Durante casi cinco mil años, la humanidad ha estudiado sus productos utilizando solo los sentidos: los herreros escucharon el sonido del acero de Damasco, los arquitectos de las Grandes Pirámides evaluaron a tientas la suavidad de los bloques. No supimos cómo explorar objetos hechos por el hombre sin desarmarlos o romperlos hasta el siglo XIX, hasta que comenzó la historia de las tecnologías de Inspección No Destructiva (NDI).
La historia de las pruebas no destructivas comenzó, por supuesto, con la destrucción.
En 1854, una nueva caldera de vapor explotó en una fábrica en Hartford (Connecticut). La explosión destruyó el taller y se cobró 21 vidas. En la era de las máquinas de vapor, las calderas a menudo explotan, aunque fueron producidas con un gran margen de seguridad. Los ingenieros solo podían sospechar vagamente la existencia de microgrietas y fatiga del metal. La explosión en Hartford por primera vez obligó a las autoridades a establecer una comisión regular para inspeccionar las calderas de vapor. Fue entonces cuando los ingenieros de todo el mundo pensaron en cómo ingresar a lo que no se puede quitar y desmontar.
La posterior revolución científica y tecnológica a mediados del siglo XX nos armó con todo un arsenal de métodos de investigación no destructivos diseñados para prevenir y prevenir una variedad de problemas. Entre estas técnicas se encuentran los rayos X, la resonancia magnética (MRI), la radiación electromagnética, la tomografía computarizada e incluso los rayos cósmicos. Se sabe mucho sobre la aplicación de estas tecnologías en medicina, seguridad y fabricación, por lo que decidimos hablar sobre las tareas más triviales que NDI nos ayuda a nosotros y a nuestros colegas en otras áreas.
1. Cómo ayuda X-Ray a la impresión 3D
Si podemos "iluminar" cualquier objeto, entonces ¿por qué no capturar su modelo tridimensional y luego no hacer una copia? Los ingenieros de Toshiba IT & Control Systems Corporation (ITC) han creado los rayos X más precisos que pueden ofrecer modelos 3D listos en calidad HD para impresión 3D: el TX Lamino. Obtuvo su nombre de la laminografía, la tecnología de examen de rayos X de objetos capa por capa, que se coloca en sus cimientos.
TX Lamino "brilla" a través de un objeto desde diferentes ángulos de visión, lo que ayuda a ver detalles o defectos que no se pueden detectar al ver una imagen 2D. La máquina está equipada con un generador de rayos X de nanofocus, es decir, puede enfocar los rayos en un punto óptico con un diámetro de menos de 1 μm, o más bien, en el caso de TX Lamino, 0.25 μm. Esto le permite explorar objetos muy pequeños en detalle. La cámara de 4 megapíxeles, que produce imágenes cuatro veces más nítidas que los rayos X convencionales con una cámara de 1 megapíxel, ayuda al nanofocus.
El dispositivo TX Lamino. Con él, puede crear un modelo 3D preciso de cualquier elemento. Fuente: Toshiba ITC
La radiografía toma imágenes en capas del sujeto y luego las combina en un modelo 3D realista, que se puede ver en el monitor con una resolución de 4K. Además, si es necesario, cualquiera de las capas de fotos se puede estudiar por separado de las otras en 2D. Por ejemplo, una concha de un molusco se puede "descomponer" en capas.
Fuente: Toshiba News and Highlights YouTube Channel
Luego, el modelo puede convertirse en un objeto real en una impresora 3D, y su estructura interna será absolutamente idéntica a la original, incluso si estamos hablando, por ejemplo, de una parte del motor con partes móviles. Por ejemplo, usando TX Lamino, fue posible crear una copia de polímero de un rodamiento de bolas con un anillo giratorio.
Impresión 3D de piezas de motor realizadas con TX Lamino. Fuente: Toshiba
Y ese mismo rumbo. Fuente: Toshiba ITC
Y esa misma concha de molusco. Fuente: Toshiba
La tecnología, que nos permite ver literalmente a través de cualquier objeto, nos ayuda en Toshiba a hacer frente a tareas menos originales, en particular con el control de calidad. Tomemos, por ejemplo, autos. Cualquier defecto en componentes y mecanismos importantes crea un riesgo para la vida y la salud humana. Y lejos de todos los defectos que vemos a simple vista. Nuestros sistemas industriales, que combinan rayos X y tecnologías de imagen avanzadas, identifican estos problemas.
A primera vista, cualquier disco de metal parece completamente sólido. En realidad, esto no es así. Una parte defectuosa puede contener una miríada de burbujas de aire, que con el tiempo provocarán roturas. Solo se pueden ver radiografías "a punta de pistola".
