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携帯型測定器で塗膜の厚さを超音波で測定できるようになり、UV/EB硬化技術を使用する産業で非破壊検査が可能になりました。この記事では、超音波探傷の動作原理と利点について説明します。
木材、プラスチック、複合材などの硬い基材を扱う業界では、超音波測定技術を使用した膜厚計の人気が高まっています。これらの測定器は、自動車、航空宇宙、木製品製造、工業仕上げなどさまざまな業界で、15ミクロン（0.5ミル）以上の厚さのUV/EB硬化塗膜の厚さを測定する破壊的方法をサポートまたは代替するものです。
コーティングにはさまざまな機能があります。あるものは、傷や摩耗、湿気、その他の化学物質に耐えるように設計されています。また、構造物の修復、保護、防水、美化を目的としたものもあります。また、気孔を塞いだり充填したり、表面の質感を美しくするために特別に処方されるものもあります。
なぜ厚みを測るのか？
塗料は、メーカーが指定する狭い膜厚範囲内で塗布されたときに、本来の機能を発揮するように設計されています。これにより、最適な製品性能を確保することができます。厚み測定が重要な状況の例
仕上げ厚さを正確に測定するメリットは、ISOや品質、顧客の要求である工程管理を満たすため、あるいはコスト管理のためなど、他にもあります。受入材料の塗膜品質のチェックと検証を怠ると、製品の再加工に無駄なコストがかかります。塗布装置をチェックすることで、塗布がメーカーの推奨する方法に準拠していることを確認できます。また、過剰な膜厚で塗布すると、硬化が不完全になる可能性があり、全体の効率を大幅に低下させることになります。最後に、定期的に検査を行うことで、仕上げの不具合による社内の再加工や顧客からの返品を減らすことができます。
どのようにテストするのがベストか？
金属の上では、品質管理や検査のために、塗膜の厚さを検査することが一般的です。母材が炭素鋼の場合は、磁気方式が使われます。銅やアルミなど他の金属の場合は、渦流式装置が使われます。このようなハンディタイプの測定器の中でも、多くの機種があります。片手で簡単に広い面を測定できるように、プローブが内蔵されているものもあります。また、小さな部品や手の届きにくい場所を測定するために、短いケーブルの先に小さなプローブが配置されているものもあります。多くの測定器には、平均値の計算や、保存した測定値をプリンターやコンピューターにダウンロードするためのメモリなど、測定作業を容易にするためのオプション機能が付いています。
しかし、磁気式や渦電流式の測定器では、非金属基板上の仕上げ材の厚さを測定することはできません。そのため、産業界では次のような代替技術を使って厚みを測定している。
これらのテストは時間がかかり、実行が困難で、オペレーターの解釈や他の測定誤差の影響を受けます。アプリケーターは、破壊的な方法が非現実的であると考えます。統計的に代表的なサンプルを得るためには、破壊試験プロセスの一環として、1つのロットからいくつかの製品を廃棄する必要がある場合があります。重量法では平均的な膜厚は得られますが、特定領域の膜厚プロファイルは得られません。
超音波測定器の登場により、多くのフィニッシャーがUV/EB硬化厚膜の非破壊検査に切り替えています。
超音波のブレークスルー
品質の専門家は、高周波の音エネルギーを使って検査や測定を行う超音波探傷試験のさまざまな側面をすでに知っています。超音波試験は、金属の欠陥の検出と評価、寸法の測定、材料の特性評価などを行うことができます。
壁厚測定は、おそらく超音波検査の中で最も一般的でシンプルな検査です。高精度の超音波壁厚計を使用すれば、両側からアクセスすることなく、対象物の厚みを素早く測定することができます。しかし、塗膜の測定には理想的ではありません。アクリルフィラー、プライマー、ラッカー、UVフィニッシュ、パウダーコーティングなど、非金属製品の上に塗布される材料の厚みを測定するには十分な感度を持ちません。
膜厚測定用に特別に設計された最初の携帯型測定器は、14年前に市場に登場し、現在では第4世代になります。この装置は、単一素子トランスデューサと、デジタル化されたエコーをフィルタリングして強調するadvanced 数値計算技術を使用しています。今日の携帯型超音波膜厚計は、操作が簡単で、価格も手ごろ、かつ信頼性の高いものとなっています（図3）。
