WO2022239338A1 - 欠陥検出方法 - Google Patents

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WO2022239338A1
WO2022239338A1 PCT/JP2022/005545 JP2022005545W WO2022239338A1 WO 2022239338 A1 WO2022239338 A1 WO 2022239338A1 JP 2022005545 W JP2022005545 W JP 2022005545W WO 2022239338 A1 WO2022239338 A1 WO 2022239338A1
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WO
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defect
internal
absence
internal defect
laser beam
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PCT/JP2022/005545
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English (en)
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美咲 福山
暢浩 樋口
俊哉 渡辺
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三菱重工業株式会社
三菱パワー株式会社
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • G01N29/46—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor by spectral analysis, e.g. Fourier analysis or wavelet analysis
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • Patent Literature 1 discloses an apparatus that monitors the temperature of a growth portion and adjusts the beam power for irradiation based on the temperature in layered manufacturing.
  • Patent Literature 1 does not disclose a technique for solving the problem of such internal defects.
  • the laser ultrasonic method is known as a non-contact method for detecting internal defects.
  • the surface of the object to be inspected is locally heated by irradiating it with a pulsed laser beam, and ultrasonic waves are generated by thermal expansion or ablation. After propagating inside, it is reflected or scattered by internal defects, and then propagated to the surface again, which is measured by a detection device such as a laser interferometer.
  • At least one embodiment of the present disclosure aims to provide a defect detection method suitable for detecting internal defects in a 3D modeled object.
  • a defect detection method a step of irradiating an object with a pulsed laser beam to generate ultrasonic waves in the object; a step of detecting the presence or absence of an internal defect in the object based on a specific frequency component of the vibration of the object based on the ultrasonic waves; including.
  • FIG. 4 is a flow chart illustrating the steps of a defect detection method according to some embodiments;
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing an internal defect of an object;
  • FIG. 4 shows the functional block of the detection apparatus regarding the process in an internal defect detection step.
  • expressions that express shapes such as squares and cylinders do not only represent shapes such as squares and cylinders in a geometrically strict sense, but also include irregularities and chamfers to the extent that the same effect can be obtained.
  • the shape including the part etc. shall also be represented.
  • the expressions “comprising”, “comprising”, “having”, “including”, or “having” one component are not exclusive expressions excluding the presence of other components.
  • a modeling apparatus 300 (Overall Configuration of Modeling Device Equipped with Defect Detection Device)
  • a modeling apparatus 300 will be described below.
  • 1 to 5 are diagrams schematically showing the configuration of a modeling apparatus 300 according to each embodiment. 1 to 5, optical systems such as a collimating lens and a condensing lens are omitted.
  • the modeling apparatus 300 including the defect detection device 200 will be described below, the defect detection device 200 may be an independent device from the modeling device 300 .
  • the modeling apparatus 300 includes a beam irradiation device 100 for 3D modeling of the target object T, and a defect detection device 200 for detecting internal defects.
  • the modeling apparatus 300 is, for example, an apparatus that performs powder-bed additive modeling (AM).
  • the modeling apparatus 300 may be an apparatus that performs LMD (Laser Metal Deposition) modeling.
  • the beam irradiation device 100 irradiates the raw material powder 303 (for example, alloy powder) spread as the powder bed 302 on the base plate 301 of the molding device 300 with the energy beam B1 along an arbitrary CAD-based shape. (see FIG. 5). Thereby, the beam irradiation device 100 melts and solidifies the raw material powder to 3D model the target object T.
  • FIG. The beam irradiation device 100 is a device that irradiates a processing laser beam as an energy beam B1.
  • the modeling apparatus 300 also includes a galvanomirror 101, which can change the direction of the energy beam B1 to scan the powder bed. Galvanomirror 101 may not be provided.
  • the beam irradiation device 100 is not limited to the configuration described above.
  • the beam irradiation device 100 may be a device that irradiates an electron beam as the energy beam B1.
  • an electron optical system (not shown) may be arranged in place of the galvanomirror.
  • the modeling apparatus 300 may be configured without the galvanomirror 101 .
  • the modeling apparatus 300 may be configured to move or rotate the beam irradiation apparatus 100 itself to scan the energy beam B1.
  • the defect detection device 200 includes a pulsed laser irradiation device 201 configured to irradiate the object T with the pulsed laser beam B2, and detects the presence or absence of internal defects in the object T. and a control device 203 configured to control them.
  • the detection device 202 has the following functional blocks. "Temporal waveform storage memory” for accumulating received ultrasonic waveforms, "extractor by window function” for extracting arbitrary waveforms by multiplying ultrasonic waveforms by a window function, "FFT processing” for performing FFT processing on extracted waveforms "FFT result analysis unit” for analyzing the FFT processing result, and “measurement result map creation unit” for plotting the FFT processing result values in a map.
  • the FFT result analysis unit extracts the sum of frequency components, the maximum amplitude value in a certain frequency range, the FFT amplitude value of a certain frequency, and the like.
  • the pulsed laser irradiation device 201 irradiates the object T with the pulsed laser beam B2 to continuously generate ultrasonic waves in the object T. As shown in FIG.
  • the pulsed laser irradiation device 201 preferably irradiates the pulsed laser beam B2 from directly above so that the intensity of the reflected wave increases.
  • the detection device 202 is configured to detect vibrations of the surface of the object T based on ultrasound. Moreover, the detection device 202 is configured to detect the presence or absence of an internal defect in the object T based on a specific frequency component in the vibration of the object T.
  • Internal defects are internal molding defects that cannot be seen from the surface, such as voids.
  • the detection device 202 may comprise, for example, a laser interferometer 202A.
  • the detection device 202 is configured to irradiate the object T with the laser beam B3, receive the reflected light, and measure the vibration of the surface of the object T, that is, the displacement.
  • a Doppler vibrometer 202B may be provided instead of the configuration provided with the laser interferometer.
  • the detection device 202 is a probe that detects vibration by directly contacting the object T instead of a non-contact detection device such as a laser interferometer 202A.
  • a child contact transducer 202t and a data logger 202D may be provided. It should be noted that the contact transducer 202t may be installed on the upper surface of the object T as shown in FIG. Also, as shown in FIG. 5, the contact transducer 202t may be installed on the base plate 301 of the modeling apparatus 300.
  • the defect detection apparatus 200 may comprise a photodetector 206, for example.
  • the photodetector 206 is for detecting the timing when the object T is irradiated with the pulsed laser beam B2, and is configured to input a detection signal to the control device 203, which will be described later.
  • the defect detection apparatus 200 may further include a galvanomirror 204.
  • the galvanomirror 204 can change the direction of the pulse laser beam B2 or the laser beam B3 to scan the powder bed.
  • the defect detection device 200 may include a half mirror 205.
  • the pulse laser beam B2 and the laser beam B3 can be made incident on the galvanomirror 204 via the half mirror 205 to change the directions of the pulse laser beam B2 and the laser beam B3. can.
  • This configuration is suitable for irradiating the laser beam B3 at the same position as the irradiation position of the pulsed laser beam B2.
  • the defect detection device 200 may be configured without the galvanomirror 204 .
  • the defect detection device 200 may be configured to move or rotate the pulse laser irradiation device 201 itself or the detection device 202 itself to scan with the pulse laser beam B2 or the laser beam B3.
  • the defect detection apparatus 200 may be configured without the half mirror 205 .
  • the defect detection apparatus 200 may have a beam splitter instead of the half mirror 205 .
  • the defect detection apparatus 200 may be configured without the half mirror 205 and the beam splitter.
  • the defect detector 200 comprises a galvanomirror 207 different from the galvanomirror 204 .
  • the galvanomirror 204 can redirect the pulsed laser beam B2 to scan the powder bed
  • the galvanomirror 207 which is different from the galvanomirror 204, can redirect the laser beam B3 to scan the powder bed.
  • the bed can be scanned.
  • the defect detection device 200 has a mirror 208 for reflecting the laser beam B3.
  • the irradiation position on the object T of the laser beam B3 from the detection device 202 is a fixed position set by adjusting the posture of the mirror 208 in advance.
