Depuis près de cinq mille ans, l'humanité étudie ses produits en utilisant uniquement les sens: les forgerons écoutent le son de l'acier de Damas, les architectes des Grandes Pyramides évaluent à tâtons la finesse des blocs. Nous ne savions pas comment explorer les objets fabriqués par l'homme sans les démonter ou les casser jusqu'au 19e siècle, jusqu'à ce que l'histoire des technologies d'inspection non destructive (NDI) commence.
L'histoire des tests non destructifs a commencé, bien sûr, avec la destruction.
En 1854, une toute nouvelle chaudière à vapeur explose dans une usine de Hartford (Connecticut). L'explosion a détruit l'atelier et fait 21 morts. À l'ère des machines à vapeur, les chaudières éclatent souvent, bien qu'elles aient été produites avec une énorme marge de sécurité. Les ingénieurs ne pouvaient que soupçonner vaguement l'existence de microfissures et de fatigue des métaux. L'explosion de Hartford a pour la première fois contraint les autorités à établir une commission régulière pour inspecter les chaudières à vapeur. C'est alors que les ingénieurs du monde entier ont réfléchi à la façon de pénétrer à l'intérieur de ce qui ne peut pas être retiré et démonté.
La révolution scientifique et technologique qui a suivi au milieu du XXe siècle nous a doté de tout un arsenal de méthodes de recherche non destructrices conçues pour prévenir et prévenir divers troubles. Parmi ces techniques figurent les rayons X, l'imagerie par résonance magnétique (IRM), le rayonnement électromagnétique, la tomodensitométrie et même les rayons cosmiques. On sait beaucoup de choses sur l'application de ces technologies en médecine, en sécurité et en fabrication, nous avons donc décidé de parler des tâches les plus simples que NDI nous aide, nous et nos collègues dans d'autres domaines.
1. Comment les rayons X aident à l'impression 3D
Si nous pouvons «éclairer» n'importe quel objet, alors pourquoi ne pas capturer son modèle tridimensionnel et ne pas en faire une copie? Les ingénieurs de Toshiba IT & Control Systems Corporation (ITC) ont créé la radiographie la plus précise qui puisse fournir des modèles 3D prêts à l'emploi en qualité HD pour l'impression 3D - le TX Lamino. Il tire son nom de la laminographie - la technologie d'examen par rayons X des objets couche par couche, qui est posée dans sa fondation.
TX Lamino «fait briller» un objet sous différents angles de vue, ce qui permet de voir les détails ou les défauts qui ne peuvent pas être détectés en visionnant une image 2D. La machine est équipée d'un générateur de rayons X nanofocus, c'est-à-dire qu'elle peut focaliser les rayons en un point optique d'un diamètre inférieur à 1 μm, ou plutôt, dans le cas de TX Lamino, 0,25 μm. Cela vous permet d'explorer de très petits objets en détail. L'appareil photo 4 mégapixels, qui produit des images quatre fois plus nettes que les rayons X conventionnels avec un appareil photo 1 mégapixel, aide au nanofocus.
L'appareil TX Lamino. Avec lui, vous pouvez créer un modèle 3D précis de n'importe quel élément. Source: Toshiba ITC
La radiographie prend des images en couches du sujet, puis les combine en un modèle 3D réaliste, qui peut être visualisé sur le moniteur en résolution 4K. De plus, si nécessaire, n'importe laquelle des couches photo peut être étudiée séparément des autres en 2D. Par exemple, une coquille de mollusque peut être «décomposée» en couches.
Source: Toshiba News and Highlights YouTube Channel
Ensuite, le modèle peut être transformé en un véritable objet sur une imprimante 3D, et sa structure interne sera absolument identique à l'original, même si nous parlons, par exemple, d'une partie moteur avec des parties mobiles. Par exemple, en utilisant TX Lamino, il a été possible de créer une copie polymère d'un roulement à billes avec une bague rotative.
Impression 3D de pièces de moteur réalisées avec TX Lamino. Source: Toshiba
Et ce même roulement. Source: Toshiba ITC
Et cette même coquille de mollusque. Source: Toshiba
La technologie, qui nous permet de voir littéralement à travers n'importe quel objet, nous aide chez Toshiba à faire face à des tâches moins originales, en particulier avec le contrôle de la qualité. Prenons par exemple les voitures. Tout défaut dans les composants et mécanismes importants crée un risque pour la vie et la santé humaines. Et loin de tous les défauts que nous voyons à l'œil nu. Nos systèmes industriels, combinant les technologies de rayons X et d'imagerie avancées, identifient ces problèmes.
À première vue, tout disque métallique semble complètement solide. En réalité, ce n'est pas le cas. Une pièce défectueuse peut contenir une myriade de bulles d'air qui, au fil du temps, entraîneront une rupture. Vous ne pouvez les voir que des rayons X "à bout de bras".