音響測定技術
超音波探傷は、塗膜の表面に塗布したカプラントの助けを借りて、プローブ（振動子）で超音波の振動を与えることで行われる。
振動はコーティングの中を通り、機械的特性の異なる材料（通常は基板、あるいは別のコーティング層）にぶつかるまで伝わります。振動は、この界面で部分的に反射し、トランスデューサに戻ります。一方、透過した振動の一部は、その界面を越えてさらに移動し、あらゆる材料の界面で反射を経験する(図4)。
多数のエコーが発生する可能性があるため、ゲージは最大または「最も大きな」エコーを選択して、そこから厚み測定を計算するように設計されています。多層膜の測定では、個々の層を測定する装置も、最も大きなエコーを選択するようになっています。ユーザーは測定する層の数（例えば3層）を入力するだけで、ゲージは最も大きな3つのエコーを測定します。コーティングの欠陥や基材層からの柔らかいエコーは無視されます。
測定精度
超音波測定の精度は、測定対象物の音速に直接対応します。超音波測定器は超音波パルスの通過時間を測定するため、その特定の材料における「音速」に対して校正する必要があります。
実用上、音速の値はUV/EBコーティング材料間で大きな違いはありません。そのため、超音波膜厚計は通常、工場出荷時の校正設定を変更する必要はありません。
超音波による膜厚測定は、現在ではUV/EB硬化型コーティングの検査方法として広く受け入れられており、信頼性も高くなっています。ゲージの校正を確認するために、国家標準機関にトレーサブルな証明書を持つエポキシ樹脂コーティングされた厚み標準が利用可能です。
コーティングと基材が出会う場所
超音波測定の精度と再現性に影響を与える要因として、これらのコーティングが基材とどのように接しているかが挙げられます。例えば、木材の表面には、滑らかな面と粗い面の両方があり、塗膜の厚さを測定することができます。図5は、コーティングされた木材の一例です。この写真は、ほとんどの現場破壊試験で可能な解像度よりも高い解像度で撮影され、仕上げ塗装と木材の境界を表しています。仕上げ塗装の表面は平滑に見えますが、その厚さは一定ではありません。木材の基材は粒状であることが多く、表面の粗さやプライマーの浸透の程度はさまざまです。このような多孔性と粗さは接着を促進する可能性がありますが、どのような方法でも再現性のある厚み測定を行うことが難しくなります。
超音波ゲージの測定結果は、小さな凹凸を平均化し、意味のある結果を出すように設計されています。特に粗い表面や基板では、個々の測定値が再現性に欠けることがありますが、平均化された一連の測定結果を比較することにより、許容できる再現性が得られることがよくあります。
最後のエコー
この技術に関するstandard 試験方法は、ASTM D6132-04 "Standard Test Method for Nondestructive Measurement of Dry Film Thickness of Applied Organic Coatings Using an Ultrasonic Gage" (2004, ASTM) で説明されている。このstandard を更新するための最近の取り組みとして、8 社がラウンドロビン試験を実施し、様々な塗装された木工パネ ルを超音波で測定した。パネルには、ヒッコリーやメープルに施されたUV硬化型コーティングが含まれています。結果は今年末に発表される予定ですが、standard の偏差が小さく、良好な繰返し性と再現性を示しています。
従来は破壊試験やラボ分析、高価な非破壊装置を必要とした材料でも、迅速かつ非破壊で厚みを測定できるようになりました。この新しい技術により、仕上げ加工室での一貫性とスループットが向上します。コスト削減の可能性は以下の通りです。
現在では、これらの機器は操作が簡単で、価格も安く、信頼性の高いものとなっています。
DAVID BEAMISH（1955年 - 2019年）ニューヨークを拠点に世界中で販売されているハンドヘルド型塗装試験機メーカー、DeFelsko Corporationの元社長です。土木工学の学位を持ち、工業塗装、品質検査、製造業など様々な国際的産業において、これらの試験機器の設計、製造、販売に25年以上の経験を持つ。トレーニングセミナーを開催し、NACE、SSPC、ASTM、ISOなどさまざまな組織のメンバーとして活躍しました。
