Seit fast fünftausend Jahren untersucht die Menschheit ihre Produkte nur mit den Sinnen: Schmiede hörten dem Klang von Damaskusstahl zu, Architekten der Großen Pyramiden bewerteten die Glätte von Blöcken tastend. Wir wussten nicht, wie man künstliche Objekte erforscht, ohne sie zu zerlegen oder zu zerbrechen, bis das 19. Jahrhundert begann, bis die Geschichte der zerstörungsfreien Inspektionstechnologien (NDI) begann.
Die Geschichte der zerstörungsfreien Prüfung begann natürlich mit der Zerstörung.
1854 explodierte in einer Fabrik in Hartford (Connecticut) ein brandneuer Dampfkessel. Die Explosion zerstörte die Werkstatt und forderte 21 Todesopfer. In der Ära der Dampfmaschinen platzen Kessel oft, obwohl sie mit einem großen Sicherheitsspielraum hergestellt wurden. Ingenieure konnten das Vorhandensein von Mikrorissen und Metallermüdung nur vage vermuten. Die Explosion in Hartford zwang die Behörden zum ersten Mal, eine regelmäßige Kommission zur Inspektion von Dampfkesseln einzurichten. Zu diesem Zeitpunkt dachten Ingenieure auf der ganzen Welt darüber nach, wie sie in das eindringen können, was nicht entfernt und zerlegt werden kann.
Die anschließende wissenschaftliche und technologische Revolution Mitte des 20. Jahrhunderts stattete uns mit einem ganzen Arsenal zerstörungsfreier Forschungsmethoden aus, die eine Vielzahl von Problemen verhindern und verhindern sollten. Zu diesen Techniken gehören Röntgenstrahlen, Magnetresonanztomographie (MRT), elektromagnetische Strahlung, Computertomographie und sogar kosmische Strahlung. Über die Anwendung dieser Technologien in Medizin, Sicherheit und Fertigung ist viel bekannt. Daher haben wir uns entschlossen, über die nicht trivialsten Aufgaben zu sprechen, die NDI uns und unseren Kollegen in anderen Bereichen hilft.
1. Wie Röntgen den 3D-Druck unterstützt
Wenn wir ein Objekt „aufklären“ können, warum dann nicht sein dreidimensionales Modell erfassen und dann keine Kopie davon erstellen? Die Ingenieure der Toshiba IT & Control Systems Corporation (ITC) haben das genaueste Röntgenbild erstellt, das fertige 3D-Modelle in HD-Qualität für den 3D-Druck liefern kann - den TX Lamino. Es hat seinen Namen von der Laminographie - der Technologie der schichtweisen Röntgenuntersuchung von Objekten, die in sein Fundament gelegt wird.
TX Lamino "scheint" durch ein Objekt aus verschiedenen Blickwinkeln, wodurch Details oder Fehler erkannt werden, die beim Betrachten eines 2D-Bildes nicht erkannt werden können. Die Maschine ist mit einem Nanofokus-Röntgengenerator ausgestattet, dh sie kann die Strahlen auf einen optischen Punkt mit einem Durchmesser von weniger als 1 μm bzw. im Fall von TX Lamino auf 0,25 μm fokussieren. Auf diese Weise können Sie sehr kleine Objekte im Detail untersuchen. Die 4-Megapixel-Kamera, die mit einer 1-Megapixel-Kamera viermal schärfere Bilder als herkömmliche Röntgenstrahlen erzeugt, unterstützt den Nanofokus.
Das Gerät TX Lamino. Mit ihm können Sie ein genaues 3D-Modell jedes Elements erstellen. Quelle: Toshiba ITC
Die Röntgenaufnahme nimmt geschichtete Bilder des Motivs auf und kombiniert sie dann zu einem realistischen 3D-Modell, das in 4K-Auflösung auf dem Monitor angezeigt werden kann. Darüber hinaus kann bei Bedarf jede der Fotoebenen getrennt von den anderen in 2D untersucht werden. Zum Beispiel kann eine Muschelschale in Schichten „zerlegt“ werden.