Pièce de voiture en aluminium. À gauche, une image radiographique qui montre des amas de cavités d'air et leur taille, différenciés par la couleur. À droite, un modèle 3D. Source: Toshiba
Cependant, bien que le scanner 3D ne soit pas capable de créer des créatures vivantes - un coquillage ou un lingot d'aluminium peut être traversé autant que vous le souhaitez, et les organismes vivants, en particulier ceux qui ne peuvent pas être ouverts sans se briser une fois pour toutes, disons, les insectes, de rayonnements fréquents et / ou intenses gâcher.
2. Comment sauver la vie d'une mouche drosophile
Les insectes NDI ont une relation complexe. Il est presque impossible d'obtenir une image tridimensionnelle claire d'une mouche: l'insecte se déplace constamment, et pour une image de haute qualité, le reste du scan est nécessaire. De plus, les invertébrés peuvent difficilement tolérer de fortes doses de rayonnement, et pour une bonne image 3D, vous avez besoin de beaucoup de photos, donc pour les insectes, une telle séance photo devient mortelle. De plus, même si le modèle photo survit à la prise de vue, le rayonnement affectera négativement sa croissance, sa reproduction et sa durée de vie, ce qui interfère avec la recherche à long terme.
Nos collègues de l'Université Western Ontario au Canada ont résolu ce problème avec le dioxyde de carbone. Le fait est que les insectes ont la capacité de survivre pendant la famine d'oxygène. Leur réaction naturelle à un manque d'oxygène est un rêve pendant lequel l'invertébré reste immobile pendant un certain temps.
Dans cette optique, une telle méthode NDI a été développée: les photomodèles sont placés de manière pratique dans une petite chambre de forme ronde - sur un substrat en polystyrène. Il est installé sous la source de rayons X. Ensuite, le CO2 est introduit dans la chambre à insectes, ce qui les met en état de sommeil.
À ce moment, une tomographie par ordinateur (CT) commence à fonctionner, similaire à celles utilisées pour scanner les gens. La principale difficulté à ce stade était les paramètres CT. Les scientifiques font toujours le compromis inévitable: plus la dose de rayonnement est faible, plus la qualité d'image est mauvaise, et vice versa. Les scientifiques canadiens sont arrivés à la conclusion que pour obtenir de bonnes images 3D d'insectes endormis, le rayonnement est suffisant, ce qui est 80 fois plus faible que ce qui conduit à leur stérilisation. Il s'est avéré que des mouches adultes, des coléoptères du Colorado, des chenilles ont fait face au test de stress de 7 heures pour l'hypoxie et le rayonnement, puis sont rapidement revenues à la raison.
Tomodensitométrie tridimensionnelle (résolution - 20 microns) d'un papillon mâle. À gauche, la première séance photo, à droite - en quatre jours. Il est vivant, bien que fatigué. Source: BioMed Central Ltd
Cependant, la paix absolue ne garantit pas toujours le succès du NDI, surtout si nous ne nous intéressons pas à la structure du sujet d'étude, mais, par exemple, à son inscription.
3. Comment lire des livres en utilisant NDI
Peut-être que le rêve de tous les étudiants deviendra bientôt réalité - recevoir des informations d'un livre fermé sans voyance. Pour cela, un groupe de scientifiques du MIT a appelé à l'aide des forces très réelles de l'électromagnétisme et du rayonnement térahertz (la moyenne entre infrarouge et micro-ondes). Les ondes térahertz sont bien connues des experts en sécurité: différents produits chimiques absorbent différentes fréquences de rayonnement TG de différentes manières.
Lorsque les rayons TG traversent l'encre et le papier vierge, le récepteur tactile reçoit une empreinte d'intensité différente - c'est la façon de lire des livres ou des parchemins sans les dérouler - il est très utile lorsque les feuilles collent et / ou deviennent très fragiles, ce qui arrive souvent avec les anciennes éditions, auquel les chercheurs ont besoin d'accéder. Le processus est organisé comme suit: un émetteur TG génère des impulsions de rayonnement ultracourtes par livre, et le capteur de caméra intégré lit leur réflexion dans de minuscules poches d'air d'une largeur de 20 microns situées entre les pages du livre. La réponse des lettres et des pages blanches est différente, ce qui vous permet de distinguer l'inscription.
Source: YouTube Channel MIT Media Lab
Mais pas si simple. La plupart des rayonnements sont réfléchis ou absorbés par le livre, et d'autres particules ne rebondissent pas sur les bulles d'air, mais sur d'autres pages, créant un faux signal. Pour séparer les faux signaux des vrais, vous devez connaître la distance entre le récepteur et une page spécifique du livre. Désormais, un algorithme développé par les scientifiques peut théoriquement faire la distinction entre l'écriture à une profondeur allant jusqu'à 20 pages. Mais en pratique, à environ neuf pages de profondeur, l'énergie du signal réfléchi devient si faible qu'il n'est plus possible de le distinguer du bruit. Donc pour l'instant, nous pouvons lire des journaux plutôt que des livres, bien que des recherches soient en cours. De plus, il y a des défis pour le NDI de l'ère de l'histoire prélitérée.