Autopartes de aluminio. A la izquierda hay una imagen de rayos X que muestra grupos de cavidades de aire y su tamaño, diferenciados por color. A la derecha hay un modelo 3D. Fuente: Toshiba
Sin embargo, aunque el escáner 3D no es capaz de criaturas vivientes, se puede iluminar una concha marina o un lingote de aluminio tanto como se desee, y organismos vivos, especialmente aquellos que no se pueden abrir sin romper de una vez por todas, digamos, insectos, de la radiación frecuente y / o intensa. estropear
2. Cómo salvar la vida de una mosca Drosophila
Los insectos NDI tienen una relación compleja. Es casi imposible obtener una imagen tridimensional clara de una mosca: el insecto se mueve constantemente y, para obtener una imagen de alta calidad, se necesita el resto completo del escaneo. Además, los invertebrados apenas pueden tolerar grandes dosis de radiación, y para una buena imagen en 3D, se necesitan muchas imágenes, por lo que para los insectos, tal sesión de fotos se vuelve mortal. Además, incluso si el modelo sobrevive a los disparos, la radiación afectará negativamente su crecimiento, reproducción y esperanza de vida, lo que interfiere con la investigación a largo plazo.
Nuestros colegas de la Universidad de Western Ontario en Canadá resolvieron este problema con dióxido de carbono. El hecho es que los insectos tienen la capacidad de sobrevivir durante la falta de oxígeno. Su reacción natural a la falta de oxígeno es un sueño durante el cual el invertebrado permanece inmóvil durante algún tiempo.
Con esto en mente, se desarrolló un método NDI de este tipo: los fotomodelos se colocan convenientemente en una pequeña cámara de forma redonda, sobre un sustrato de poliestireno. Se instala bajo la fuente de rayos X. Luego, el CO2 se alimenta a la cámara del insecto, lo que los pone en un estado de sueño.
En este momento, un tomógrafo computarizado (CT) comienza a funcionar, similar a los utilizados para escanear personas. La principal dificultad en esta etapa fue la configuración de CT. Los científicos siempre hacen el compromiso inevitable: cuanto menor es la dosis de radiación, peor es la calidad de la imagen y viceversa. Los científicos canadienses han llegado a la conclusión de que para obtener buenas imágenes en 3D de los insectos dormidos, la radiación es suficiente, que es 80 veces más débil que lo que conduce a su esterilización. Al final resultó que, las moscas adultas, los escarabajos de la patata de Colorado, las orugas hicieron frente a una prueba de estrés de 7 horas para la hipoxia y la radiación, y luego volvieron rápidamente en sí.
Tomografía computarizada tridimensional (resolución - 20 micras) de una polilla macho. A la izquierda está la primera sesión de fotos, a la derecha, en cuatro días. Está vivo, aunque cansado. Fuente: BioMed Central Ltd
Sin embargo, la paz absoluta no siempre garantiza el éxito del NDI, especialmente si no estamos interesados en la estructura del tema de estudio, sino, por ejemplo, en la inscripción en él.
3. Cómo leer libros usando NDI
Quizás el sueño de todos los estudiantes pronto se haga realidad: recibir información de un libro cerrado sin clarividencia. Para esto, un grupo de científicos del MIT pidió ayuda a las fuerzas muy reales del electromagnetismo y la radiación de terahercios (el promedio entre infrarrojos y microondas). Los expertos en seguridad conocen bien las ondas de Terahercios: diferentes productos químicos absorben diferentes frecuencias de radiación TG de diferentes maneras.
Cuando los rayos TG pasan a través de la tinta y el papel en blanco, el receptor táctil recibe una impresión de intensidad diferente (esta es la forma de leer libros o pergaminos sin desenrollarlos) es muy útil cuando las hojas se pegan y / o se vuelven muy frágiles, lo que a menudo sucede con las ediciones antiguas, a lo que los investigadores necesitan acceso. El proceso se organiza de la siguiente manera: un emisor de TG genera pulsos de radiación ultracortos por libro, y el sensor de la cámara incorporado lee su reflejo desde pequeñas bolsas de aire con un ancho de 20 micras que se encuentran entre las páginas del libro. La respuesta de las letras y las páginas en blanco se ve diferente, lo que le permite distinguir entre la inscripción.