  • the control device 203 is composed of a CPU (Central Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), and the like.
  • the control device 203 controls the operation of the entire device by executing programs stored in, for example, ROM or RAM.
  • the control device 203 stores various data (for example, design information of the target object T, programs and various setting values regarding a defect detection method described later) in the ROM or RAM, which will be described later.
  • control device 203 may be integrated with the pulse laser irradiation device 201 or the detection device 202 .
  • the controller 203 may also be configured to control the galvanomirrors 204 and 207 .
  • the defect detection device 200 may be configured without the control device 203 . For example, instead of automatic control by the control device 203, a user may manually operate.
  • a defect detection method may be automatically executed by the control processing of the control device 203, or some procedures may be executed manually by the user instead of the control device 203.
  • a defect detection method is applied, for example, to powder bed additive manufacturing (AM). It should be noted that the defect detection method can also be applied to objects to be modeled by other methods such as the LMD method.
  • a pulsed laser beam B2 is irradiated to generate ultrasonic waves in the object T, and this It has been found that the presence or absence of an internal defect in the object T can be detected based on a specific frequency component in the vibration of the object T based on ultrasonic waves.
  • the resonance of such longitudinal vibration has a smaller amplitude and a higher frequency than the flexural vibration that occurs in the object T when there is an internal defect in a region relatively close to the surface of the object T. Therefore, the resonance of the longitudinal vibration as described above tends to be buried in noise and difficult to detect. Therefore, if the flexural vibration of the object T is used, internal defects in the object T can be easily detected.
  • an internal defect in the object T is detected as follows. Note that the process of detecting an internal defect, which will be described later, is performed for each layer when 3D modeling is performed by additive modeling.
  • the number of layers is not necessarily one, and a plurality of layers may be laminated.
  • the thickness of one layer varies depending on the material, but is generally 50 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • a “plurality of layers” is set to an arbitrary number such as five layers, for example.
  • FIG. 6 is a flow chart illustrating the steps of a defect detection method according to some embodiments.
  • a defect detection method according to one embodiment includes an ultrasonic generation step S10, a vibration measurement step S20, an internal defect detection step S30, and a repair step S40.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing an internal defect of the object T. As shown in FIG. In this figure, the defects are voids. However, the defect also includes other forms of internal molding defects that cannot be seen from the surface, such as cracks and fusion defects (not shown).
  • the ultrasonic wave generation step S10 is a step of irradiating the object T with the pulsed laser beam B2 to generate ultrasonic waves in the object T. As shown in FIG. In the ultrasonic wave generating step S10, the control device 203 irradiates the target object T with the pulsed laser beam B2, and generates ultrasonic waves by rapid thermal expansion and contraction of the portion irradiated with the pulsed laser beam B2.
  • the number of times of irradiation with the pulsed laser beam B2 in the ultrasonic wave generation step S10 is one, but may be plural times. It should be noted that the irradiation position of the pulsed laser beam B2 on the object T is stationary during the irradiation period of the pulsed laser beam B2. Further, even if the pulsed laser beam B2 is irradiated a plurality of times, the irradiation position on the object T of the pulsed laser beam B2 is the same position each time.
  • the beam diameter of the pulsed laser beam B2 is preferably about the same as the size S of the internal defect to be detected, for example several hundred ⁇ m.
  • the size of the internal defect here means the size of the internal defect when viewed from the surface of the object T.
  • the defect detection apparatus 200 may include a beam diameter adjusting lens, but it is not essential to include the beam diameter adjusting lens.
  • the pulse width of the pulsed laser beam B2 is preferably 10 ns or more and 1000 ns or less.
  • ultrasonic waves can be generated on the object T by irradiating the object T with the pulsed laser beam B2 under the irradiation conditions as described above.
  • the ultrasonic waves generated in this manner are relatively broadband vibrations. Therefore, even if the natural frequency of the object T differs according to the distance d from the surface of the object T and the size S of the internal defect, the flexural vibration of this natural frequency can be remarkably generated. .
  • the vibration measurement step S20 is a step of detecting vibration of the surface of the object T based on ultrasonic waves.
  • the control device 203 causes the detection device 202 to detect the vibration of the surface of the object T.
  • the laser interferometer 202A or Doppler vibrometer 202B can detect ultrasound-based surface vibrations of the object T without contact.
  • the irradiation position of the pulse laser beam B2 and the irradiation position of the laser beam B3 are the same position.
  • the attitude control of the galvanomirrors 204 and 207 allows the laser beam B3 to be applied to the same position as the pulsed laser beam B2. Since the ultrasonic excitation point and the reception point can be brought closer to each other, even if the inspection surface of the object T is small or the object T is complicated, the vibration of the surface of the object T can be minimized. can be detected.
  • the pulsed laser beam B2 and the laser beam B3 can be coaxially irradiated.
  • the object T has a complicated structure, it is possible to detect the vibration of the surface of the object T while avoiding the laser beam B3 being blocked by a part of the object T.
  • the position of the pulse laser beam B2 and the irradiation position of the laser beam B3 can always be kept at a constant distance by the attitude control of the galvanometer mirrors 204 and 207. This makes it possible to shift the timing of detecting noise due to the irradiation of the pulsed laser beam B2 and the timing of detecting the amplitude at the natural frequency described above, making it easier to detect the amplitude at the natural frequency. Further, in the embodiment shown in FIG.
  • the irradiation position of the pulse laser beam B2 and the irradiation position of the laser beam B3 are irradiated so that the irradiation position of the pulse laser beam B2 and the irradiation position of the laser beam B3 always maintain a constant distance.
  • the calculation load in the internal defect detection step S30 which will be described later, can be reduced as compared with the case where the distance from the irradiation position of is changed.
  • the irradiation position on the object T of the laser beam B3 from the detection device 202 is a fixed position set by adjusting the posture of the mirror 208 in advance. Therefore, since the state of the surface of the target object T irradiated with the laser beam B3 does not change, the vibration of the surface of the target object T can be stably detected. Moreover, in the embodiment shown in FIG. 3, since the attitude control of the galvanomirror 207 does not have to be performed, the calculation load on the control device 203 can be suppressed.
  • the vibration of the surface of the object T may be detected by the laser interferometer 202A or the Doppler vibrometer 202B. Thereby, the presence or absence of an internal defect can be detected without contact.
  • the contact transducer 202t can directly detect ultrasound-based surface vibrations of the object T.
  • the vibration of the surface of the object T can be detected with better sensitivity than the case where the laser interferometer 202A or the Doppler vibrometer 202B detects the vibration of the surface of the object T without contact.
  • the distance between the irradiation position of the pulse laser beam B2 and the contact transducer 202t can be relatively close, so that the sensitivity is further improved. Vibration on the surface of the object T can be detected.
  • FIG. 4 since the contact transducer 202t is installed on the upper surface of the object T, the distance between the irradiation position of the pulse laser beam B2 and the contact transducer 202t can be relatively close, so that the sensitivity is further improved. Vibration on the surface of the object T can be detected.
  • FIG. 1 the embodiment shown in FIG.
  • the contact transducer 202t since the contact transducer 202t is installed on the base plate 301 of the modeling apparatus 300, the contact transducer 202t can be used when the inspection surface of the object T is small or when the object T is complicated. Even if it is difficult to install on the upper surface of the object T, the vibration of the object T can be detected.
  • the internal defect detection step S30 is a step of detecting the presence or absence of an internal defect in the object T based on the amplitude of a specific frequency component of vibration of the object T based on ultrasonic waves.
  • FIG. 8 is a diagram showing functional blocks of the detection device 202 related to the later-described processing in the internal defect detection step S30.
  • the detection device 202 virtually has functional blocks of a temporal waveform accumulation memory 202a, an extraction unit 202b using a window function, an FFT processing unit 202c, an FFT result analysis unit 202d, and a map creation unit (measurement result map creation unit) 202e. ing.
