技術紹介

複合材サンドウィッチパネルへのシェアログラフィ法の適用
滝沢真実 *1

Takizawa Mami

前田朝樹 *2

Maeda Tomoki

藤原貢 *3

Fujiwara Mitsugu

細谷昌厚 *4

Hosoya Masaatsu

本稿では、GFRP（ガラス繊維強化プラスチック）試験体に対してシェアログラフィ法を適用したのでその適用事例を紹介する。剥離模擬欠陥を付与した GFRP サンドウィッチパネル試験体を製作し、シェアログラフィ法によって剥離模擬欠陥の検出性能を評価した。また、シェアログラフィ法と微小面外変形解析結果を比較し、本試験条件における検出可能な最小面外変形量を算出した。
本結果は、複合材大型構造物の非破壊検査手法として、広範囲を高速に探傷できる点でシェアログラフィ法が有効であることを示している。
キーワード：非破壊検査、シェアログラフィ法、複合材、GFRP

著者らは剥離を模擬した欠陥を付与した GFRP 試

1. はじめに験体を製作し、シェアログラフィ法の適用性を確（1）

比強度や軽量性に優れた複合材は航空宇宙、船認した 。

舶などの分野に多く適用されるようになってき

2. シェアログラフィ法

た。一般に、複合材の非破壊検査には打音検査や超音波法、放射線法などが用いられている。しかシェアログラフィ法は、試験体表面にレーザーしながら、大型複合材構造物の非破壊検査では広光を照射し、CCD カメラで捉えた反射光の位相を範囲を高速に検査できる技術が求められるため、検出して微小な面外変形の変化を捉える方法であ従来の手法では効率が良いとは言い難い。そこで、る。試験体にレーザー光を照射した状態で加熱や著者らは高速で非破壊検査が可能なシェアログラ

局所的な減圧、振動などを加え、試験範囲内に面フィ法に着目した。欧米では、航空機や宇宙機器、外変形を引き起こす。これによって反射したレー船舶の FRP 部品やウィンドタービンブレードなどザー光を CCD カメラで捉え、形成した干渉縞かの非破壊検査手法として、幅広い分野での適用がら試験視野内の位相分布をスペックル像から位相始まっている。しかし日本国内においては未だ適シフト法を用いて算出する。面外変形前と変形後用が始まっていないのが現状である。そのため、の位相分布を比較することで、表面きずや剥離の*1：検査事業部*2：計測事業部*3：検査事業部*4：技師長

技術部 NDE グループ
計測技術部 解析技術グループ
技術部 部長課長—

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（2）有無を位相差像として捉える手法である 。 シェ

3. 試験内容

アログラフィ法の基本的な装置構成を図 1 に示す。
3.1 試験体の製作

フェーズシフトミラーはコンピュータで角度を変え、位相を制御できる。これにより、ビームスプ

厚さの異なる 2 枚の GFRP パネルでバルサ材を挟リッターから反射して CCD カメラに到達したレーんで接着したサンドウィッチ構造の試験体を 2 体製

ザー光と干渉しあい干渉縞を形成することができ作した。バルサ材には、界面剥離を模擬した深さ約る。フィールドで用いられるシェアログラフィ装1mm の人工欠陥を付与した。付与した人工欠陥の置は、レーザーダイオードや CCD カメラ、ミラー

表 面 寸 法 は、30×30mm、50×50mm、70×70mm の 3

さらにはコンピュータまでが一体型となり、持ち種類とし、バルサ材の両面に 3 種類ずつ付与した。

運びに適した構造になっているものが多い。

GFRP パネルの厚さおよび積層数を表 1 に示す。な

本手法は、レーザーホログラフィ干渉法や電子お、GFRP パネル 1-1 と 1-2、2-1 と 2-2 をそれぞれスペックル干渉法とは異なり、参照光を使用しなペアとしてバルサ材と接着させ、試験体を製作した。

いため、耐震テーブルが不要であるという大きな3.2 試験装置メリットがある。また基本的に非接触で検査を行うため、フィールド上で大型構造物を高速で探傷

シェアログラフィ装置は、Dantec Dynamics GmbHするのに適している。しかし、検出できる欠陥は、製の Q810 を使用した。減圧フードとレーザー光表面および表層部では比較的容易であるが、深い源、CCD カメラが一体となり、持ち運びが容易な内部の欠陥は検出が難しいと言われている。また、形状の装置である。本試験で用いた減圧フードの微小な欠陥の検出や、欠陥サイズの精度良い定量試験範囲は約 300×300mm である。装置の外観写（3）

真を、写真 1 および写真 2 に示す。

化には適さないとも言われている 。

図1

シェアログラフィ装置の基本原理
表1

GFRP パネルの厚さ—

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3.3 試験方法および条件（1）シェアログラフィ試験
試験は、携帯型装置を用いて減圧法で行った。
試験範囲を減圧することにより試験面に微小な面外変形を引き起こし、変形の変化を位相差像として PC 上に表示し、記録した。小型の真空ポンプに繋がれているフードを試験片面に -5kPa で固定し、0.2kPa ステップで減圧した。パネル 1-1 は最大 -8kPa、それ以外のパネルは最大 -7kPa まで減圧し、最適な画像を取得した。
写真 1（2）微小面外変形解析

