X線検査における最適なバランスの追求

高解像度と優れた統合性

品質管理におけるトレードオフのバランス

製造の最適化は、常にさまざまなトレードオフの歴史でした。スループットの最大化は、従業員や設備の安全性とバランスを取る必要があります。利益の最大化には、高品質な原材料とのバランスが不可欠です。これらはほんの一例に過ぎません。

品質管理プロセスにおいても、それは同様です。特定の品質管理プロセスに適したX線源を見つけることは、特に高解像度での微細な欠陥検出の要求と、信頼性の高い稼働時間、高速な検査スループット、そして生産環境への容易な統合という要件とのバランスを取る上で、非常に困難な場合があります。これらすべてのパラメータが、非破壊品質検査の性能、信頼性、コストを決定づけます。

この注目トピックでは、バッテリー検査、自動車産業における複雑な鋳造品、または航空宇宙産業における大型の積層造形部品において、費用対効果の高い品質管理を提供する上での従来のX線管技術の課題と限界を探ります。また、非破壊検査のX線検査工程において、生産ラインにおける解像度、速度、信頼性のより良いバランスを提供するComet X-RayのMesoFocus技術についても紹介します。 

X線検査は多くの産業において重要なツールであり、幅広い製品の内部構造や品質を非破壊で検査する方法を提供しています。しかし、今日の産業用X線ソリューションにおいて、ユーザーは信頼性が高くコストが最適化された品質検査を実現するための重要な要件に関して、大きなトレードオフに直面しています。

従来のX線技術の限界

一方で、定置型のシールド付きX線ソリューションは稼働時間が長く、生産現場への統合も容易であるため、インライン検査システムや、安定性、再現性、メンテナンスの容易さが求められる用途で広く採用されています。しかし、シールド付きX線管は解像度に限界があり、200マイクロメートル未満の詳細な識別にはあまり適していないため、高解像度イメージングを必要とする一部の用途ではデメリットとなる場合があります。 

他方で、オープンタイプのマイクロフォーカスX線モジュールは優れた解像度を備え、研究室などで高い性能を発揮するため、最高レベルの解像度が求められる用途で第一の選択肢となります。しかし、これらのX線管は量産環境への統合がより難しく、メンテナンスや予期せぬ修理が必要になる頻度が高いため、ダウンタイムにつながるおそれがあります。これは、検査システムが生産ラインに組み込まれており、ダウンタイムが莫大な損失につながる産業において、特に深刻な問題となります。

製造現場がリチウム電池、複雑な航空宇宙用部品、大型で高密度な自動車部品の製造などにおいて、より高度な素材やコンポーネントへと移行するにつれて、エンジニアには、法的責任の軽減と利益の最大化のために、優れた稼働時間とスループットの向上を維持しつつ、より高解像度な高度な検査が求められています。例えばリチウム電池の分野では、不良バッテリーは発火や爆発を引き起こす危険性が非常に高く、一般社会に対して重大な結果をもたらす可能性があります。収益性を犠牲にすることなくリスクを軽減するためには、製造されたすべての部品やコンポーネントに対して迅速かつ信頼性の高い検査を行い、検査対象の部品ごとの生産コストを上げることなく、エンドユーザーにとって安全な製品を確実に提供することが極めて重要です。

より良いバランスの追求

25〜250マイクロメートルの範囲における高度な微小部の検出、安定した動作、そして生産環境への容易な統合を兼ね備えた、適切な産業用X線ソリューションを見つけることは可能でしょうか？ 

この問いに答えるためには、まず従来のX線モジュールのトレードオフと限界を理解し、その上でX線管技術における近年の進歩を検証する必要があります。 

アプリケーションに最適なバランスの追求

従来のミニフォーカスおよびマイクロフォーカスX線モジュール

X線源は、焦点（フォーカス）のサイズに基づいて分類されます。シールド付き金属セラミック絶縁ミニフォーカス技術は、優れた稼働時間を提供し、生産環境への統合も容易であるため、速度、安定性、再現性、メンテナンスの容易さが求められるインライン検査システムやその他の用途で人気の選択肢となっています。 

これらは24時間365日の稼働に最適であり、標準的なオープンタイプのマイクロフォーカスモジュールと比較して検査時間を最大60%短縮できます。メンテナンスの面では、シールド付きX線管は頻繁な保守を必要とせず、粉塵、油分環境、湿度に対しても敏感ではありません。その結果、メンテナンスやサービス介入の回数が減り、稼働時間が向上するため、品質検査プロセスにおけるダウンタイムコストを削減できます。

マイクロおよびナノフォーカスX線源は、0.6 µmまでの微小部の検出が可能な、高精細で詳細な解像度を提供します。速度が遅く保守間隔が短いため全数検査には適さない場合もありますが、高いレベルの詳細度と精度が求められるアプリケーションには優れた選択肢となります。マイクロおよびナノフォーカス技術は通常、電子部品、先端半導体パッケージ、または微小電気機械システム（MEMS）のサンプル検査に使用されます。

