Как напечатать мамонта в натуральную величину? | Крупноформатная 3D-печать в действии | Скелет, сканирование и «невидимые» поддержки | Внимание к деталям от начала до конца
В Королевском бельгийском институте естественных наук в Брюсселе (RBINS), основанном в 1846 году, работает более 250 ученых-исследователей. Здесь находятся 38 миллионов экспонатов, в том числе, с 1869 года, лирский мамонт – первый в своем роде скелет, выставленный на обозрение общественности в Западной Европе.
Обнаруженный, как следует из имени, близ городка Лир в провинции Антверпен, скелет до сих пор остается одним из нескольких целиком сохранившихся скелетов мамонта. Раритетный экспонат чрезвычайно важен для науки, не говоря уже о том, что он привлекает любителей естественной истории со всего мира. Таким образом, появился отличный шанс сделать подарок городскому музею Лира, приуроченный к его повторному открытию. Перенести скелет мамонта из Брюсселя невозможно, но его можно воссоздать!
Команда, занимающаяся сохранением истории Лира во главе с местными волонтерами из организации Kiwanis, обратилась к компании Materialise с захватывающей идеей: использовать 3D-печать для создания точной копии скелета в натуральную величину. Другими словами, применить современные технологии, чтобы вернуть доисторического жителя Лира в родные края. После того как за 1260 часов было напечатано 320 костей, на свет появился «лирский мамонт 2.0».
![Отделка костей мамонта](https://iqb.ru/hubfs/POSTS/2018.1204%20Materialise-mammoth-case/bones%20of%20the%20challenge-1.jpg)
Как напечатать скелет мамонта в натуральную величину?
Когда требуется воспроизвести точную копию мамонта, становится ясно: размер имеет значение. Воссоздание 300 с лишним костей, часть которых имеет более 2 метров в длину (больше взрослого человека!), – работа не из легких. Принимая во внимание хрупкость и опасность повреждения подлинных костей, проект стал уникальным испытанием.
«Когда скелет появился в музее в 1869 году, инновационная технология состояла в том, что не нужно было просверливать или иным образом нарушать целостность костей, чтобы показать мамонта в полном размере, — рассказывает палеонтолог Королевского института доктор Митье Жермонпре, который тесно сотрудничал с Materialise в рамках проекта. — Естественно, никто не хотел рисковать естественной целостностью скелета в этом новом начинании».
Подобное творческое мышление и технические решения имели место и при создании копии. Вместо того, чтобы использовать внешнюю поддерживающую конструкцию, как у подлинного лирского мамонта, планировалось создать максимально незаметную внутреннюю поддержку, которая бы реально воплотила модель в жизнь.
Впервые стереолитографические принтеры, которые мы назвали Mammoth, были использованы в 2001 году. Благодаря камере построения 2100 х 700 х 800 мм они идеально подходят для печати крупных объектов за одну сессию.Гертьян Бринен, руководитель проекта
3D-печать предоставляет невероятную свободу и точность проектирования, поэтому выбор пал на эту технологию естественным образом. Как отмечает доктор Жермонпре, «3D-печать все чаще оказывается чрезвычайно полезным инструментом для палеонтологии. Например, мы можем изучать окаменелости, не повреждая драгоценные подлинные образцы, и работать над одной и той же окаменелостью в виртуальной среде вместе с коллегами со всего мира». Но как напечатать кости в натуральную величину?
![Печать на стереолитографическом 3D-принтере](https://iqb.ru/hubfs/POSTS/2018.1204%20Materialise-mammoth-case/bones%20of%20the%20challenge-2.jpg)
Крупноформатная 3D-печать в действии
Адекватным ответом на этот вопрос стали стереолитографические 3D-принтеры от Materialise, за работу которых отвечали руководитель проекта Гертьян Бринен и команда из 19 человек, в том числе инженеры, специалисты по САПР и постпроизводству, а также эксперты Института, включая доктора Жермонпре.
«Впервые стереолитографические принтеры, которые мы назвали Mammoth («мамонт»), были использованы в 2001 году . Благодаря камере построения 2100 х 700 х 800 мм они идеально подходят для печати крупных объектов за одну сессию, — говорит Бринен. — На тот момент мы думали о решении таких задач, как печать прототипов автомобильных приборных панелей, архитектурных макетов, крупных деталей для промышленных и производственных нужд по индивидуальным заказам. Но кости... Это был новый вызов, который мы приняли с гордостью и волнением».
Стереолитографические принтеры Mammoth от Materialise за раз наносят слой чувствительного к ультрафиолету жидкого фотополимера толщиной 1/10 мм , который подвергается выборочному упрочнению лазером так, чтобы точно соответствовать требуемым характеристикам конструкции. Для создания специальных поддержек под форму костей и спекания лазером малых костей (включая позвонки мамонта) и точек соединения, девять 3D-принтеров должны работать в течение месяца. Но прежде чем начать печать, необходимо было зафиксировать размерные данные и оптимизировать их для 3D-печати. «До даты запуска оставалось всего два месяца, — добавляет Бринен, — и каждый шаг должен был быть тщательно спланирован».
![Проект 3D печати объединил команду из 19 человек](https://iqb.ru/hubfs/POSTS/2018.1204%20Materialise-mammoth-case/Mammoth-Stereolithography01.jpg)
Скелет, сканирование и «невидимые» поддержки
Внешняя поддерживающая конструкция оригинального скелета позволила музею откреплять и сканировать на месте каждую кость по отдельности, передавая данные компании Materialise. Поскольку копии точно воспроизводили исходные размеры костей, каждый скан чистился и оптимизировался для 3D-печати с помощью программного обеспечения Materialise Magics, при этом каждая кость была сориентирована по трем осям для точного позиционирования. Это позволило доктору Жермонпре и инженерам Materialise провести полную цифровую реконструкцию и анализ скелета.