  • the detection device 202 detects the presence or absence of internal defects in the object T as follows. First, the detection device 202 uses the irradiation timing of the pulsed laser beam B2 detected by the photodetector 206 as a reference in the time waveform storage memory 202a, and detects vibration detected by the detection device 202 within a preset period after the irradiation timing. information is acquired from the detection device 202 .
  • FIG. 9A is an example of a graph showing the amplitude of vibration obtained from the detection device 202 as described above.
  • the detection device 202 extracts vibration information necessary for detecting the presence or absence of an internal defect from the vibration information acquired from the detection device 202 as described above by the extraction unit 202b using a window function.
  • FIG. 9B is an example of a graph showing vibration after extracting information necessary for detecting the presence or absence of internal defects.
  • the extraction unit 202b using a window function extracts vibration information about the first reaching wave from the vibration information acquired from the detection device 202 as described above. That is, the extraction unit 202b using a window function extracts vibration information corresponding to the period during which the first arriving wave is detected from the vibration information acquired from the detection device 202 as described above.
  • the window function-based extraction unit 202b sets the irradiation timing of the pulsed laser beam B2 detected by the photodetector 206 to 0 second from the vibration information obtained from the detection device 202 as described above, and sets the irradiation timing to 0 second. After the timing, the vibration information is extracted until 5.0 ⁇ sec has passed.
  • the method of extracting vibration information about the first reaching wave described above is an example, and the vibration information about the first reaching wave may be extracted by another method.
  • the window function-based extraction unit 202b removes noise due to the irradiation of the pulsed laser beam B2. Vibration information for a period is excluded from acquisition targets.
  • the control device 203 does not acquire vibration information until 0.5 ⁇ sec has elapsed after the irradiation timing.
  • the vibration information about the first reaching wave extracted as described above includes the flexural vibration due to the natural frequency caused by the existence of the internal defect near the surface of the object T and the surface wave component. Therefore, the detecting device 202 performs an FFT (Fast Fourier Transform) on the vibration information about the first reaching wave extracted as described above in order to extract the flexural vibration due to the natural frequency in the FFT processing unit 202c. process.
  • FIG. 9C is an example of a graph representing the result of FFT processing. If an internal defect is present in a relatively superficial region of the object T, then amplitudes of frequency components that predominate in the relatively low frequency range occur.
  • This frequency range is determined by the shape of the internal defect, the position of the internal defect, the material of the object T, and the like, and may be, for example, in the range of 0.5 MHz to 5.0 MHz. Therefore, the FFT result analysis unit 202d detects the amplitude peak within the above-described relatively low frequency range in the processing result of the above-described FFT processing, and acquires the peak value. If the peak value exceeds a preset threshold value, the FFT result analysis unit 202d determines that an internal defect exists directly below the irradiation position of the pulse laser beam B2. In the example shown in FIG. 9C, a relatively large amplitude peak is observed at 1.20 MHz. The FFT result analysis unit 202d may determine whether there is an internal defect based on the sum of the FFT processing results in the FFT processing unit 202c, the FFT amplitude value at a specific frequency, or the like.
  • the step (S30) of detecting the presence or absence of an internal defect in the object T in the step (S30) of detecting the presence or absence of an internal defect in the object T, the shape of the internal defect, the position of the internal defect, the material of the object T, etc. It is preferable to detect the presence or absence of an internal defect in the object T based on the determined frequency component. This makes it possible to detect the presence or absence of an internal defect in a region of the object T relatively close to the surface.
  • the detection device 202 repeats the above-described ultrasonic wave generation step S10 to internal defect detection step S30 while shifting the irradiation position of the pulsed laser beam B2. Detects the presence or absence of internal defects in a region close to the surface.
  • the detection device 202 creates a map showing the relationship between the position on the surface of the object T and the peak value obtained by the FFT result analysis unit 202d in the map creation unit 202e. That is, the map creation unit 202e creates the map by plotting the FFT processing result values in a map.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of the map created by the map creation unit 202e. In the map shown in FIG. 10, the distribution of the peak values is represented by densities according to the peak values. Note that when the FFT result analysis unit 202d acquires the sum of the results of FFT processing in the FFT processing unit 202c, the map creation unit 202e creates a map showing the relationship between this sum and the position on the surface of the target object T.
  • the map creation unit 202e creates a map showing the relationship between this FFT amplitude value and the position on the surface of the object T. do.
  • the defect detection method comprises a step of irradiating an object T with a pulsed laser beam B2 to generate ultrasonic waves in the object T (S10); and detecting the presence or absence of an internal defect in the object T based on the amplitude of the dominant frequency component in the vibration of T (S30).
  • the pulsed laser beam B2 since the pulsed laser beam B2 is used, it is possible to generate ultrasonic waves with a small spot diameter compared to the method of generating ultrasonic waves on the object T through a probe.
  • the pulsed laser beam B2 since the pulsed laser beam B2 is used, it is possible to generate ultrasonic waves with a small spot diameter compared to the method of generating ultrasonic waves on the object T through a probe.
  • internal defects can be detected regardless of whether the measurement plane viewed from the irradiation direction is a point, a line, or a plane. Therefore, it is suitable for detecting internal defects in an object to be 3D modeled.
  • the object T in the step of detecting the presence or absence of internal defects in the object T (S30), based on the amplitude of the frequency component in the flexural vibration region of the object T, the object It is preferable to detect the presence or absence of internal defects in the object T. This makes it possible to detect internal defects relatively easily.
  • the amplitude of the natural frequency caused by the internal defect is extracted from the flexural vibration of the object T. Then, the presence or absence of an internal defect in the object T may be detected based on the magnitude of the amplitude. This makes it possible to detect internal defects relatively easily.
  • the defect detection method in the step of detecting the presence or absence of internal defects in the object T (S30), of the flexural vibration of the object T, based on the amplitude of the frequency component in the first reaching wave , the presence or absence of an internal defect in the object T may be detected. Thereby, the detection accuracy of the internal defect of the object T can be improved.
  • the repair step S40 when an internal defect is detected in the object T that is being 3D-modeled by lamination of additive manufacturing, the internal defect is repaired when forming the next layer at a position directly above the internal defect. It is the step of melting the layer and the layer immediately below the next layer.
  • the repair step S40 is performed when the presence of an internal defect is detected in the internal defect detection step S30. That is, in some embodiments, when an internal defect is detected in an object T that is being 3D-modeled by lamination of additive manufacturing, the internal defect is repaired when forming the next layer at a position directly above the internal defect.
  • the next layer and the layer immediately below the next layer may be melted so as to "Melting the next layer and the layer immediately below the next layer" means melting the layer containing the internal defect along with the upper layer located above the internal defect.
  • a defect detection method includes a step of irradiating an object T with a pulsed laser beam B2 to generate ultrasonic waves in the object T (S10); a step of detecting the presence or absence of internal defects in the object T based on a prominent specific frequency component in the vibration of the object T based on sound waves (S30).
  • the presence or absence of an internal defect in the object T may be detected.
  • the step of detecting the presence or absence of internal defects in the object T in the step of detecting the presence or absence of internal defects in the object T (S30), the sum of the frequency components, or the FFT amplitude of a specific frequency component
  • the presence or absence of an internal defect in the object T may be detected based on at least one of the values.
  • the step of detecting the presence or absence of an internal defect in the object T (S30), of the flexural vibration of the object T, the internal defect , and the presence or absence of internal defects in the object T may be detected based on the magnitude of the amplitude.
  • the flexural vibration of the object T in the step of detecting the presence or absence of an internal defect in the object T (S30), the flexural vibration of the object T , the presence or absence of an internal defect in the object T may be detected based on the amplitude of the frequency component in the first arriving wave.
  • the detection accuracy of internal defects in the object T can be improved.
  • the laser interferometer 202A or the Doppler vibrometer 202B detects the vibration of the surface of the object T based on the ultrasonic waves.
  • a step (S20) may be included.
  • the pulsed laser beam B2 is used to generate ultrasonic waves
  • the laser interferometer 202A or Doppler vibrometer 202B is used to detect the vibration based on the ultrasonic waves, so the presence or absence of internal defects is determined. can be detected without contact.