Quelle: Toshiba News und Highlights YouTube-Kanal
Dann kann das Modell auf einem 3D-Drucker in ein reales Objekt verwandelt werden, und seine interne Struktur ist absolut identisch mit dem Original, selbst wenn es sich beispielsweise um ein Motorteil mit beweglichen Teilen handelt. Mit TX Lamino war es beispielsweise möglich, eine Polymerkopie eines Kugellagers mit einem Drehring zu erstellen.
3D-Druck von Motorteilen, die mit TX Lamino hergestellt wurden. Quelle: Toshiba
Und das gleiche Lager. Quelle: Toshiba ITC
Und dieselbe Molluskenschale. Quelle: Toshiba
Die Technologie, mit der wir buchstäblich jedes Objekt durchschauen können, hilft uns bei Toshiba, weniger originelle Aufgaben zu bewältigen, insbesondere die Qualitätskontrolle. Nehmen Sie zum Beispiel Autos. Jeder Defekt an wichtigen Komponenten und Mechanismen birgt ein Risiko für das Leben und die Gesundheit des Menschen. Und weit entfernt von allen Mängeln sehen wir mit bloßem Auge. Unsere industriellen Systeme, die Röntgen- und fortschrittliche Bildgebungstechnologien kombinieren, identifizieren diese Probleme.
Auf den ersten Blick scheint jede Metallscheibe völlig solide zu sein. In Wirklichkeit ist das nicht so. Ein defektes Teil kann eine Vielzahl von Luftblasen enthalten, die im Laufe der Zeit zum Bruch führen. Sie können sie nur mit vorgehaltener Waffe sehen.
Aluminium-Autoteil. Links ist ein Röntgenbild zu sehen, das Cluster von Lufthohlräumen und deren Größe zeigt, die sich nach Farbe unterscheiden. Rechts ist ein 3D-Modell. Quelle: Toshiba
Während der 3D-Scanner nicht in der Lage ist, Lebewesen zu leben, kann eine Muschel oder ein Aluminiumblock so oft durchscheinen, wie Sie möchten, und lebende Organismen, insbesondere solche, die nicht geöffnet werden können, ohne ein für alle Mal zu brechen, beispielsweise Insekten, durch häufige und / oder intensive Strahlung verderben.
2. Wie man das Leben einer Drosophila-Fliege rettet
NDI-Insekten haben eine komplexe Beziehung. Es ist fast unmöglich, ein klares dreidimensionales Bild einer Fliege zu erhalten: Das Insekt bewegt sich ständig, und für ein qualitativ hochwertiges Bild wird der gesamte Rest des gescannten Bildes benötigt. Darüber hinaus können wirbellose Tiere kaum große Strahlungsdosen tolerieren, und für ein gutes 3D-Bild benötigen Sie viele Bilder, sodass ein solches Fotoshooting für Insekten tödlich wird. Selbst wenn das Fotomodell die Aufnahme überlebt, wirkt sich Strahlung negativ auf Wachstum, Reproduktion und Lebenserwartung aus, was die Langzeitforschung beeinträchtigt.
Unsere Kollegen an der University of Western Ontario in Kanada haben dieses Problem mit Kohlendioxid gelöst. Tatsache ist, dass Insekten die Fähigkeit haben, während des Sauerstoffmangels zu überleben. Ihre natürliche Reaktion auf Sauerstoffmangel ist ein Traum, in dem das Wirbellose einige Zeit unbeweglich bleibt.
Vor diesem Hintergrund wurde eine solche NDI-Methode entwickelt: Fotomodelle werden bequem in einer kleinen runden Kammer platziert - auf einem Polystyrolsubstrat. Es wird unter der Röntgenquelle installiert. Dann wird CO2 in die Insektenkammer eingespeist, wodurch sie in einen Schlafzustand versetzt werden.
In diesem Moment beginnt ein Computertomograph (CT) zu arbeiten, ähnlich wie beim Scannen von Personen. Die Hauptschwierigkeit in dieser Phase waren die CT-Einstellungen. Wissenschaftler machen immer den unvermeidlichen Kompromiss: Je niedriger die Strahlungsdosis, desto schlechter die Bildqualität und umgekehrt. Kanadische Wissenschaftler sind zu dem Schluss gekommen, dass für gute 3D-Bilder von schlafenden Insekten die Strahlung ausreicht, die 80-mal schwächer ist als die, die zu ihrer Sterilisation führt. Wie sich herausstellte, kamen erwachsene Fliegen, Colorado-Käfer und Raupen mit dem 7-Stunden-Stresstest auf Hypoxie und Bestrahlung zurecht und kamen dann schnell zur Besinnung.
