場の 1 つは海洋プラットフォームです。そこでは損傷した複合圧力容器が危険を引き起こす可能性があり、完全性をテストする方法があれば複合材料でパイプや上部構造をより適切に修復できる可能性があります。 （画像：ゲッティイメージズ）

オリオンは、今後数年間にNASAのアルテミスミッションで宇宙飛行士を月に運び、帰還する宇宙船です。地球の大気中を通過して最大 5,000 °F の温度を発生させるため、帰還時に熱シールドが機体を保護します。このシールドは当初、アポロ カプセルの熱シールドに以前使用されていた軽量エポキシ樹脂である Avcoat をハニカム構造のセルに注入することによって作られる予定でした。しかし、テストシールドを構築したところ、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、アヴコートのブロックをシールドのベースに直接接着することにしました。

「そうすることで、彼らはその絆が今や危機的になる状況を生み出した」とバージニア州ハンプトンにある NASA エンジニアリング・安全センターの非破壊評価技術フェロー、ウィリアム・プロッサー氏は語る。 「そして、接着強度がアヴコート素材の強度よりも強かったため、それをテストする良い方法がなかったため、シャトル タイルの場合のように引っ張りテストを行うことができませんでした。」

エンジニアリングおよび安全センターは、NASA を超えて広がる専門家のネットワークを維持しており、その中にはエアロスペース コーポレーションの材料処理部門および同社の非破壊評価研究所のディレクターであるシャント ケンデリアン氏も含まれています。

2015 年にプロッサー氏がケンデリアン氏に連絡を取ったとき、エアロスペース コーポレーションはすでに、問題を解決できる可能性のあるテクノロジーに着手していました。最近採用されたトビー ケースは、大学院生として開発した高度なスキャン技術を持参し、チームはそれが遮熱サンプルの簡単なスポット チェックを実行できることを実証しました。 「しかし、本番規模で大規模なスキャンを実行すると、堅牢性のレベルがまったく異なります」と Kenderian 氏は言います。

ケネディ宇宙センターの技術者は、軽量エポキシ樹脂である Avcoat のブロックをオリオン乗組員モジュールの遮熱板に塗布し終えています。ブロックとシールドの結合を調査するために、NASA はエアロスペース社に依頼し、耐音性にもかかわらず材料の中または下の欠陥を発見できる超音波センサーを開発しました。 （画像：NASA）

その後、ユーザーが複合材料の広い領域を手動でスキャンして、表面下の損傷や欠陥の鮮明な画像を取得できるようになるまで、集束および信号処理技術、さらにはハードウェアの改良に 2 年間かかりました。 「私たちが適用した信号処理のトリックやステップはすべて、信号が明確になるまでステップごとに信号を強化していきました」とケンデリアン氏は語ります。 「そのレベルの開発はすべて NASA からの資金提供のもとで行われました。」

NASA とロッキード・マーチンのエンジニアもこの取り組みに参加し、特に技術のテストと検証の時期が来ました。 「そして、それを実際に、検査官がケネディ宇宙センターの実際の飛行ハードウェアで使用できるシステムに変換する必要がありました」とプロッサー氏は述べています。 「そして、それもまた重要な活動でした。」

Aerospace Corporation は 2019 年末にこの技術に関する特許を取得し、ABS グループから連絡があり、2021 年初めにこの技術のライセンスを取得し、翌年には商用サービスとして開始するまで、それほど時間はかかりませんでした。 「つまり、私の知る限り、海事産業向けにこれらの非金属複合材料の厚さを評価する真の能力を初めて提供しました」とオバンド氏は述べています。

同氏によると、同社は主に3種類のユーザーをターゲットにしているという。1つは品質保証のためにこの技術を利用できるメーカーと小売業者、もう1つは損傷や欠陥を評価する必要がある修理工場だ。 「製造中および製造後の資産の完全性をより確実に保証することで、関係者全員を保護しようとしている」とオバンド氏は述べた。メーカーや再販業者は品質をより確実に保証できるようになり、顧客はより信頼して購入できるようになります。同氏はまた、保険会社がこうした徹底した検査を活用できる可能性があるとも指摘した。

しかし同氏は、同社はボート業界やその他の分野で埋めることができる他のニッチ市場を決定するためにまだ取り組んでいると述べた。 「私たちはこのテクノロジーに興奮しています」とオバンド氏は語った。 「ですから、今はその興奮をクライアントに伝えて、『これは役に立つと思います。本当に十分なサービスが提供されていないこの業界で、これのユースケースがあることを示すのを手伝ってくれませんか?』と言うことが重要です。」

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