  • the laser interferometer 202A or Doppler vibration is detected at the same position as the irradiation position of the pulsed laser beam B2 on the object T. It is preferable to irradiate a total of 202B of laser light B3.
  • the vibration of the surface of the object T can be detected.
  • any one of the above methods (1) to (7) it is preferable to detect the presence or absence of internal defects in the object T that is being 3D-modeled by additive manufacturing.

Abstract

一実施形態に係る欠陥検出方法は、対象物に対して、パルスレーザ光を照射して対象物中に超音波を発生させるステップと、上記超音波に基づく対象物の振動の特定の周波数成分に基づいて、対象物の内部欠陥の有無を検出するステップと、を含む。

Description

欠陥検出方法
　本開示は、欠陥検出方法に関する。
　本願は、２０２１年５月１１日に日本国特許庁に出願された特願２０２１－０８０２２４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　近年、複雑構造による性能向上を狙いとして、付加造形（ＡＭ：Ａｄｄｉｔｉｖｅ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）技術が着目され、電子ビームやレーザビームを使用した積層造形によって３次元造形物（３Ｄ造形品）を製造する装置が普及している。例えば、特許文献１には、積層造形において、成長部分の温度を監視し、その温度に基づいて照射するビーム出力を調整する装置が開示されている。
特開２０１９－７３７９６号公報
　従来、複雑構造物を構築する際、複数の鋳鍛造品（鋳鍛造部品）を組み立てて構成するのが一般的である。この場合、鋳鍛造品における欠陥（割れ、ひけ巣等）に係る検査は、超音波探傷法、渦流探傷法、放射線透過法等の比較的簡便な方法を、鋳鍛造部品毎に適用することができた。
　しかし、ＡＭ技術を用いた３Ｄ造形品では、金属粉を材料とした一体同時造形の為、中間生成物が無く、欠陥検査は最終形状で行う必要がある。この場合、前述のような簡便な検査方法では、最終形状の外表面から離隔した位置における欠陥評価は困難である。Ｘ線ＣＴの活用による評価も考えられるが、大型な３Ｄ造形品には対応できないという問題がある。
　また、最終形状で欠陥検査を行うため、内部欠陥の存在が判明した場合、再度最初から造形を行うこととなり、手戻りリスクが発生する。
　これらを解決するには、造形中に内部欠陥を検出できることが重要である。特許文献１には、このような内部欠陥の問題を解決するための手法が開示されていない。
　ところで、非接触で内部欠陥を検出する手法として、レーザ超音波法が知られている。レーザ超音波法は、検査対象物の表面にパルスレーザ光を照射することによって検査対象の表面を局所的に加熱し、熱膨張あるいはアブレーション作用によって超音波を発生させ、生じた超音波が検査対象内を伝搬した後、内部欠陥で反射又は散乱し、再び表面へ伝搬してきたものをレーザ干渉計などの検出装置により計測する技術である。
　レーザ超音波法による欠陥検出では、パルスレーザ光を照射した時の欠陥からの反射波を観測する必要がある。しかし、浅い位置にある（表面近傍の）欠陥を検査する場合、入射波による表面振動変位に、欠陥からの反射波が埋もれてしまう。そのため、３Ｄ造形中に発生する表面から浅い位置にある欠陥の検出には適用困難である。
　本開示の少なくとも一実施形態は、上述の事情に鑑みて、３Ｄ造形される対象物の内部欠陥の検出に適した欠陥検出方法を提供することを目的とする。
（１）本開示の少なくとも一実施形態に係る欠陥検出方法は、
　対象物に対して、パルスレーザ光を照射して前記対象物中に超音波を発生させるステップと、
前記超音波に基づく前記対象物の振動の特定の周波数成分に基づいて、前記対象物の内部欠陥の有無を検出するステップと、
を含む。
　本開示の少なくとも一実施形態によれば、３Ｄ造形される対象物の内部欠陥の検出に適した欠陥検出方法を提供できる。
実施形態に係る造形装置の構成を概略的に示す図である。 実施形態に係る造形装置の構成を概略的に示す図である。 実施形態に係る造形装置の構成を概略的に示す図である。 実施形態に係る造形装置の構成を概略的に示す図である。 実施形態に係る造形装置の構成を概略的に示す図である。 幾つかの実施形態に係る欠陥検出方法の手順を示すフローチャートである。 対象物の内部欠陥を模式的に示した図である。 内部欠陥検出ステップにおける処理に係る検出装置の機能ブロックを示す図である。 検出装置から取得した振動の振幅を示すグラフの一例である。 内部欠陥の有無の検出に必要な情報を抽出した後の振動を示すグラフの一例である。 ＦＦＴ処理の処理結果を表すグラフの一例である。 マップ作成部において作成されたマップの一例を示す図である。
　以下、添付図面を参照して本開示の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本開示の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
　例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
　例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
　例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
　一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
（欠陥検出装置を備える造形装置の全体構成）
　以下、一実施形態に係る造形装置３００について説明する。図１から図５は、それぞれの実施形態に係る造形装置３００の構成を概略的に示す図である。なお、図１から図５において、コリメートレンズや集光レンズなどの光学系は省略する。以下の説明では、欠陥検出装置２００を備える造形装置３００について説明するが、欠陥検出装置２００は造形装置３００から独立した装置であってもよい。
　図１から図５に示すように、造形装置３００は、対象物Ｔを３Ｄ造形するためのビーム照射装置１００と、内部欠陥を検出するための欠陥検出装置２００と、を備える。造形装置３００は、例えば、パウダーベッド方式の付加造形（ＡＭ）を行う装置である。なお、造形装置３００は、ＬＭＤ（Ｌａｓｅｒ　Ｍｅｔａｌ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方式の造形を行う装置であってもよい。
　ビーム照射装置１００は、造形装置３００のベースプレート３０１上にパウダーベッド３０２として敷き詰められた原料粉３０３（例えば合金粉）に対して、エネルギービームＢ１を任意のＣＡＤに基づいた形状に沿って照射するように構成される（図５参照）。これにより、ビーム照射装置１００は、原料粉を溶融固化させて、対象物Ｔを３Ｄ造形する。ビーム照射装置１００は、エネルギービームＢ１として加工用のレーザ光を照射する装置である。また、造形装置３００は、ガルバノミラー１０１を備えており、エネルギービームＢ１の向きを変えてパウダーベッド上を走査させることができる。ガルバノミラー１０１は備えていなくてもよい。
