An innovative use of CT method in light metals development

本技術概要は、Christoph Angermeier氏およびAmir M. Horr氏によって執筆され、iCT Conference 2014で発表された学術論文「An innovative use of CT method in light metals development」に基づいています。

キーワード

• 主要キーワード: CTスキャン 鋳造欠陥
• 副次キーワード: ハイプレッシャーダイカスト, アルミニウム合金, ポロシティ, 損傷モデリング, 非破壊検査, 機械的強度

エグゼクティブサマリー

• 課題: 鋳造部品のポロシティ（巣）を評価するための従来の破壊検査は、コストと時間がかかり、部品の寿命予測には限界がありました。
• 手法: 本研究では、工業用CTスキャンを用いて、ハイプレッシャーダイカスト（HPDC）プロセスを模擬して鋳造されたアルミニウム合金製ステッププレートの内部ポロシティを非破壊で定量化しました。
• ブレークスルー: CTスキャンから得られた初期ポロシティのデータを数値損傷モデル（ガーソンモデル）に直接入力することで、鋳造部品の機械的挙動と破壊を正確に予測できることを実証しました。
• 結論: CTスキャンとシミュレーションを統合したこのアプローチは、鋳造プロセスの最適化とHPDC部品の品質保証を飛躍的に向上させる、強力な非破壊ツールとなります。

課題：なぜこの研究がHPDC専門家にとって重要なのか

軽量化が求められる現代において、アルミニウム合金などの軽金属は不可欠な材料です。しかし、特にハイプレッシャーダイカスト（HPDC）のような鋳造プロセスでは、ガスや収縮に起因するポロシティ（内部の微小な空洞、巣）の発生が避けられません。これらの内部欠陥は、製品の機械的強度や耐久性に深刻な影響を及ぼし、予期せぬ故障の原因となります。

従来、これらの欠陥を評価するためには、製品を切断して顕微鏡で観察するなどの破壊検査が必要でした。この方法は、時間とコストがかかるだけでなく、検査した部品は製品として使用できなくなるという大きな欠点がありました。また、サンプル検査であるため、全数保証は困難です。製品を破壊することなく、内部欠陥を正確に把握し、その欠陥が製品寿命にどう影響するかを予測する革新的な手法が、業界全体で強く求められていました。

アプローチ：研究手法の詳説

本研究では、この課題を解決するため、実験とシミュレーションを組み合わせた革新的なアプローチを採用しました。

手法1：HPDCプロセスの模擬と試験片の鋳造 実際のHPDCプロセスを再現するため、スクイズキャスト機を改造しました。特に、溶湯が金型に流入するゲート部分のノズル形状を、従来の12mmからHPDCで一般的な高速射出を模擬できる0.5mmおよび1.0mmの狭い設計に変更しました。これにより、50m/sという高い溶湯速度を達成し、HPDC特有の乱流や湯流れを再現しました。材料には、一般的なHPDC用アルミニウム合金であるA226（AlSi9Cu3）を使用し、ステップ状の厚みを持つ試験片（ステッププレート）を鋳造しました。

手法2：CTスキャンによる内部欠陥の3次元定量化 鋳造されたステッププレートを、非破壊で内部を検査できる工業用X線CTスキャナで撮影しました。すべてのサンプルで同一の「関心領域（ROI）」を設定し、77µmのボクセルサイズという高解像度でスキャンを行いました。これにより、プレート内部のポロシティの分布、サイズ、体積分率を3次元で正確にマッピングし、定量化しました。また、このCTスキャン結果の妥当性を検証するため、従来法である切断・顕微鏡観察（メタログラフィー）による測定結果との比較も行いました。

手法3：機械試験とCT連動の損傷シミュレーション 鋳造された材料から引張試験片（平滑材、ノッチ付き材）やシャルピー衝撃試験片を切り出し、機械的特性（弾塑性挙動）を測定しました。次に、この実験データと、手法2のCTスキャンで得られた「初期ポロシティ（欠陥量）」を、有限要素解析ソフトウェア（Ansys）内のガーソン（Gurson）損傷モデルに入力しました。これにより、内部欠陥が材料の変形や破壊の進展にどのように影響するかをシミュレーションで予測しました。