«Это был решающий момент в проекте, — вспоминает доктор Жермонпре. — Мы могли проверить соответствие подлинному скелету, применяя развитое научное мышление и технологии. Не стоит забывать, что скелет был смонтирован более 150 лет назад на основе анатомических знаний того времени. Например, в XIX веке ученые предполагали, что у мамонта хвост был длиной, как у слона, однако после обнаружения замороженных останков мамонтов в Сибири мы знаем, что на самом деле он был короче. Это была прекрасная возможность виртуально адаптировать скелет к новым знаниям об анатомии, которыми мы обладаем сегодня».
![Цифровая реконструкция скелета после 3D сканирования](https://iqb.ru/hubfs/POSTS/2018.1204%20Materialise-mammoth-case/Materialise%E2%80%99s-in-house-engineers.jpg)
Воспроизведение посредством 3D-печати также дало возможность команде решить еще одну проблему подлинного скелета: «У лирского мамонта не хватало нескольких костей, включая левый бивень, — объясняет Гертьян Бринен. — Они были заменены поделками из скульптурной древесины. С помощью ПО Materialise 3-matic нам удалось сделать более точную копию, создав зеркальное изображение правого бивня. Так же была восстановлена сломанная верхняя челюсть. В целом, реконструкция недостающих костей и исправление ошибок сборки, по мнению доктора Жермонпре, означали, что новый лирский мамонт, напечатанный на 3D-принтере, стал даже более точным с научной точки зрения, чем оригинал».
Цифровой этап проекта также включал в себя продумывание новой «как бы невидимой» системы крепления, которая позволила бы мамонту выглядеть свободно стоящим. Для Гертьяна Бринена это был ключевой момент. «Наша дочерняя компания, RapidFit, имеет большой опыт в использовании каркасов из углеродного волокна для автомобильной оснастки. Контекст совершенно другой, но задача та же: создать относительно легкую, но при этом прочную структуру. RapidFit помогла нам разработать индивидуальный модульный углеродный каркас, который располагался преимущественно внутри напечатанного скелета.
![Копия скелета мамонта, созданная на 3D принтере](https://iqb.ru/hubfs/POSTS/2018.1204%20Materialise-mammoth-case/materialise-3d-printed-mammoth-6.jpg)
Нам было также необходимо, чтобы копии костей точно воспроизводили оригиналы и совмещались с внутренними углеродными трубками, которые должны были быть состыкованы с помощью специально спроектированных соединителей, спекаемых лазером, — все это для удержания полного скелета. Наши проектировщики справились с этой задачей путем интеграции точек входа и выхода таким образом, что они в итоге полностью совмещались с каркасом. Окончательная структура, включающаяся каркас и сам скелет, весила чуть менее 300 кг».
Внимание к деталям от начала до конца
Общее время печати скелета лирского мамонта составило чуть более 52 дней при одновременной работе нескольких 3D-принтеров — только так можно было уложиться в сжатые сроки. После печати каждой новой партии костей специальная команда Materialise обрабатывала их различными красками, текстурами и лаками так, чтобы напечатанные кости были максимально похожи на подлинные. В конце концов, пришло время новому лирскому мамонту принять свой окончательный вид.
![Скелет мамонта во время сборки](https://iqb.ru/hubfs/POSTS/2018.1204%20Materialise-mammoth-case/finishing-team-re-assembled-the-mammoth01.jpg)
«Во время цифрового этапа проекта мы приняли все меры для того, чтобы кости, каркас и напечатанные полиамидные соединители идеально сочетались друг с другом, формируя окончательный скелет мамонта. Был только один способ сделать все точно, — вспоминает Бринен. — Поэтому наша отделочная команда приступила к сборке мамонта на нашем объекте в Лёвене. Это было великолепное зрелище!»
В результате получилась точная, анатомически верная копия. Но ее еще надо было перевезти на новое место. Бринен продолжает: «Учитывая необходимость транспортировки, мы сконструировали скелет из шести сборочных единиц: четырех ног, позвоночника и головы. К примеру, позвоночная секция состояла из 30 отдельных частей, соединенных углеродными трубками». После того, как отдельные части скелета прибыли в пункт назначения в Лире, мамонт был собран повторно — вновь на своей родной территории, которая теперь станет местом его постоянного обитания.
Бринен заключает: «Всего за семь недель нам удалось создать новую частицу истории, которая принесет огромное удовольствие новым поколениям посетителей. Этот проект задействовал все сферы нашей компетенции — от оптимизации для печати и проектирования до производства и отделки — всего, что делает компанию Materialise уникальным игроком в области 3D-печати. И это определенно была командная работа: мы не смогли бы совершить это без чудесной команды экспертов-консультантов и ученых, которые работали с нами. Несмотря на то, что речь шла о сохранении прошлого, проект стал идеальным примером футуристического применения 3D-печати уже в наши дни. Лично мне было очень приятно увидеть, как клиент успешно воплощает масштабную — в буквальном смысле слова — идею вместе с нами!».
Материал предоставлен компанией Materialise. Оригинал статьи – по ссылке.
Статья опубликована 04.12.2018 , обновлена 07.02.2022