　なお、ビーム照射装置１００は、上記構成に限られない。例えば、ビーム照射装置１００は、エネルギービームＢ１として電子ビームを照射する装置であってもよい。この場合、ガルバノミラーに置換して図示しない電子光学系を配してもよい。また、造形装置３００は、ガルバノミラー１０１を備えていない構成であってもよい。例えば、造形装置３００は、ビーム照射装置１００自体を移動又は回転させてエネルギービームＢ１を走査させる構成であってもよい。
　図１から図５に示す実施形態では、欠陥検出装置２００は、対象物Ｔにパルスレーザ光Ｂ２を照射するように構成されたパルスレーザ照射装置２０１と、対象物Ｔの内部欠陥の有無を検出するように構成された検出装置２０２と、これらを制御するように構成された制御装置２０３とを備える。検出装置２０２は、次の各機能ブロックを備える。受信した超音波波形を蓄積する「時間波形蓄積メモリ」、超音波波形に窓関数を掛けて任意の波形を取り出す「窓関数による抽出部」、抽出した波形に対してＦＦＴ処理を行う「ＦＦＴ処理部」、ＦＦＴ処理結果を分析する「ＦＦＴ結果分析部」、ＦＦＴ処理結果値をマップ状にプロットする「計測結果マップ作成部」。ＦＦＴ結果分析部は、周波数成分の総和、ある周波数範囲の最大振幅値、ある周波数のＦＦＴ振幅値、などを抽出する。パルスレーザ照射装置２０１は、対象物Ｔに対して、パルスレーザ光Ｂ２を照射して対象物Ｔ中に継続的に超音波を発生させる。パルスレーザ照射装置２０１は、反射波の強度が高くなるように、直上からパルスレーザ光Ｂ２を照射することが好ましい。
　図１から図５に示す実施形態では、検出装置２０２は、超音波に基づく対象物Ｔの表面の振動を検出するように構成される。また、検出装置２０２は、対象物Ｔの振動における特定の周波数成分に基づいて、対象物Ｔの内部欠陥の有無を検出するように構成される。内部欠陥は、空隙など表面からは見えない内部の造形不良である。
　図１から図３に示す実施形態では、検出装置２０２は、例えば、レーザ干渉計２０２Ａを備えていてもよい。この場合、検出装置２０２は、レーザ光Ｂ３を対象物Ｔに照射して、その反射光を受光して対象物Ｔの表面の振動、すなわち変位を計測するように構成される。
　図１から図３に示す実施形態では、レーザ干渉計を備える構成に代えて、ドップラ振動計２０２Ｂを備えていてもよい。
　図４及び図５に示す実施形態では、検出装置２０２は、レーザ干渉計２０２Ａ等の非接触式の検出装置に代えて、対象物Ｔに直接接触させて使用することで振動を検出する探触子である接触式トランスデューサ２０２ｔと、データロガー２０２Ｄと備えていてもよい。
　なお、図４に示すように、接触式トランスデューサ２０２ｔは、対象物Ｔの上面に設置してもよい。
　また、図５に示すように、接触式トランスデューサ２０２ｔは、造形装置３００のベースプレート３０１に設置してもよい。
　図１から図５に示す実施形態では、欠陥検出装置２００は、例えば、フォトディテクタ２０６を備えていてもよい。フォトディテクタ２０６は、パルスレーザ光Ｂ２が対象物Ｔに照射されたタイミングを検出するためのものであり、検出信号が後述する制御装置２０３に入力されるように構成されている。
　図１から図５に示す実施形態では、欠陥検出装置２００は、ガルバノミラー２０４をさらに備えていてもよい。この場合、ガルバノミラー２０４によって、パルスレーザ光Ｂ２又はレーザ光Ｂ３の向きを変えてパウダーベッド上を走査させることができる。
　図１に示す実施形態では、欠陥検出装置２００は、ハーフミラー２０５を備えていてもよい。この場合、図１に示すように、ハーフミラー２０５を介してパルスレーザ光Ｂ２及びレーザ光Ｂ３をガルバノミラー２０４に入射させ、パルスレーザ光Ｂ２及びレーザ光Ｂ３の向きを変えるように構成することができる。かかる構成によれば、パルスレーザ光Ｂ２の照射位置と同じ位置にレーザ光Ｂ３を照射する場合に適している。
　なお、欠陥検出装置２００は、ガルバノミラー２０４を備えていない構成であってもよい。例えば、欠陥検出装置２００は、パルスレーザ照射装置２０１自体又は検出装置２０２自体を移動又は回転させてパルスレーザ光Ｂ２又はレーザ光Ｂ３を走査させる構成であってもよい。
　また、欠陥検出装置２００は、ハーフミラー２０５を備えていない構成であってもよい。例えば、欠陥検出装置２００は、ハーフミラー２０５の代わりにビームスプリッタを備えていてもよい。欠陥検出装置２００は、ハーフミラー２０５及びビームスプリッタを備えていない構成であってもよく、例えば図２に示すように、パルスレーザ光Ｂ２及びレーザ光Ｂ３をそれぞれ独立して走査可能に構成されていてもよい。
　図２に示す実施形態では、欠陥検出装置２００は、ガルバノミラー２０４とは異なるガルバノミラー２０７を備えている。図２に示す実施形態では、ガルバノミラー２０４によってパルスレーザ光Ｂ２の向きを変えてパウダーベッド上を走査させることができ、ガルバノミラー２０４とは異なるガルバノミラー２０７によってレーザ光Ｂ３の向きを変えてパウダーベッド上を走査させることができる。
　図２に示す実施形態によれば、パルスレーザ光Ｂ２の照射位置と同じ位置にレーザ光Ｂ３を照射することもできる。
　図３に示す実施形態では、欠陥検出装置２００は、レーザ光Ｂ３を反射させるためのミラー２０８を備えている。図３に示す実施形態では、検出装置２０２からのレーザ光Ｂ３の対象物Ｔにおける照射位置は、予めミラー２０８の姿勢を調節することで設定された固定位置である。
　制御装置２０３は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）等から構成される。制御装置２０３は、例えば、ＲＯＭ又はＲＡＭに記憶されているプログラムを実行することにより、装置全体の動作を制御する。また、制御装置２０３は、ＲＯＭ又はＲＡＭに後述する各種データ（例えば、対象物Ｔの設計情報、後述する欠陥検出方法に関するプログラムや各種の設定値等）を記憶する。
　なお、制御装置２０３は、パルスレーザ照射装置２０１又は検出装置２０２と一体化されていてもよい。また、制御装置２０３は、ガルバノミラー２０４、２０７を制御するように構成されていてもよい。欠陥検出装置２００は、制御装置２０３を備えていない構成であってもよい。例えば、制御装置２０３による自動制御の代わりに、ユーザが手動操作してもよい。
（欠陥検出方法）
　以下、幾つかの実施形態に係る欠陥検出方法について説明する。以下に説明する欠陥検出方法は、制御装置２０３の制御処理によって自動的に実行されてもよいし、一部の手順については制御装置２０３ではなくユーザの手動操作によって実行されてもよい。一実施形態に係る欠陥検出方法は、例えば、パウダーベッド方式の付加造形（ＡＭ）に適用される。なお、欠陥検出方法は、ＬＭＤ方式等の他の方法で造形する場合の対象物に適用することも可能である。
　発明者らが鋭意検討した結果、対象物Ｔにおける比較的表面から近い領域における内部欠陥の有無を検出する方法として、パルスレーザ光Ｂ２を照射して対象物Ｔ中に超音波を発生させ、この超音波に基づく対象物Ｔの振動における特定の周波数成分に基づいて、対象物Ｔの内部欠陥の有無を検出できることが判明した。
　なお、対象物Ｔにパルスレーザ光Ｂ２を照射することで、対象物Ｔに縦振動を生じさせ、対象物Ｔの表面と内部欠陥との間で発生する縦振動の共振の有無に基づいて、対象物Ｔの内部欠陥の有無を検出することもできる。
　すなわち、対象物Ｔにおける比較的表面から近い領域において内部欠陥が存在する場合、対象物Ｔの表面から検出すべき内部欠陥までの深さによって縦振動の共振周波数が変化する。この共振周波数に対応するようにパルスレーザの繰り返し周波数を設定してパルスレーザを繰り返し照射することで、縦振動の共振を発生させ、対象物Ｔの表面の振動が大きくなることが検出できれば内部欠陥が存在すると推定できる。