ブレークスルー：主要な研究結果とデータ

本研究は、CTスキャンが単なる欠陥検出ツールにとどまらず、材料の性能予測に不可欠な定量的データを提供できることを明らかにしました。

発見1：CTスキャンによるポロシティ分布の正確な定量化

CTスキャンは、鋳造プロセス条件（ノズル径の違い）によって生じるポロシティの差を明確に捉えることに成功しました。図4のグラフに示すように、CTスキャンで測定されたポロシティ率（CT）は、従来法であるメタログラフィー（MT）による測定値と非常によく一致しており、本手法の定量的な信頼性の高さが証明されました。これにより、非破壊で、かつ3次元的に欠陥分布を正確に把握することが可能になりました。

発見2：CTデータを用いた損傷シミュレーションによる高精度な破壊予測

本研究の最も重要な成果は、CTスキャンで得られた実測の初期ポロシティ値を損傷モデルに組み込むことで、材料の破壊挙動を極めて高い精度で予測できた点です。図6は、実験で得られた応力-ひずみ曲線（Experiment）と、シミュレーションによる予測曲線（Simulation）を比較したものです。両者が非常によく一致していることから、CTデータに基づいたシミュレーションが、実際の材料の変形や破壊のプロセスを忠実に再現していることがわかります。これは、内部欠陥を考慮した、より現実的な強度設計が可能になることを意味します。

実務への応用：研究開発と製造現場へのインパクト

本研究の成果は、HPDCに関わるさまざまな専門家にとって、具体的かつ実践的なメリットをもたらします。

• プロセスエンジニアへ： ゲート設計（本研究では0.5mmと1.0mmのノズル）がポロシティの発生に直接的な影響を与えることが定量的に示されました。CTスキャンを活用することで、プロセスパラメータの変更が内部品質に与える影響を迅速かつ正確に評価し、欠陥を最小化する最適な鋳造条件を効率的に見つけ出すことができます。
• 品質管理チームへ： 図4のデータが示すように、CTスキャンはポロシティを非破壊で定量的に評価する新たな基準を提供します。これにより、従来の「OK/NG」の判定だけでなく、ポロシティの分布や量に基づいて製品の機械的強度を予測する、より高度な品質保証体制を構築できます。
• 設計エンジニアへ： 鋳造プロセスによって生じる欠陥が、製品の破壊にどう繋がるかがシミュレーションで可視化されました。この知見は、設計の初期段階で製造上の制約（欠陥の発生）を考慮に入れることを可能にし、より頑健で信頼性の高い部品設計に貢献します。

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Paper Details

An innovative use of CT method in light metals development

1. 概要:

• 論文名: An innovative use of CT method in light metals development
• 著者: Christoph Angermeier, Amir M. Horr
• 発表年: 2014
• 発表誌/学会: iCT Conference 2014
• キーワード: Computer Tomography, Porosity, Damage Model, Mechanical Strength, Aluminium

2. 抄録:

過去20年間、マクロ組織のキャラクタリゼーションとその材料特性への影響は多くの著者によって検討され、特に材料強度と機械設計に特別な注意が払われてきた。材料欠陥を調査するために、微細構造キャラクタリゼーション、例えば超音波スキャン、マクロエッチング、光学顕微鏡、走査型電子顕微鏡、そしてX線コンピュータトモグラフィ（CT）など、様々な手法が提案されてきた。従来、部品のポロシティを決定するには破壊検査が必要であった。しかし、工業用CTスキャンは部品を破壊することなく内部の特徴や欠陥を検出できる。これにより、破壊が発生する前にポロシティ、介在物、または亀裂といった部品内部の欠陥を検出することが可能である。異なる金属や合金におけるポロシティの変動を、材料の組成比率を変化させながら（特に異なる圧縮および引張荷重下で）研究することは、金属部品の機械的強度と設計にとって重要な考慮事項である。工業用CTはその解像度に応じて、金属や鋳造部品の微小な欠陥を3次元で検出し、局在化させることさえ可能である。