Dreidimensionale Computertomographie (Auflösung - 20 Mikrometer) einer männlichen Motte. Links ist das erste Fotoshooting, rechts - in vier Tagen. Er lebt, obwohl er müde ist. Quelle: BioMed Central Ltd.
Absoluter Frieden garantiert jedoch nicht immer den Erfolg von NDI, insbesondere wenn wir nicht an der Struktur des Studienfachs interessiert sind, sondern beispielsweise an der Inschrift darin.
3. Lesen von Büchern mit NDI
Vielleicht wird der Traum aller Schüler bald wahr - Informationen aus einem geschlossenen Buch ohne Hellsehen zu erhalten. Zu diesem Zweck forderte eine Gruppe von Wissenschaftlern des MIT Hilfe bei den sehr realen Kräften des Elektromagnetismus und der Terahertz-Strahlung (dem Durchschnitt zwischen Infrarot und Mikrowelle). Terahertz-Wellen sind Sicherheitsexperten bekannt: Verschiedene Chemikalien absorbieren unterschiedliche Frequenzen von TG-Strahlung auf unterschiedliche Weise.
Wenn TG-Strahlen durch Tinte und leeres Papier laufen, erhält der Touch-Empfänger einen anderen Intensitätsabdruck - auf diese Weise können Bücher oder Schriftrollen gelesen werden, ohne sie abzuwickeln. Dies ist sehr nützlich, wenn die Blätter zusammenkleben und / oder sehr zerbrechlich werden, was bei alten Büchern häufig der Fall ist. zu denen Forscher Zugang benötigen. Der Prozess ist wie folgt organisiert: Ein TG-Emitter erzeugt ultrakurze Strahlungsimpulse pro Buch, und der eingebaute Kamerasensor liest ihre Reflexion aus winzigen Lufteinschlüssen mit einer Breite von 20 Mikrometern zwischen den Seiten des Buches. Die Antwort von Briefen und leeren Seiten sieht anders aus, sodass Sie zwischen der Inschrift unterscheiden können.
Quelle: YouTube-Kanal MIT Media Lab
Aber nicht so einfach. Der größte Teil der Strahlung wird vom Buch entweder reflektiert oder absorbiert, und andere Partikel prallen nicht von Luftblasen, sondern von anderen Seiten ab und erzeugen ein falsches Signal. Um falsche von echten Signalen zu trennen, müssen Sie die Entfernung vom Empfänger zu einer bestimmten Seite des Buches kennen. Jetzt kann ein von Wissenschaftlern entwickelter Algorithmus theoretisch zwischen Schreiben in einer Tiefe von bis zu 20 Seiten unterscheiden. In der Praxis wird die Energie des reflektierten Signals in einer Tiefe von etwa neun Seiten so gering, dass es nicht mehr möglich ist, es vom Rauschen zu unterscheiden. Im Moment können wir also eher Zeitungen als Bücher lesen, obwohl die Forschung noch nicht abgeschlossen ist. Darüber hinaus gibt es Herausforderungen für NDI aus der Zeit der Präliteratsgeschichte.
4. Hat der Neandertaler Flöte gespielt?
Neben medizinischen Problemen hilft die Erfindung von Wilhelm Röntgen, historische Probleme zu lösen. Zum Beispiel: Könnten Neandertaler Flöte spielen?
Wissenschaftler dachten an den Knochen eines Höhlenbären, der in der Höhle Divye Babe (Slowenien) gefunden wurde. Es wurden zwei Löcher gemacht, und an den Bruchstellen sind die Umrisse von zwei weiteren sichtbar. Zusammen bilden sie eine Reihe wie eine Flöte. Der Fund ist 43.000 Jahre alt, daher glauben einige Wissenschaftler, dass wir ein Neandertaler-Produkt gefunden haben, während andere in den Knochenresten eines Hyänenfestes sehen, dessen Reißzähne so saubere Löcher machen könnten.