　しかし、このような縦振動の共振は、対象物Ｔにおける比較的表面から近い領域において内部欠陥が存在する場合に対象物Ｔに発生するたわみ振動と比べると振幅が小さく、且つ、周波数が高い。したがって、上記のような縦振動の共振は、ノイズに埋もれて検出し難い傾向にある。
　そのため、対象物Ｔにおけるたわみ振動を利用すれば、対象物Ｔにおける内部欠陥を検出し易くなる。
　発明者らが鋭意検討した結果、対象物Ｔにおける比較的表面から近い領域において内部欠陥が存在する場合、内部欠陥の存在位置、すなわち対象物Ｔの表面からの距離や、内部欠陥の大きさに応じた固有振動数を有するたわみ振動が発生することを見出した。そして発明者らは、この固有振動数における振幅を抽出し、該振幅の大きさに基づいて、対象物Ｔの内部欠陥の有無を検出できることを見出した。
　そこで、幾つかの実施形態に係る欠陥検出方法では、以下のようにして対象物Ｔにおける内部欠陥を検出するようにしている。
　なお、後述する内部欠陥を検出する処理は、付加造形によって３Ｄ造形する場合において、１層毎に実施する。但し、必ずしも１層でなく、複数の層が積層されるごとでもよい。１層の厚さは、材質毎に異なるが、一般的には５０ｕｍ～１００ｕｍである。「複数の層」とは、例えば、５層のように任意の数に設定される。
　このように、幾つかの実施形態に係る欠陥検出方法では、付加造形によって３Ｄ造形される途中の対象物Ｔについて内部欠陥の有無を検出するとよい。３Ｄ造形途中で、内部欠陥を検出するため、大きな手戻りが発生するリスクを軽減することができる。
　図６は、幾つかの実施形態に係る欠陥検出方法の手順を示すフローチャートである。一実施形態に係る欠陥検出方法は、超音波発生ステップＳ１０と、振動計測ステップＳ２０と、内部欠陥検出ステップＳ３０と、修復ステップＳ４０とを備えている。
　図７は、対象物Ｔの内部欠陥を模式的に示した図である。本図において欠陥は空隙の場合を示している。但し、欠陥には図示しない割れ、融合不良など、その他の表面からは見えない内部造形不良の形態も含む。
（超音波発生ステップＳ１０）
　超音波発生ステップＳ１０は、対象物Ｔに対して、パルスレーザ光Ｂ２を照射して対象物Ｔ中に超音波を発生させるステップである。
　超音波発生ステップＳ１０では、制御装置２０３は、パルスレーザ光Ｂ２を対象物Ｔに照射し、パルスレーザ光Ｂ２が照射された部位の急激な熱膨張と収縮により超音波を発生させる。
　超音波発生ステップＳ１０におけるパルスレーザ光Ｂ２の照射回数は、１回であるが、複数回であってもよい。なお、パルスレーザ光Ｂ２の対象物Ｔにおける照射位置は、パルスレーザ光Ｂ２の照射期間中、不動である。また、パルスレーザ光Ｂ２の照射回数が複数回であっても、各回におけるパルスレーザ光Ｂ２の対象物Ｔにおける照射位置は同一の位置である。
　パルスレーザ光Ｂ２のビーム径は、検出しようとする内部欠陥の大きさＳと同程度であるとよく、例えば数百μｍである。ここでいう内部欠陥の大きさとは、内部欠陥を対象物Ｔの表面から見たときの大きさのことである。なお、パルスレーザ光Ｂ２のビーム径を上記の大きさに設定するために、欠陥検出装置２００はビーム径調整レンズを備えていてもよいが、ビーム径調整レンズを備えることは必須ではない。
　パルスレーザ光Ｂ２のパルス幅は、１０ｎ秒以上１０００ｎ秒以下であるとよい。
　超音波発生ステップＳ１０において、上述したような照射条件でパルスレーザ光Ｂ２を対象物Ｔに照射することで、対象物Ｔに超音波を発生させることができる。
　このようにして発生した超音波は、比較的広帯域の振動である。そのため、対象物Ｔの表面からの距離ｄや内部欠陥の大きさＳに応じて対象物Ｔの固有振動数が異なっていても、この固有振動数のたわみ振動が卓越して発生させることができる。
（振動計測ステップＳ２０）
　振動計測ステップＳ２０は、超音波に基づく対象物Ｔの表面の振動を検出するステップである。
　振動計測ステップＳ２０では、制御装置２０３は、対象物Ｔの表面の振動を検出装置２０２に検出させる。
　図１、図２、及び図３に示す実施形態では、レーザ干渉計２０２Ａ又はドップラ振動計２０２Ｂによって超音波に基づく対象物Ｔの表面の振動を非接触で検出できる。
　図１に示す実施形態では、パルスレーザ光Ｂ２の照射位置とレーザ光Ｂ３の照射位置とが同じ位置となる。また、図２に示す実施形態では、ガルバノミラー２０４、２０７の姿勢制御によって、パルスレーザ光Ｂ２の照射位置と同じ位置にレーザ光Ｂ３を照射することができる。
　超音波励振点と、受信点の近接化が可能になる為、これにより、対象物Ｔの検査面が小さい場合や、対象物Ｔが複雑な場合であっても、対象物Ｔの表面の振動を検出できる。
　また、図１及び図２に示す実施形態において、パルスレーザ光Ｂ２の照射位置とレーザ光Ｂ３の照射位置とが同じ位置であれば、パルスレーザ光Ｂ２の照射位置からレーザ光Ｂ３の照射位置までの振動の伝達時間を考慮しなくてもよくなる。これにより、後述する内部欠陥検出ステップＳ３０における演算負荷を低減できる。
　図１に示す実施形態では、パルスレーザ光Ｂ２とレーザ光Ｂ３とを同軸で照射できる。これにより、対象物Ｔが複雑な構造であっても、レーザ光Ｂ３が対象物Ｔの一部によって遮られることを回避して対象物Ｔの表面の振動を検出できる。
　図２に示す実施形態では、ガルバノミラー２０４、２０７の姿勢制御によって、パルスレーザ光Ｂ２の照射位置とレーザ光Ｂ３の照射位置とが常に一定の距離を保つように照射することができる。これにより、パルスレーザ光Ｂ２の照射によるノイズが検出されるタイミングと、上述した固有振動数での振幅が検出されるタイミングとをずらすことができ、固有振動数での振幅を検出し易くなる。また、図２に示す実施形態では、パルスレーザ光Ｂ２の照射位置とレーザ光Ｂ３の照射位置とが常に一定の距離を保つように照射することにより、パルスレーザ光Ｂ２の照射位置とレーザ光Ｂ３の照射位置との距離が変化する場合と比べて、後述する内部欠陥検出ステップＳ３０における演算負荷を低減できる。
　図３に示す実施形態では、上述したように、検出装置２０２からのレーザ光Ｂ３の対象物Ｔにおける照射位置は、予めミラー２０８の姿勢を調節することで設定された固定位置である。そのため、レーザ光Ｂ３の対象物Ｔにおける照射位置の表面の状態が不変であるため、対象物Ｔの表面の振動を安定して検出できる。
　また、図３に示す実施形態では、ガルバノミラー２０７の姿勢制御を行わなくてもよくなるので、制御装置２０３における演算負荷を抑制できる。
　このように、幾つかの実施形態に係る欠陥検出方法において、レーザ干渉計２０２Ａ又はドップラ振動計２０２Ｂによって対象物Ｔの表面の振動を検出するようにしてもよい。
　これにより、内部欠陥の有無を非接触で検出することができる。
　図４及び図５に示す実施形態では、接触式トランスデューサ２０２ｔによって超音波に基づく対象物Ｔの表面の振動を直接検出できる。これにより、レーザ干渉計２０２Ａ又はドップラ振動計２０２Ｂに対象物Ｔの表面の振動を非接触で検出する場合と比べて、良好な感度で対象物Ｔの表面の振動を検出できる。
　図４に示す実施形態では、接触式トランスデューサ２０２ｔを対象物Ｔの上面に設置するので、パルスレーザ光Ｂ２の照射位置と接触式トランスデューサ２０２ｔとの距離を比較的接近できるので、さらに良好な感度で対象物Ｔの表面の振動を検出できる。
　図５に示す実施形態では、接触式トランスデューサ２０２ｔを造形装置３００のベースプレート３０１に設置するので、対象物Ｔの検査面が小さい場合や、対象物Ｔが複雑な場合等、接触式トランスデューサ２０２ｔを対象物Ｔの上面に設置することが困難な場合であっても、対象物Ｔの振動を検出できる。
（内部欠陥検出ステップＳ３０）
　内部欠陥検出ステップＳ３０は、超音波に基づく対象物Ｔの振動の特定の周波数成分の振幅に基づいて、対象物Ｔの内部欠陥の有無を検出するステップである。