近年、部品欠陥を調査するために、Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen（LKR）では工業用CTの使用が重視されている。マクロ組織のキャラクタリゼーションとその材料強度への影響は、CTによる材料欠陥（特にポア）の検出を用いて行われる。CTが材料キャラクタリゼーション、例えば金属フォーム（アルミニウムフォーム）におけるセル形状とセル分布のキャラクタリゼーションや、鋳造部品（高圧鋳造プロセス）のガス孔や収縮巣といった微細構造欠陥の調査に使用された様々なプロジェクトが存在する。サンプルの3次元スキャンとポロシティ解析の可能性は、ボイドの体積分率と介在物のサイズを測定する機会を開いた。その後の損傷モデリングは、部品の設計寿命における材料強度と耐久性を確立するであろう。

本稿の主要な貢献の一つは、材料キャラクタリゼーションと損傷モデリングにおけるCT使用の利点を示すことである。スクイズキャストプロセス（アルミニウムステッププレートの鋳造に使用）は、霧化流特性（入口での霧化ジェット）を用いて高速度/高圧の高品質な鋳造部品を達成するために修正された。入口ゲートを越えて約50m/sの典型的な流（溶湯）速度が達成され、入口直後にジェット前頭が形成される。これは、溶湯が高速で射出されるステッププレート金型のゲートをスケールダウンすることによって達成された。金型自体の形状は変更されておらず、その結果、鋳造プレートはスクイズキャストのものと（サイズと厚みの点で）同一となった。これにより、鋳造プロセスとその条件がプレートの品質に与える影響について、広範な比較調査を実施する機会が開かれた。さらに、CT結果を用いて、軽金属合金におけるポロシティの変動とその損傷蓄積への影響を調査するための追加の実験およびシミュレーションタスクも実施された。

3. 緒言:

CTは非破壊材料試験における革新的かつ発展途上の技術である。材料科学におけるCTの応用可能性に関する多くの研究が、鋳造プロセスの最適化、破壊力学、疲労寿命、損傷モデリング、そして微細構造キャラクタリゼーションといった問題に対処するために近年実施されている。

4. 研究概要:

研究トピックの背景:

軽金属鋳造部品の機械的強度と設計において、ポロシティなどの内部欠陥の評価は極めて重要である。従来の破壊検査法には限界があり、部品全体を評価し、その後の性能を予測するための非破壊的な手法が求められていた。X線コンピュータトモグラフィ（CT）は、部品を破壊することなく内部構造を3次元で可視化・定量化できるため、この課題に対する有望な解決策として注目されている。

従来研究の状況:

CT技術は、シンクロトロンCTによる軽金属合金中の微細相の検出、凝固過程のその場観察、ポア構造の有限要素解析への応用など、様々な研究でその有効性が示されてきた。産業界では、主に量産品のポア検出に利用されている。しかし、CTによって得られた欠陥情報を直接的に材料の損傷・破壊モデルに組み込み、機械的性能を定量的に予測する統合的アプローチは、まだ発展途上であった。

研究の目的:

本研究の目的は、材料キャラクタリゼーションおよび損傷モデリングにおけるCTの革新的な利用法とその利点を実証することである。具体的には、CTスキャンによって得られた鋳造欠陥（ポロシティ）の定量的データを、数値シミュレーションの初期条件として活用し、アルミニウム合金の損傷蓄積と破壊挙動を予測する一連のワークフローを確立することを目指す。

研究の核心:

本研究では、スクイズキャストプロセスを改造して高圧ダイカスト（HPDC）の高速充填を模擬し、意図的にポロシティレベルの異なるアルミニウム合金（A226）製ステッププレートを作製した。これらのプレートをCTスキャンし、内部のポロシティ分布を3次元で定量化した。その後、鋳造材から機械試験片を採取して機械的特性を評価すると同時に、CTスキャンで得られた初期ポロシティ値を入力パラメータとして、ガーソン損傷モデルを用いた有限要素シミュレーションを実施した。実験結果とシミュレーション結果を比較することで、CTデータに基づく損傷予測モデルの妥当性を検証した。

5. 研究方法論

研究デザイン:

