Cовременное тестовое оборудование и технологии
Рус Eng

09-06
2020
Ласковый звук рентгеновской компьютерной томографии

Nikon Metrology помогает исследовать 280-летнюю скрипку

Венецианская скрипка 18-го века сканируется с помощью большой микрофокусной системы компьютерной томографии M2 Nikon Metrology


“То, что осталось в прошлом, - писал Уильям Шекспир в “Буре", - это пролог.- А это значит, что люди, события и даже музыкальные инструменты прошлого образуют ту призму, через которую мы смотрим на сегодняшний мир.”

Это оценка истории, с которой члены правления Оберлинского Фонда скрипичных мастеров, безусловно согласны. Их миссия состоит в том, чтобы продвигать и сохранять богатую родословную скрипичного производства – искусства (а также науки), которое зародилось в Италии в позднем Ренессансе. Одна из составляющих этого ремесла – тщательное моделирование и реконструкция редких старинных скрипок.

“Каждый год мы выбираем объект, который мы копируем, изучаем и учимся у классической скрипки — в основном итальянской - с начала 1600-х до середины 1700-х годов”, - говорит Раймонд Шрайер, вице-президент Оберлинского Фонда скрипичных мастеров. "Самым последним нашим проектом был инструмент Доменико Монтаньяна из 1739 года, одолженный нам частным коллекционером. Этот стиль сильно отличается от Страдивари или Гварнери: он имеет более высокую арку и красивый красный лак, характерный для венецианцев того периода.”

Учитывая ценность инструментов, с которыми они работают, о разрушающих методах анализа для воспроизведения скрипки, таких как Монтаньяна 1739 года, очевидно, не может быть и речи. Таким образом члены Оберлинского Фонда скрипичных мастеров выбрали технологию рентгеновской компьютерной томографии (КТ) для миссии по обратному проектированию и обнаружению того, как мастера из прошлого создавали свои инструменты. Наука об измерении также опирается на прошлое. Теоретические основы компьютерной томографии, как медицинской, так и промышленной, восходят к работам австрийского математика Иоганна Радона более ста лет назад. Работа Радона, воплощенная в преобразовании, которое носит его имя, позволяет осуществлять трехмерную экстраполяцию двумерных данных. В процессе компьютерной томографии полученные данные восстанавливаются в трехмерное представление внутренней структуры сканируемого объекта, будь то ребра человеческого существа или ребра старинной скрипки.

КТ была впервые применена в начале 1970-х годов для использования в медицинской области, где технология измерения информации сделала ее важным дополнением к традиционной рентгеноскопии. Его использование в качестве промышленного инструмента для контроля относится к 1980-м годам; а в 2005 году, когда разрешение КТ достигло разрешения отдельных рентгеновских лучей, метод был исследован на предмет его использования в качестве важного инструмента в метрологии.

Искусство встречается с наукой

Когда несколько лет назад Оберлинский Фонд скрипичных мастеров впервые решил сканировать свои скрипки, они использовали медицинскую компьютерную томографию. Однако с этим подходом были проблемы.

"Медицинская компьютерная томография-это здорово, потому что у нас появилась не только внешняя, но и внутренняя информация об объекте”, - говорит Шрайер. "Но толщина срезов таких сканов была всего около 0,3 мм. Необходимо лучшее разрешение, чтобы получить подходящую модель для печати с помощью 3D принтера ".

3D визуализация толщины стенок и секционный анализ данных компьютерной томографии скрипки 18-го века.

Члены Оберлинского фонда скрипичных мастеров и команда специалистов по рентгеноскопии и КТ Nikon Metrology готовят старинную скрипку к процессу неразрушающей компьютерной томографии и анализа.

Вот тут-то и появились эксперты из Nikon Metrology.

"Мой коллега купил небольшой 3D сканер в компании Nikon Metrology, чтобы провести свои исследования", - вспоминает Шрайер. “Затем я узнал о высоком качестве сканирования компьютерной томографии Nikon Metrology по сравнению с любым медицинским томографом.”