　図８は、内部欠陥検出ステップＳ３０における後述する処理に係る検出装置２０２の機能ブロックを示す図である。検出装置２０２は、時間波形蓄積メモリ２０２ａ、窓関数による抽出部２０２ｂ、ＦＦＴ処理部２０２ｃ、ＦＦＴ結果分析部２０２ｄ、マップ作成部（計測結果マップ作成部）２０２ｅの各機能ブロックを仮想的に有している。
　内部欠陥検出ステップＳ３０では、検出装置２０２は、次のようにして対象物Ｔの内部欠陥の有無を検出する。
　まず、検出装置２０２は、時間波形蓄積メモリ２０２ａにて、フォトディテクタ２０６で検出したパルスレーザ光Ｂ２の照射タイミングを基準として、該照射タイミング以降の予め設定された期間内に検出装置２０２で検出した振動の情報を検出装置２０２から取得する。
　図９Ａは、上述のようにして検出装置２０２から取得した振動の振幅を示すグラフの一例である。
　次いで、検出装置２０２は、窓関数による抽出部２０２ｂにて、上述のようにして検出装置２０２から取得した振動の情報から、内部欠陥の有無の検出に必要な振動の情報を抽出する。
　図９Ｂは、内部欠陥の有無の検出に必要な情報を抽出した後の振動を示すグラフの一例である。
　具体的には、窓関数による抽出部２０２ｂは、上述のようにして検出装置２０２から取得した振動の情報から、第１到達波についての振動の情報を抽出する。すなわち、窓関数による抽出部２０２ｂは、上述のようにして検出装置２０２から取得した振動の情報から、第１到達波を検出した期間に相当する振動の情報を抽出する。図９Ｂに示す例では、窓関数による抽出部２０２ｂは、上述のようにして検出装置２０２から取得した振動の情報から、フォトディテクタ２０６で検出したパルスレーザ光Ｂ２の照射タイミングを０秒として、該照射タイミング以降、５．０μ秒経過時までの振動の情報を抽出する。
　なお、上述した第１到達波についての振動の情報の抽出方法は一例であり、他の方法で第１到達波についての振動の情報を抽出してもよい。
　また、窓関数による抽出部２０２ｂは、該照射タイミング以降、５．０μ秒経過時までの振動の情報を抽出する際、パルスレーザ光Ｂ２の照射によるノイズを除くべく、該照射タイミング以降、所定の期間の振動の情報は取得対象から外す。図９Ｂに示す例では、制御装置２０３は、該照射タイミング以降、０．５μ秒経過時までの振動の情報は取得しない。
　上述のようにして抽出した第１到達波についての振動の情報には、対象物Ｔの表面近傍の内部欠陥の存在に起因した固有周波数によるたわみ振動と、表面波成分とを含んでいる。そこで、検出装置２０２は、ＦＦＴ処理部２０２ｃにて、該固有周波数によるたわみ振動を抽出すべく、上述のようにして抽出した第１到達波についての振動の情報に対してＦＦＴ（Ｆａｓｔ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理を行う。
　図９Ｃは、ＦＦＴ処理の処理結果を表すグラフの一例である。
　対象物Ｔにおける比較的表面から近い領域において内部欠陥が存在する場合、比較的低い周波数の範囲内で卓越している周波数成分の振幅が発生する。この周波数の範囲は、内部欠陥の形状、内部欠陥の位置、対象物Ｔの材質等によって決まるが、例えば０．５ＭＨｚ以上５．０ＭＨｚ以下の範囲となることがある。
　そこで、ＦＦＴ結果分析部２０２ｄは、上述したＦＦＴ処理の処理結果において、上述したような比較的低い周波数の範囲内の振幅のピークを検出し、そのピーク値を取得する。ＦＦＴ結果分析部２０２ｄは、該ピーク値が予め設定された閾値を超えている場合、パルスレーザ光Ｂ２の照射位置の直下に内部欠陥が存在していると判断する。
　図９Ｃに示す例では、１．２０ＭＨｚにおいて比較的大きな振幅のピークが認められる。
　なお、ＦＦＴ結果分析部２０２ｄは、ＦＦＴ処理部２０２ｃにおけるＦＦＴ処理の結果の総和や、特定の周波数の時のＦＦＴ振幅値等に基づいて内部欠陥の有無を判断するようにしてもよい。
　このように、上述した一実施形態に係る欠陥検出方法において、対象物Ｔの内部欠陥の有無を検出するステップ（Ｓ３０）では、内部欠陥の形状、内部欠陥の位置、対象物Ｔの材質等によって決まる周波数成分に基づいて、対象物Ｔの内部欠陥の有無を検出するとよい。
　これにより、対象物Ｔにおける比較的表面から近い領域における内部欠陥の有無を検出できる。
　なお、検出装置２０２は、パルスレーザ光Ｂ２の照射位置をずらしながら、上述した超音波発生ステップＳ１０から内部欠陥検出ステップＳ３０を繰り返し実施することで、対象物Ｔの表面の全面に亘り、比較的表面から近い領域における内部欠陥の有無を検出する。
　検出装置２０２は、マップ作成部２０２ｅにて、対象物Ｔの表面上の位置と、ＦＦＴ結果分析部２０２ｄが取得した上記ピーク値との関係を示すマップを作成する。すなわち、マップ作成部２０２ｅは、ＦＦＴ処理結果値をマップ状にプロットすることで上記マップを作成する。
　図１０は、マップ作成部２０２ｅにおいて作成された上記マップの一例を示す図である。図１０に示すマップでは、上記ピーク値の分布を上記ピーク値に応じた濃度で表している。
　なお、マップ作成部２０２ｅは、ＦＦＴ結果分析部２０２ｄがＦＦＴ処理部２０２ｃにおけるＦＦＴ処理の結果の総和を取得した場合には、この総和と、対象物Ｔの表面上の位置との関係を示すマップを作成する。
　また、マップ作成部２０２ｅは、ＦＦＴ結果分析部２０２ｄが特定の周波数のＦＦＴ振幅値を取得した場合には、このＦＦＴ振幅値と、対象物Ｔの表面上の位置との関係を示すマップを作成する。
　上述した一実施形態に係る欠陥検出方法は、対象物Ｔに対して、パルスレーザ光Ｂ２を照射して対象物Ｔ中に超音波を発生させるステップ（Ｓ１０）と、上記超音波に基づく対象物Ｔの振動における卓越している周波数成分の振幅に基づいて、対象物Ｔの内部欠陥の有無を検出するステップ（Ｓ３０）と、を含む。
　これにより、内部欠陥が対象物Ｔの表層に位置する場合においても内部欠陥を検出できる。また、パルスレーザ光Ｂ２を用いているため、探触子を介して対象物Ｔに超音波を発生させる方法に比べて、小さなスポット径で超音波を発生させることができる。その結果、照射方向から見た計測面が点、線、面のいずれであっても、内部欠陥を検出可能である。したがって、３Ｄ造形される対象物の内部欠陥の検出に適している。
　また、上述した一実施形態に係る欠陥検出方法において、対象物Ｔの内部欠陥の有無を検出するステップ（Ｓ３０）では、対象物Ｔのたわみ振動の領域にある周波数成分の振幅に基づいて、対象物Ｔの内部欠陥の有無を検出するとよい。
　これにより、比較的容易に内部欠陥を検出できる。
　上述した一実施形態に係る欠陥検出方法において、対象物Ｔの内部欠陥の有無を検出するステップ（Ｓ３０）では、対象物Ｔのたわみ振動の内、内部欠陥に起因する固有振動数における振幅を抽出し、該振幅の大きさに基づいて、対象物Ｔの内部欠陥の有無を検出するとよい。
　これにより、比較的容易に内部欠陥を検出できる。
　上述した一実施形態に係る欠陥検出方法において、対象物Ｔの内部欠陥の有無を検出するステップ（Ｓ３０）では、対象物Ｔのたわみ振動の内、第１到達波における周波数成分の振幅に基づいて、対象物Ｔの内部欠陥の有無を検出するとよい。
　これにより、対象物Ｔの内部欠陥の検出精度を向上できる。
（修復ステップＳ４０）
　修復ステップＳ４０は、付加造形の積層によって３Ｄ造形される造形中の対象物Ｔについて内部欠陥を検出した場合に、内部欠陥の直上位置で次層を形成するときに内部欠陥を修復するように次層と次層の直下層を溶融するステップである。
　幾つかの実施形態に係る欠陥検出方法では、内部欠陥検出ステップＳ３０において内部欠陥の存在が検出された場合に修復ステップＳ４０を実施する。
　すなわち、幾つかの実施形態では、付加造形の積層によって３Ｄ造形される造形中の対象物Ｔについて内部欠陥を検出した場合に、内部欠陥の直上位置で次層を形成するときに内部欠陥を修復するように次層と次層の直下層を溶融してもよい。「次層と次層の直下層を溶融する」とは、内部欠陥の上に位置する上層とともに内部欠陥を含む層を溶融することを意味する。