本研究は、実験的アプローチと数値的アプローチを組み合わせた設計を採用している。実験フェーズでは、(1) HPDC模擬条件下でのアルミニウム合金ステッププレートの鋳造、(2) CTスキャンによる非破壊でのポロシティ定量化、(3) 引張試験およびシャルピー衝撃試験による機械的特性評価を行った。数値フェーズでは、実験で得られた材料特性とCTスキャンによる初期欠陥データを用いて、有限要素法による損傷進展シミュレーションを実施した。

データ収集・分析方法:

データ収集は、主にCTスキャンと機械試験によって行われた。CTスキャンでは、77µmのボクセルサイズでスキャンを行い、得られた3Dデータから関心領域（ROI）内のポロシティ体積分率を算出した。この結果は、従来法であるメタログラフィーによる断面観察（交線法）の結果と比較検証された。機械試験では、変位制御方式で荷重-変位データを収集した。収集されたデータは、数値損傷モデル（ガーソン・チョバチェ・パワー則複合モデル）のパラメータ同定と、シミュレーション結果の検証に用いられた。

研究対象と範囲:

本研究の対象は、高圧ダイカスト用アルミニウム合金A226（AlSi9Cu3）である。研究範囲は、鋳造プロセス（HPDC模擬）、CTによる欠陥定量化、機械的特性評価、そしてそれらを統合した数値損傷シミュレーションまでを含む。特に、CTスキャンから得られる実測のポロシティ情報を、連続体力学に基づく損傷モデルの初期条件として利用する点に焦点を当てている。

6. 主要な結果:

主要な結果:

• ゲートのノズル寸法を変更したスクイズキャスト法により、HPDCプロセス特有の高速充填とそれに伴うポロシティの発生を効果的に模擬することに成功した。
• CTスキャンは、鋳造されたステッププレート内部のポロシティ分布を3次元的に、かつ定量的に評価する有効な手段であることが示された。その測定結果は、従来のメタログラフィーによる測定値と良好な一致を示した（図4）。
• CTスキャンから得られた初期ポロシティ値を入力パラメータとして用いた数値損傷シミュレーションは、実験で得られた材料の応力-ひずみ挙動を高い精度で予測することができた（図6）。これは、CTと損傷モデリングを組み合わせるアプローチの妥当性を実証するものである。

Figure Name List:

• Figure 1: CT slices of cast integral aluminum foam cores, remained stable (left) and infiltrated (right)
• Figure 2: Exposition of wheel hub in Light Metal Technology (LMT) conference, Gmunden, 2012 and CT scan of the magnesium wheel hub
• Figure 3: Details of new nozzle designs for step plates and UBE HVSC 350 Squeeze Casting machine at LKR
• Figure 4: ROIs, their porosity percentage(CT – measured in computed tomography; MT – measured in metallography) and CT scanning parameters for step plate investigations
• Figure 5 - Experimental specimen, cast step plate and test machines
• Figure 6: Geometry, mesh, stress Intensity contour, true stress-strain curves and material card

7. 結論:

本稿では、アルミニウム合金の損傷蓄積における鋳造欠陥の影響を調査した、数値損傷モデリングにおけるCTスキャンの使用法を提示した。論文の前半では、CT技術とその鋳造欠陥検出への応用、およびその後の数値損傷モデリングを研究するための簡単なレビューを行った。後半では、斬新な損傷シミュレーションモデリングと共に、包括的な一連の実験的研究について記述した。従来型の欠陥検出法とその後の損傷モデルは効率と精度に欠けるように見えるため、このアプローチは独自のものである。

実験結果とシミュレーション結果の比較分析は、CTスキャンからの初期ポロシティ入力を持つ数値モデルが、軽金属合金の損傷と破壊に対して合理的に正確な予測を生成したことを示している。全体的に手頃なシミュレーション時間と蓄積された損傷および破壊モデルの精度は、この方法を産業プロジェクトでの実用的な使用にとって非常に魅力的なものにするだろう。ここでの重要な点は、CT技術が高解像度で詳細な欠陥情報を提供するため、軽金属合金に対する高度な鋳造プロセスシミュレーション結果（ボイドの分布とサイズなど）を完全に検証するためにも使用できることである。

CT技術のスキャン能力と高度な数値損傷モデルを組み合わせることで、鋳造部品の品質を評価するための強力なツールを作成できると結論付けられる。また、これは工業的なHPDC生産における品質管理手順を合理化する。