Шрайер и еще пять членов Оберлинского Фонда скрипичных мастеров отправились на завод Nikon Metrology, чтобы проанализировать скрипку. Она была отсканирована высокоточной системой компьютерной томографии Nikon Metrology M2 с использованием микрофокусного источника 225 кВ. Эта мощная система обеспечивала почти в три раза большее разрешение, чем получал Оберлинский Фонд от своих медицинских томографов: 5453 проекции против 1829. Этот уровень детализации крайне важен, если вы пытаетесь воспроизвести объект, в котором каждый микрон материала влияет на результат.

"Это был успешный сбор данных для нашего исследования скрипки. Мы, конечно, надеемся получать подобные сканы в дальнейшем, мы с нетерпением ждем возможности снова работать с Nikon Metrology.”

Раймонд Шрайер,
вице-президент Оберлинского Фонда скрипичных мастеров

“Чтобы достичь максимально высокого разрешения для образца такой длины, мы использовали метод сканирования под названием "X. tend" или "спиральная компьютерная томография" ” - говорит Фабио Примо Визентин из команды по ретгеноскопии и КТ Nikon Metrology. “ Это очень важно, потому что большинство других систем не могут приспособить подобные образцы для компьютерной томографии, не говоря уже о сканировании с помощью спирального метода." Это позволило команде Nikon Metrology собрать данные о скрипке в одном длинном сканировании.

"Скрипка сканировалась под детектором и медленно вращалась, проходя через луч, а заканчивала сканирование над детектором", - говорит Эндрю Рэмси, консультант Nikon Metrology по рентгеноскопии и компьютерной томографии. “Нам пришлось специально укоротить высоту детектора, чтобы справиться с целыми двумя футами высоты скрипки, это очень полезно для сканирования других высоких образцов. Для более узких и высоких образцов, сканируемых при высоком увеличении, мы можем обеспечить лучшее разрешение, но по мере того, как образцы становятся шире и требуют меньшего увеличения, высота образца, который мы можем сканировать, становится более ограниченной.”

Разница между медицинской и микрофокусной компьютерной томографией

В отличие от медицинской томографии, промышленная КТ имеет большую мощность, меньшее фокальное пятно и лучшее разрешение. Поэтому для точных исследований небольших объектов используется специализированная промышленная томография.

“Наш спиральный метод позволяет сканировать образцы быстрее, чем большинство других томографов. Первый точный спиральный конусно-лучевой алгоритм реконструкции, разработанный в 2003 году, позволяет нам использовать большой шаг. В сочетании с высокой точностью нашего манипулятора, алгоритм создает объем КТ скана в 3D-оттенках серого, где каждая точка в 3D-наборе данных представляет поглощение рентгеновского излучения в этой точке. Умные алгоритмы в используемом нами аналитическом программном обеспечении (VolumeGraphics) определяют поверхности внутри объема, триангулируют их в миллионы маленьких треугольников, а затем экспортируют их в виде STL-файла, который просматривается и измеряется в программном обеспечении 3D RhinoCAM” - говорит Рэмси.

"Работа в центре Nikon Metrology в Брайтоне была фантастической", - говорит Шрайер. Полученная в результате цифровая информация стала самым важным результатом проекта.

“Наш архив скрипичных мастеров –лучший в мире ", - с гордостью говорит Шрайер.

Исходя из этих данных, различные составные части скрипки, такие как ребра, свиток, шейка и остальная часть корпуса инструмента, печатаются на 3D-принтере и повторно собираются в рабочую копию инструмента для изучения мастерами в Фонде скрипичных мастеров Оберлина. Затем они будут кропотливо воссоздавать (в течение двух лет) то, что будет, по всем намерениям и целям, точной копией оригинала Монтаньяны.

Таким образом, компьютерная томография – идеальный инструмент для реверс-инжиниринга.

"Это был успешный сбор данных для нашего исследования скрипки. Мы, конечно, надеемся получать подобные снимки ежегодно и с нетерпением ждем возможности снова работать с командой Nikon Metrology ", - говорит Шрайер.

После завершения каждого проекта Оберлинского Фонда скрипичных мастеров точная копия скрипки продается всем желающим музыкантам и коллекционерам. Вырученные средства помогают финансировать текущую работу группы, и это гарантирует, что процесс, начавшийся далеко в прошлом, будет продолжаться и в будущем.

Итак, вы видите, что прошлое - это не только пролог; иногда, с помощью передовых технологий, это также эпилог.

Отправить запрос