　表面から深い場所に位置する内部欠陥を修復することは困難である。この点、修復ステップＳ４０を実施することで、次層を形成するときに内部欠陥を修復するため、積層が進んで内部欠陥が表面から離れる前に修復を行うため、適切に修復することができる。
　本開示は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
　上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。
（１）本開示の少なくとも一実施形態に係る欠陥検出方法は、対象物Ｔに対して、パルスレーザ光Ｂ２を照射して対象物Ｔ中に超音波を発生させるステップ（Ｓ１０）と、上記超音波に基づく対象物Ｔの振動における卓越している特定の周波数成分に基づいて、対象物Ｔの内部欠陥の有無を検出するステップ（Ｓ３０）と、を含む。
　上記（１）の方法によれば、内部欠陥が対象物Ｔの表層に位置する場合においても内部欠陥を検出できる。また、パルスレーザ光Ｂ２を用いているため、探触子を介して対象物Ｔに超音波を発生させる方法に比べて、小さなスポット径で超音波を発生させることができる。その結果、照射方向から見た計測面が点、線、面のいずれであっても、内部欠陥を検出可能である。したがって、３Ｄ造形される対象物の内部欠陥の検出に適している。
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の方法において、対象物Ｔの内部欠陥の有無を検出するステップ（Ｓ３０）では、対象物Ｔのたわみ振動の領域にある周波数成分に基づいて、対象物Ｔの内部欠陥の有無を検出するとよい。
　上記（２）の方法によれば、比較的容易に内部欠陥を検出できる。
（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の方法において、対象物Ｔの内部欠陥の有無を検出するステップ（Ｓ３０）では、上記周波数成分の総和、又は、特定の周波数成分のＦＦＴ振幅値、の内の少なくとも１つに基づいて、対象物Ｔの内部欠陥の有無を検出するとよい。
　上記（３）の方法によれば、比較的容易に内部欠陥を検出できる。
（４）幾つかの実施形態では、上記（２）又は（３）の方法において、対象物Ｔの内部欠陥の有無を検出するステップ（Ｓ３０）では、対象物Ｔのたわみ振動の内、内部欠陥に起因する固有振動数における振幅を抽出し、該振幅の大きさに基づいて、対象物Ｔの内部欠陥の有無を検出するとよい。
　上記（４）の方法によれば、比較的容易に内部欠陥を検出できる。
（５）幾つかの実施形態では、上記（２）乃至（４）の何れかの方法において、対象物Ｔの内部欠陥の有無を検出するステップ（Ｓ３０）では、対象物Ｔのたわみ振動の内、第１到達波における周波数成分の振幅に基づいて、対象物Ｔの内部欠陥の有無を検出するとよい。
　上記（５）の方法によれば、対象物Ｔの内部欠陥の検出精度を向上できる。
（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかの方法において、レーザ干渉計２０２Ａ又はドップラ振動計２０２Ｂによって上記超音波に基づく対象物Ｔの表面の振動を検出するステップ（Ｓ２０）、を含むとよい。
　上記（６）の方法によれば、パルスレーザ光Ｂ２を用いて超音波を発生させ、レーザ干渉計２０２Ａ又はドップラ振動計２０２Ｂを用いてその超音波に基づく振動を検出するため、内部欠陥の有無を非接触で検出することができる。
（７）幾つかの実施形態では、上記（６）の方法において、振動を検出するステップ（Ｓ２０）では、対象物Ｔにおけるパルスレーザ光Ｂ２の照射位置と同じ位置にレーザ干渉計２０２Ａ又はドップラ振動計２０２Ｂのレーザ光Ｂ３を照射するとよい。
　上記（７）の方法によれば、対象物Ｔの検査面が小さい場合や、対象物Ｔが複雑な場合であっても、対象物Ｔの表面の振動を検出できる。
（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れかの方法において、付加造形によって３Ｄ造形される途中の対象物Ｔについて内部欠陥の有無を検出するとよい。
　上記（８）の方法によれば、３Ｄ造形途中で、内部欠陥を検出するため、大きな手戻りが発生するリスクを軽減することができる。
（９）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（８）の何れかの方法において、付加造形の積層によって３Ｄ造形される造形中の対象物Ｔについて内部欠陥を検出した場合に、内部欠陥の直上位置で次層を形成するときに内部欠陥を修復するように次層と次層の直下層を溶融するステップ（Ｓ４０）、を含むとよい。
　表面から深い場所に位置する内部欠陥を修復することは困難である。この点、上記（９）の方法によれば、次層を形成するときに内部欠陥を修復するため、積層が進んで内部欠陥が表面から離れる前に修復を行うため、適切に修復することができる。
１００　ビーム照射装置
２００　欠陥検出装置
２０１　パルスレーザ照射装置
２０２　検出装置
２０２Ａ　レーザ干渉計
２０２Ｂ　ドップラ振動計
２０２Ｄ　データロガー
２０２ｔ　接触式トランスデューサ
２０３　制御装置
２０６　フォトディテクタ
３００　造形装置

Claims (9)

  1. 　対象物に対して、パルスレーザ光を照射して前記対象物中に超音波を発生させるステップと、
    　前記超音波に基づく前記対象物の振動の特定の周波数成分に基づいて、前記対象物の内部欠陥の有無を検出するステップと、
    を含む欠陥検出方法。
  2. 　前記対象物の内部欠陥の有無を検出するステップでは、前記対象物のたわみ振動の領域にある前記周波数成分に基づいて、前記対象物の内部欠陥の有無を検出する
    請求項１に記載の欠陥検出方法。
  3. 　前記対象物の内部欠陥の有無を検出するステップでは、前記周波数成分の振幅、前記周波数成分の総和、又は、特定の周波数成分のＦＦＴ振幅値、の内の少なくとも１つに基づいて、前記対象物の内部欠陥の有無を検出する
    請求項２に記載の欠陥検出方法。
  4. 　前記対象物の内部欠陥の有無を検出するステップでは、前記対象物のたわみ振動の内、前記内部欠陥に起因する固有振動数における振幅を抽出し、該振幅の大きさに基づいて、前記対象物の内部欠陥の有無を検出する
    請求項２又は３に記載の欠陥検出方法。
  5. 　前記対象物の内部欠陥の有無を検出するステップでは、前記対象物のたわみ振動の内、第１到達波における前記周波数成分の振幅に基づいて、前記対象物の内部欠陥の有無を検出する
    請求項２乃至４の何れか一項に記載の欠陥検出方法。
  6. 　レーザ干渉計又はドップラ振動計によって前記超音波に基づく前記対象物の表面の振動を検出するステップ、
    を含む
    請求項１乃至５の何れか一項に記載の欠陥検出方法。
  7. 　前記振動を検出するステップでは、前記対象物における前記パルスレーザ光の照射位置と同じ位置に前記レーザ干渉計又は前記ドップラ振動計のレーザ光を照射する
    請求項６に記載の欠陥検出方法。
  8. 　付加造形によって３Ｄ造形される途中の前記対象物について前記内部欠陥の有無を検出する
    請求項１乃至７の何れか一項に記載の欠陥検出方法。
  9. 　付加造形の積層によって３Ｄ造形される造形中の前記対象物について前記内部欠陥を検出した場合に、前記内部欠陥の直上位置で次層を形成するときに前記内部欠陥を修復するように前記次層と前記次層の直下層を溶融するステップ、
    を含む
    請求項１乃至８の何れか一項に記載の欠陥検出方法。
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