軽金属合金に対するより高度な損傷蓄積および破壊モデルを数値的に調査する機会がとられ、これは今後の研究プロジェクトの主題となるであろう。先進的なCT技術の強力な検出機能は、材料キャラクタリゼーション、欠陥モデリング、そして組成効果と自動化された方法で結びつけられるだろう。これらの調査は、実用的で信頼性の高いシミュレーション方法を達成するために、我々の学術的および産業的パートナーとの協力のもとで実施される。

8. 参考文献:

• [1] G. Requena, P. Cloetens, W. Altendorfer, C. Poletti, D. Tolnai, F. Warchomicka, and H. P. Degischer, “Sub-micrometer synchrotron tomography of multiphase metals using Kirkpatrick–Baez optics," Scr. Mater., vol. 61, no. 7, pp. 760–763, Oct. 2009.
• [2] D. Tolnai, P. Townsend, G. Requena, L. Salvo, J. Lendvai, and H. P. Degischer, “In situ synchrotron tomographic investigation of the solidification of an AlMg4.7Si8 alloy,” Acta Mater., vol. 60, no. 6–7, pp. 2568–2577, Apr. 2012.
• [3] G. Nicoletto, R. Konečná, and S. Fintova, “Characterization of microshrinkage casting defects of Al-Si alloys by X-ray computed tomography and metallography,” Int. J. Fatigue, vol. 41, pp. 39-46, Aug. 2012.
• [4] A. Staude, M. Bartscher, K. Ehrig, J. Goebbels, M. Koch, U. Neuschaefer-Rube, and J. Nötel, “Quantification of the capability of micro-CT to detect defects in castings using a new test piece and a voxel-based comparison method,” NDT E Int., vol. 44, no. 6, pp. 531–536, Oct. 2011.
• [5] J. Kastner, B. Harrer, G. Requena, and O. Brunke, “A comparative study of high resolution cone beam X-ray tomography and synchrotron tomography applied to Fe- and Al-alloys,” NDT E Int., vol. 43, no. 7, pp. 599–605, Oct. 2010.
• [6] Ambos, E., Neuber, D., Besser, W., Stuke, I., Teubner, S., Lux, H., and Brunke, O., “Einsatz der Schnellen Computertomographie zur Prorositätsbewertung an Druckgussteilen,” Gie, vol. 60, no. 1/2, pp. 14–22, 2013.
• [7] Chimani, C. M., Kretz, R., and Angermeier, C., “Investigations On Microstructure Effect Of Changing Fluid Flow Characteristic In High Pressure Die Casting," in 15th International Symposium on Metallography, Stara Lesna, 2013.
• [8] Chimani, C. M., Kretz, R., Schneiderbauer, S., Puttinger, S., and Pirker, S., “Studies on flow characeristics at high-pressure die-casting,” in Light Metals 2012, 2012.
• [9] Gurson, A.L., Continuum theory of ductile rupture by void nucleation and growth, Part I: Yield criteria and flow rule for porous ductile media. J. Eng. Mater. Technol., Vol. 99, pp. 1–15, 1977.
• [10] Johnson, G. R. and Cook, W. H., Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates, temperature and pressure, J. Eng. Fracture Mechanics, Vol. 21. No. 1, pp. 31-48, 1985.
• [11] Needleman, A. & Tvergaard, V., Analysis of plastic flow localization in metals. Applied Mechanics Review, 45, pp. s3-s18, 1992.
• [12] Neukamm F., Feucht M. and Haufe A., Considering damage history in crashworthiness simulation, Ls-Dyna Anwenderforum, 2009.
• [13] Tresca, H.,, Mémoire sur l'écoulement des corps solides soumis à de fortes pressions. C.R. Acad. Sci. Paris, vol. 59, pp. 754, 1864.