Neandertalerflöte von Divier Babier. Der Autor der Löcher ist entweder ein Neandertaler oder eine Höhlenhyäne. Quelle: Sporti / Wikimedia Commons
Um die „Flöte“ gründlich zu untersuchen, verwendeten die Wissenschaftler die Computertomographie (CT): Eine Röntgenaufnahme beleuchtete den Knochen aus verschiedenen Winkeln, und der Computer kombinierte die Bilder zu einem dreidimensionalen Bild. Es stellte sich heraus, dass es wirklich viele Spuren von fressenden Tieren am Knochen gibt, aber nicht alle können eindeutig auf die Auswirkungen der Kiefer zurückgeführt werden. Anschließend rekonstruierten die Wissenschaftler anhand der erhaltenen Bilder eine Kopie der „Flöte“.
Wie sich herausstellte, kann man es wirklich spielen: Das Instrument erzeugt bis zu 2,5 Oktaven in einer Folge von Melodien auf einer 12-Ton-Skala. "Neandertalerflöte" unter der Kraft von Legato, Staccato, Frullato, Glissando und anderen Aufführungsmethoden.
Es ist nicht so schwierig, eine kleine Flöte mit einer Röntgenaufnahme zu beleuchten, aber es gibt mehr historische Denkmäler. Viel mehr. Wie kann man mit ihnen zusammen sein?
5. Vom Himmel zur Erde: Wie kosmische Strahlen dazu beigetragen haben, eine „Röntgenaufnahme“ der Pyramide zu machen
Fast alle unserer allsehenden Technologien bleiben "kurzsichtig": Die "Sicht" von Radargeräten, Röntgengeräten und Ultraschall reicht nicht weiter (tiefer) als einige Meter. Und du brauchst mehr! Mit solchen Gedanken im Jahr 2016 betrachtete eine Gruppe japanischer Wissenschaftler der Nagoya-Universität die Cheops-Pyramide mit einem Volumen von 2,5 Millionen Kubikmetern. Sie beschlossen, dieses Objekt mit kosmischen Strahlen zu scannen, die durch Quellen hoher Energien, beispielsweise Supernova-Explosionen, entstehen. Auf dem Weg durch die Erdatmosphäre verwandeln sich kosmische Strahlen in Sekundärteilchen - Myonen. Sie haben eine sehr hohe Durchdringungsfähigkeit: Selbst 1 Kilometer Kalksteinblöcke zu überwinden, ist für sie kein Problem.
Materie absorbiert mehr Myonen als Leere. Um Partikel zu "fangen", stellten die Japaner spezielle Fallen in die berühmten Kammern der Pyramide. Lebendige Myonendrucke zeigten einen bisher unbekannten Hohlraum über der Großen Galerie der Cheops-Pyramide an. Ein 30 Meter langer Raum ähnelt der Form einer großen Galerie. Wie Ägyptologen vermuten, halfen kosmische Strahlen, den technischen Raum zu finden - der Hohlraum verringert den Druck der Blöcke auf die Bögen der Großen Galerie.
Übrigens wird die gleiche Technologie jetzt von russischen Wissenschaftlern in Derbent verwendet: Sie versuchen zu verstehen, ob die vollständig unter der Erde verborgene kreuzförmige Struktur die älteste christliche Kirche in Russland war oder nur ein Reservoir.
Quelle: Euronews
Was wird als nächstes passieren?
Wir glauben, dass zerstörungsfreie Prüftechnologien in naher Zukunft mit anderen fortschrittlichen Entwicklungen kombiniert werden:
- Big Data hilft uns dabei, viel mehr Informationen zu sammeln und zu interpretieren, als ein lebender Radiologe aufnehmen kann.
- Neuronale Netze werden NDI proaktiver machen: Wir können ein System für Massentests von Produkten, Teilen und Baugruppen in der Produktionsphase aufbauen, das keine direkte Beurteilung durch den Menschen erfordert.
- Das direkte Ergebnis dieser Vorgänge wird automatisch im 3D-Druck implementiert. Die verarbeiteten Analyseergebnisse dienen als „Lebensmittel“ für 3D-Drucker, wodurch die Mängel sofort beseitigt oder das Produkt im Fördermodus verbessert werden.