Fuente: Canal de YouTube MIT Media Lab
Pero no tan simple. La mayor parte de la radiación es reflejada o absorbida por el libro, y otras partículas no rebotan en las burbujas de aire, sino en otras páginas, creando una señal falsa. Para separar las señales falsas de las verdaderas, debe conocer la distancia desde el receptor a una página específica del libro. Ahora un algoritmo desarrollado por científicos puede distinguir teóricamente entre escribir a una profundidad de hasta 20 páginas. Pero en la práctica, aproximadamente a una profundidad de nueve páginas, la energía de la señal reflejada se vuelve tan pequeña que ya no es posible distinguirla del ruido. Entonces, por ahora, podemos leer periódicos en lugar de libros, aunque la investigación está en curso. Además, existen desafíos para el NDI de la era de la historia preliteral.
4. ¿Tocó la flauta el neandertal?
Además de los problemas médicos, la invención de Wilhelm Roentgen ayuda a resolver problemas históricos. Por ejemplo: ¿podrían los neandertales tocar la flauta?
Los científicos estaban pensando en el hueso de un oso cavernario encontrado en la cueva Divye Babe (Eslovenia). Se hicieron dos agujeros en él, y en los puntos de ruptura, los contornos de dos más son visibles. Juntos forman una fila, como una flauta. El hallazgo tiene 43 mil años, por lo que algunos científicos creen que encontramos un producto de Neanderthal, mientras que otros ven en los restos de hueso de una fiesta de hiena, cuyos colmillos podrían hacer agujeros tan limpios.
Flauta de neandertal del Divier Babier. El autor de los agujeros es un neandertal o una hiena de cueva. Fuente: Sporti / Wikimedia Commons
Para examinar a fondo la "flauta", los científicos utilizaron tomografía computarizada (TC): una radiografía iluminó el hueso desde diferentes ángulos, y la computadora combinó las imágenes en una imagen tridimensional. Resultó que realmente hay muchos rastros de comer animales en el hueso, pero no todos pueden atribuirse claramente a los efectos de las mandíbulas. Luego, utilizando las imágenes obtenidas, los científicos reconstruyeron una copia de la "flauta".
Resultó que realmente puedes tocarlo: el instrumento produce hasta 2.5 octavas en una secuencia de melodías en una escala de 12 tonos. "Flauta de neandertal" bajo el poder de legato, staccato, frullato, glissando y otros métodos de actuación.
No es tan difícil iluminar una pequeña flauta con una radiografía, pero hay más monumentos históricos. Mucho mas. ¿Cómo estar con ellos?
5. Del cielo a la tierra: cómo los rayos cósmicos ayudaron a hacer una "radiografía" de la pirámide
Casi todas nuestras tecnologías que todo lo ven permanecen "miopes": la "visión" de los radares, las máquinas de rayos X y el ultrasonido no se extienden más allá (más profundo) que unos pocos metros. ¡Y necesitas más! Con respecto a tales pensamientos en 2016, un grupo de científicos japoneses de la Universidad de Nagoya observó la pirámide de Cheops con un volumen de 2.5 millones de metros cúbicos. Decidieron escanear este objeto con rayos cósmicos, que nacen de fuentes de altas energías, por ejemplo, explosiones de supernovas. Al atravesar la atmósfera de la Tierra, los rayos cósmicos se convierten en partículas secundarias: muones. Tienen una capacidad de penetración muy alta: superar incluso 1 kilómetro de bloques de piedra caliza no es un problema para ellos.
La materia absorbe más muones que el vacío. Para "atrapar" partículas, los japoneses colocaron trampas especiales dentro de las famosas cámaras de la pirámide. Las vívidas impresiones de muón indicaban una cavidad previamente desconocida sobre la Gran Galería de la Pirámide de Keops. Un espacio de 30 metros de largo se asemeja a la forma de una gran galería. Como sugieren los egiptólogos, los rayos cósmicos ayudaron a encontrar la sala técnica: la cavidad reduce la presión de los bloques en los arcos de la Gran Galería.
Por cierto, los científicos rusos ahora usan la misma tecnología en Derbent: están tratando de entender si la estructura cruciforme, completamente oculta bajo tierra, era la iglesia cristiana más antigua de Rusia o simplemente un depósito.
Fuente: Euronews
¿Qué pasará después?
Creemos que en el futuro cercano las tecnologías de prueba no destructivas se combinarán con otros desarrollos avanzados:
- Big Data nos ayudará a recopilar e interpretar mucha más información de la que un radiólogo en vivo puede absorber;
- las redes neuronales harán que el NDI sea más proactivo: podemos construir un sistema para pruebas masivas de productos, piezas, ensambles en la etapa de producción, que no requiere una evaluación humana directa;
- El resultado directo de estas operaciones se implementará automáticamente mediante la impresión 3D . Los resultados del análisis procesado servirán como "alimento" para las impresoras 3D, que eliminan inmediatamente las deficiencias o mejoran el producto en el modo transportador.