ミニ、マイクロ、ナノフォーカスの各ソリューションの特性を見ると、どちらかを選択する際には大きなトレードオフが生じること、あるいは両方の技術を単一の検査システムに統合する場合には多大なコストがかかることは明らかです。

新しいMesoFocusテクノロジー

MesoFocusテクノロジーは、シールド付きX線管とオープンタイプのマイクロフォーカスX線管の優れた特性を兼ね備えており、最大25 µmの解像度で研究室レベルの性能を生産現場にもたらします。これにより高スループットと低ダウンタイムを実現し、製造における品質管理コストを削減します。

スループットを犠牲にすることなく検出性を向上

多くの検査アプリケーションにおいて、確実な不良検出を実現する解像度性能と、速度およびスループット容量をもたらす適切な電力（W）の組み合わせが重要な要件となります。検査システムの正確な性能は、画像チェーン全体（検出器の種類と解像度、倍率、画像処理ソフトウェアなど）を網羅する多くのパラメータによって決まることは間違いありません。それにもかかわらず、標準化された焦点および解像度の測定により、X線源の能力の観点から異なるシステムを比較（図4）することが可能です。

MesoFocus技術は、複数の焦点設計（図2）により、特徴の検出性（二線式解像度）とスループット性能（W）の最も効率的なバランスをユーザーが定義できるようにします。これにより、高レベルパターンの迅速な認識であれ、高解像度での特定細部の認識であれ、品質管理の多くの段階において、本技術は汎用性が高く非常に効率的なソリューションとなります。

ASTM 1165-12およびASTM E 2002に準拠した焦点測定は、解像度と電力のトレードオフを的確に示しています。450 kV X線モジュールの100未満の焦点を除き、電力性能は焦点サイズと線形相関関係にあります。

解像度の比較

実践的な応用例を見ることで、解像度の性能や違いを容易に把握できます。電気機械部品の例では、リレー内の銅コイルの解像度が示されています（図3）。対称な焦点のおかげで、MesoFocusは全方向で均一な解像度を実現します。

225 kVにおけるMesoFocusと開放型マイクロフォーカスの解像度性能の比較 

ピンホール法による比較により、各種X線源の解像度性能を可視化できます（図4）。
開放型マイクロフォーカス源とMesoFocus技術を比較すると、同じ出力範囲における100µm未満での差はわずかです。100µmを超えると、解像度性能が大幅に向上します。 

450 kVにおけるMesoFocusとミニフォーカス技術の解像度比較 

各システムのトレードオフを理解した上で実際の用途を見ていくと、さらなる洞察が得られます。長年にわたり、航空宇宙や積層造形などの多くの産業では、DRおよびCTアプリケーション向けに、高解像度かつ堅牢な450 kVソリューションが求められてきました。高い解像度と細部の識別性に加え、迅速な立ち上がり、高電圧の安定性、メンテナンスフリー、優れた操作性、そして専門的な管球の知識なしで使用できることなど、常に他の要件も存在します。ここで、MesoFocus技術に見出されたバランスのメリットが存分に発揮されます。

非破壊検査の未来に適合するソリューション

さまざまな業界における複数のトレンドが、MesoFocusのような高度な検査技術の必要性を高めています。

1つ目は、人間よりも高速、高精度、または高信頼性でタスクを実行するための自動化および人工知能の利用拡大です。この自動化へのトレンドにより、製造プロセスでの高度な検査装置の導入が進んでいます。たとえば製造業では、自動化と高度な検査装置を使用して欠陥数を削減し、コストのかかる製品回収を防ぐことができます。航空宇宙産業では、航空機部品の安全性と信頼性を確保するために高度な検査装置が使用されています。自動車産業では、自動車部品の製造における欠陥の特定や、車両全体の信頼性と安全性の向上に活用できます。

また、電気自動車や電動航空輸送の需要が高まっており、あらゆる形状やサイズのバッテリーに対する大きなニーズが生じています。こうしたバッテリーの製造には、安全で信頼性の高い動作を確実にするための正確で効率的な検査システムが必要です。MesoFocus技術により、アノードオーバーハング、電極の位置ずれ、組み立て不良などの一般的な欠陥を、公共の安全確保に必要な解像度で迅速かつ確実に検出できます。

MesoFocusは、多くの業界や非破壊検査のエキスパートが自らの検査業務に最適なソリューションを選択できるよう支援する新しいX線技術です。信頼性、安定性、コスト効率に優れた品質管理を実現する最適化されたパフォーマンスパッケージを提供し、大きな妥協をすることなくユーザーに安全な製品をお届けします。