試験装置（減圧フード）

減圧法による試験体表面の面外変形量を静応力解析によって算出した。解析に使用した GFRP 材
は積層角度 0/90°、ビニルエステル樹脂のものを想定し、物性値は公表値および GFRP 製造業者から提供された値を用いた。また、解析モデルとして GFRP 平板の中心に剥離が付与された試験体を想定した。剥離の寸法や板厚、解析条件を表 2 に示す。
4. 試験結果
4.1 剥離の検出とサイジング
写真 2

試験結果の代表例を図 2（a）～（c）に示す。

試験装置（制御用 PC）

パネル 1-1（厚さ 5.6mm、図 2（a））、パネル 2-1（厚表2—IIC_Review_52.indb

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解析条件31—

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さ 2.8mm、 図 2（b））、 パ ネ ル 2-2（ 厚 さ 1.5mm、4.2 検出可能な最小面外変形量

図 2（c））の 70×70mm 欠陥に対して、シェアロ

微小面外変形解析結果として、コンタ図の一例

グラフィ法を適用し剥離サイズを計測した結果でを図 3 に示す。図に示すように剥離欠陥中心点のある。パネルが薄くなるごとに指示模様の識別性最大面外変形量を解析から算出した。また、面外が向上しているのがわかる。これは薄いパネルの変形量と剥離サイズの関係を表すグラフを図 4 に方が、変形導入時の変形量が大きくなったためで示す。縦軸は、解析によって算出した最大面外変ある。また、剥離欠陥のサイジング評価について

形量で、試験体表面から剥離までの深さごとにプは、薄いパネル（2-1 および 2-2）では良い一致をロットした（図中の青、橙、緑、紫線）。横軸はシェ示したが、厚いパネル（1-1）では面外変形量が小アログラフィ法で検出可能であった剥離サイズでさいため、剥離サイズは過小気味で算出された。

ある。この結果より、シェアログラフィ法で検出

また、人工欠陥サイズ 30×30mm の剥離についが可能であった最小の剥離サイズは 30×30mm で、ては、パネル 1-1 以外で ±1mm のサイジング誤差

その際の最大面外変形量は約 3.0×10-4mm であるこで検出され、比較的精度の良い検査が可能であっとがわかる。すなわち、3.0×10-4mm 以上の面外変た。

形が起きる剥離欠陥であれば、本条件においてシェアログラフィ法での検出が可能であるということがわかった。

（a）パネル 1-1（b）パネル 2-1（c）パネル 2-2（剥離サイズ：65 × 63mm）（剥離サイズ：71.7 × 72mm）（剥離サイズ：69.3 × 71.6mm）

図2

シェアログラフィ検出結果例（a）Depth1.3mm（板厚 2.6mm）

図3（b）Depth1.5mm（板厚 3.0mm）

微小面外変形解析結果コンタ図例—

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間で検査が可能であると予想される。さらに、微小面外変形解析結果と比較することにより本条件における検出可能な最小欠陥の最大面外変形量を算出した。これにより、ターゲットとなる欠陥の大きさを想定し、最大面外変形量を算出すれば、シェアログラフィ法で検出が可能かどうかを事前に数値解析で推定することが可能であると示唆された。
今後は、実機品を視野に入れたシェアログラ
フィ試験の最適条件を検討する。また、CFRP 複合材についても同様の検討を行い、有効性を確認する予定である。
図4

最小面外変形量の算出

参考文献（1） 滝沢真実、前田朝樹、藤原貢、細谷昌厚：複5. まとめ合材へのシェアログラフィ法の適用事例、一

本稿では、GFRP 試験体に対してシェアログラ

般社団法人日本非破壊検査協会、第 17 回表面フィ法を適用し、本手法の有効性を確認した。本探傷シンポジウム講演論文集、2014、pp.1-4

試験では、30×30mm サイズの剥離の検出が可能で（2） Wolfgang Steinchen, Lianxiang Yang : Digital

あったが、GFRP 複合材は大型の構造物に使用されSearography, SPIE PRESS, 2003, pp.73-84

ることが多いため、30×30mm の剥離が検出できれ（3） ASTM E 2581-07 : Standard Practice forば、実際の試験でも十分適用可能であると考える。

Shearography of Polymer Matrix Composites,

また、試験時間については、条件検討に要する時

Sandwich Core Materials and Filament-Wound間を除けば一回の試験範囲を 1 分以下で検査可能

Pressure Vessels in Aerospace Applications,であるため、試験対象物が大型であっても、短時ASTM International, 2007

検査事業部技術部
NDE グループ

計測事業部 計測技術部
解析技術グループ課長

滝沢 真実

前田 朝樹

TEL. 045-791-3523
FAX. 045-791-3547

TEL. 045-759-2127
FAX. 045-759-2534

検査事業部
技術部部長

技師長

藤原

細谷 昌厚
TEL. 045-791-3550
FAX. 045-791-3555

貢TEL. 045-791-3523
FAX. 045-791-3547—

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