専門家Q&A：技術的な疑問に答える

Q1: なぜ標準的なHPDC機を使用せず、スクイズキャスト法を改造して実験を行ったのですか？

A1: 本研究の目的は、鋳造プロセス条件、特に高速な溶湯の流れがポロシティ形成に与える影響を比較調査することでした。スクイズキャスト機のノズル形状を変更することで、HPDC特有の50m/sという高い溶湯速度を制御された条件下で再現しました。これにより、他の条件を一定に保ちながら、ゲート形状という単一の変数が品質に与える影響を明確に評価することが可能になりました。

Q2: 0.5mmと1.0mmという異なるノズル設計を用いたことの技術的な意義は何ですか？

A2: ノズル径を狭くすることは、溶湯の流速を上げ、HPDCで典型的に見られる高い乱流と霧化流（アトマイズフロー）を引き起こします。0.5mmと1.0mmという2つの異なる設計を用いることで、乱流の度合いが異なる条件を作り出し、その結果として生じるポロシティの量や分布の変動を調査しました。これにより、ゲート設計が内部欠陥の生成に直接的に関与していることを実証しました。

Q3: CTスキャンによるポロシティ測定の精度はどのように検証されたのですか？

A3: CTスキャンによる測定値の信頼性を確保するため、従来から行われている検証手法であるメタログラフィー（MT）と比較しました。試験片を切断し、その断面を顕微鏡で観察して交線法によりポロシティの面積率を測定しました。図4に示されるように、CTスキャンによる体積分率とメタログラフィーによる面積率には良好な相関関係が見られ、CT測定の定量的な精度が裏付けられました。

Q4: シミュレーションで使用された具体的な損傷モデルとその選定理由を教えてください。

A4: シミュレーションには、パワー則塑性と組み合わせたガーソン（Gurson）損傷モデルが採用されました。このモデルは、多孔質延性材料の破壊を記述するために広く用いられています。特に、ポロシティ（ボイド）の発生、成長、合体という物理的な破壊プロセスを考慮しているため、鋳造欠陥を持つ材料の延性破壊を予測するのに非常に適していると判断されました。

Q5: 論文ではCTスキャンによる「初期ポロシティ」をシミュレーションに用いたとありますが、具体的にどのように実装したのですか？

A5: CTスキャンによってサンプル全体のポロシティ体積分率を測定しました。この実測値を、ガーソンモデルの材料カードにおける「初期ポロシティ（F_O）」のパラメータとして直接入力しました。図6の材料カードの表に示されているように、この研究ではF_O = 0.5%という値が使用されています。これにより、理想的な無欠陥材料ではなく、実際の鋳造部品が持つ欠陥状態を初期条件とした、より現実的なシミュレーションが実現されました。

Q6: このCT-シミュレーション連携ワークフローは、ProCastやMagmasoftのような従来の鋳造プロセスシミュレーションソフトと比較して、どのような利点がありますか？

A6: ProCastなどの鋳造シミュレーションは、プロセス条件に基づいて「欠陥がどこに、どの程度発生するか」を予測するツールです。一方、本研究のワークフローは、CTスキャンによって「実際に製造された部品に存在する欠陥」を直接測定し、その実測データを機械的破壊シミュレーションの入力とします。これにより、予測ではなく、実物ベースでの品質評価と性能予測が可能となり、鋳造シミュレーション結果の検証や、より精度の高い品質保証ツールとして機能する点が大きな利点です。

結論：高品質と高生産性への道を拓く

本研究は、CTスキャン 鋳造欠陥の評価が、単なる検査から性能予測へと進化する可能性を明確に示しました。実際の鋳造部品から得られる内部欠陥の3Dデータを、高度な数値シミュレーションと直接連携させることで、製品の機械的強度や寿命を非破壊で、かつ高い精度で予測する道が拓かれました。このアプローチは、開発期間の短縮、試作コストの削減、そして最終製品の品質と信頼性の向上に大きく貢献します。

CASTMANでは、業界の最新研究を常に取り入れ、お客様の生産性と品質の向上を支援することをお約束します。本稿で議論された課題がお客様の事業目標と合致する場合、ぜひ弊社のエンジニアリングチームにご相談ください。これらの先進的な原理を、お客様の部品製造にどのように適用できるかをご提案いたします。

著作権情報

このコンテンツは、Christoph Angermeier氏およびAmir M. Horr氏による論文「An innovative use of CT method in light metals development」に基づく要約および分析です。

出典: https://www.ndt.net/?id=15697

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