4. Le Néandertalien a-t-il joué de la flûte?
En plus des problèmes médicaux, l'invention de Wilhelm Roentgen aide à résoudre des problèmes historiques. Par exemple: les Néandertaliens pourraient-ils jouer de la flûte?
Les scientifiques pensaient à l'os d'un ours des cavernes trouvé dans la grotte Divye Babe (Slovénie). Deux trous y ont été faits et aux points de rupture, les contours de deux autres sont visibles. Ensemble, ils forment une rangée, comme une flûte. La découverte est vieille de 43 mille ans, donc certains scientifiques pensent que nous avons trouvé un produit néandertalien, tandis que d'autres voient dans les restes d'os d'une fête de la hyène, dont les crocs pourraient faire de tels trous soignés.
Flûte Néandertalienne de Divier Babier. L'auteur des trous est soit un Néandertalien, soit une hyène des cavernes. Source: Sporti / Wikimedia Commons
Pour examiner en profondeur la «flûte», les scientifiques ont utilisé la tomodensitométrie (CT): une radiographie a illuminé l'os sous différents angles, et l'ordinateur a combiné les images en une image en trois dimensions. Il s'est avéré qu'il y a vraiment beaucoup de traces de manger des animaux sur l'os, mais tout ne peut pas être clairement attribué aux effets des mâchoires. Puis, en utilisant les images obtenues, les scientifiques ont reconstruit une copie de la "flûte".
Il s'est avéré que vous pouvez vraiment le jouer: l'instrument produit jusqu'à 2,5 octaves dans une séquence de mélodies sur une échelle de 12 tons. «Flûte néandertalienne» sous le pouvoir du legato, du staccato, du frullato, du glissando et d'autres méthodes de performance.
Il n'est pas si difficile d'éclairer une petite flûte avec une radiographie, mais il y a plus de monuments historiques. Et bien plus. Comment être avec eux?
5. Du ciel à la terre: comment les rayons cosmiques ont contribué à créer une «radiographie» de la pyramide
Presque toutes nos technologies de vision globale restent «myopes»: la «vision» des radars, des appareils à rayons X et des ultrasons ne s'étend pas (plus profondément) que quelques mètres. Et vous en avez besoin de plus! Avec de telles réflexions en 2016, un groupe de scientifiques japonais de l'Université de Nagoya a examiné la pyramide de Khéops avec un volume de 2,5 millions de mètres cubes. Ils ont décidé de scanner cet objet avec des rayons cosmiques, qui sont nés par des sources de hautes énergies, par exemple, des explosions de supernova. En traversant l'atmosphère terrestre, les rayons cosmiques se transforment en particules secondaires - les muons. Ils ont une capacité de pénétration très élevée: surmonter même 1 kilomètre de blocs de calcaire n'est pas un problème pour eux.
La matière absorbe plus de muons que de vide. Pour "attraper" les particules, les Japonais installent des pièges spéciaux à l'intérieur des célèbres chambres de la pyramide. Des empreintes de muons vives indiquaient une cavité inconnue au-dessus de la Grande Galerie de la Pyramide de Khéops. Un espace de 30 mètres de long ressemble à la forme d'une grande galerie. Comme le suggèrent les égyptologues, les rayons cosmiques ont aidé à trouver le local technique - la cavité réduit la pression des blocs sur les arches de la Grande Galerie.
Soit dit en passant, la même technologie est maintenant utilisée par les scientifiques russes à Derbent: ils essaient de comprendre si la structure cruciforme, complètement cachée sous terre, était la plus ancienne église chrétienne de Russie ou juste un réservoir.
Source: Euronews
Que se passera-t-il ensuite?
Nous pensons que dans un avenir proche, les technologies de contrôle non destructif seront combinées avec d'autres développements avancés:
- Les mégadonnées nous aideront à recueillir et à interpréter beaucoup plus d'informations qu'un radiologue en direct peut absorber;
- les réseaux de neurones rendront le NDI plus proactif: nous pouvons construire un système de test de masse des produits, pièces, assemblages au stade de la production, qui ne nécessite pas d'évaluation humaine directe;
- Le résultat direct de ces opérations sera implémenté automatiquement grâce à l'impression 3D . Les résultats d'analyse traités serviront de «nourriture» pour les imprimantes 3D, qui éliminent immédiatement les défauts ou améliorent le produit en mode convoyeur.