Einsatz von 3D-Scannern nimmt zu

Digitaltechnik ermöglicht neue Ansätze in Bildung und Forschung: Wertvolle oder empfindliche Stücke werden mit 3D-Druckern reproduziert.

Die Einsatzgebiete von 3D-Scannern werden immer vielfältiger. Denn neben Kunst, Design und Medizin werden 3D-Scanner auch zunehmend in anderen Bereichen wie Bildung, Artenschutz, Forschung und Fertigung bzw. technischer Wartung als praktisches Werkzeug geschätzt.

Mit ihrer Hilfe lassen sich genauso spektakuläre Dinosaurier-Funde rekonstruieren, wie bedrohte Vogelarten schützen, Schiffe Instand setzen, Tierschädel duplizieren und Museumsbesuche sinnlicher und informativer gestalten.

Barrierefreies Museum für Sehbehinderte 

Museumsausstellungen sind zumeist visuell konzeptioniert – das Betrachten-nicht-Tasten-Prinzip ist nicht zuletzt den oftmals recht empfindlichen Exponaten geschuldet. Blinde Menschen nehmen aber ihre Umwelt neben dem Gehör vornehmlich mit ihrem Tastsinn wahr.

Im Nationalen Etruskischen Museum von Marzabotto und im Nationalen Archäologischen Museum von Ferrara wurden mit dem Streifenlichtscanner Artec Eva 3D-Modelle von Originalstücken erstellt.

Beim anschließenden 3D-Druck wurden möglichst gleiche oder zumindest ähnliche Materialien wie beispielweise Keramik, Marmor oder Bronze verwendet. Mithilfe dieser Duplikate können nun Menschen, die schlecht oder gar nicht sehen, historische Ausstellungsstücke sinnlich ertasten und erfühlen.

Virtuelle Modelle

3D-Scan eines Ausstellungsstücks für das Schädelmuseum. Foto: Artec

Auch Studierende der Biologie und Archäologie an der St. Cloud State University in Minnesota kommen in den Genuss der Scanner-Technologie: Dort werden etwa für das interaktive 3D-Schädelmuseum Säugetierschädel gescannt, um deren Merkmale zu untersuchen und zu vergleichen.

Für kleinere Tierschädel brauchte man zum Scannen circa eine Stunde, da sie kleinteilig sind und insgesamt rund acht Scans nötig waren, um alle Details wie Zähne aus unterschiedlichen Winkeln abzutasten.

Dies ermöglichte laut Mark Gill, Leiter des Visualization Lab der Hochschule, der mobile 3D-Scanner Artec Spider. Schüler, Studenten und Interessierte können nun Fossilien und wertvolle Fundstücke betrachten, ohne Angst haben zu müssen, diese zu beschädigen. Zudem können andere Museen, Schulen und Lehreinrichtungen physische Kopien der Funde als 3D-Drucke erhalten.

Digitaler Artenschutz 

3D-Modell eines Vogels. Daneben der zuvor nötige 3D-Scanvorgang eines Vogels. Foto: Artec

Das Start-up-Unternehmen für 3D-Druckmodelle Threeding.com wiederum erstellt dreidimensionale Digitalmodelle von über 40 bedrohten Vogelarten, wie zum Beispiel Nachbildungen des Seeadlers und Nachtreihers oder der Waldohreule. Das Ziel des Projekts besteht darin, der Öffentlichkeit die 3D-Modelle der Vögel im 3D-Druckformat als Vorlagen für physikalische Objekte zur Verfügung zu stellen.  

Dinosaurier auf Weltreise

Im US-Bundesstaat Montana wurde 2013 eines von drei fast vollständigen Skeletten eines Tyrannosaurus Rex entdeckt. Über 80 Prozent der Knochen des 66 Millionen Jahre alten Dinosauriers konnten geborgen werden – vom fast zwei Meter großen Schädel bis hin zu winzigen Schwanzwirbeln.

Das vollständige Skelett des T. Rex. Foto: Artec

Um „Trix“, wie der Gigant getauft wurde, für kommende Generationen zu erhalten, stellte das Naturalis Biodiversity Center im niederländischen Leiden in Kooperation mit Valentin Vanhecke von 4Visualization ein 3D-Modell des Dinosaurierskeletts her.

Beim Digitalisieren des gesamten Tieres und bei Einzelknochen benutzte Valentin Vanhecke 3D-Scanner. Das Scannen der kleineren Knochen nahm zwei Wochen in Anspruch, das Fossil als Ganzes konnte innerhalb eines Tages erfasst werden.

Die Scans mussten zudem nachbearbeitet werden. Die 3D-Modelle kamen später beim Zusammenbau des Skeletts zum Einsatz: Fehlende Knochen wurden modelliert, in 3D gedruckt und an den passenden Stellen eingesetzt.

Vanhecke saß zunächst vor einem Puzzle aus 200 Teilen, für die er den richtigen Platz finden musste, „leider ohne Puzzle-Bild, nach dem ich mich hätte richten können“. Mittlerweile auf Weltreise durch mehrere Museen in Europa und China, wird der 3D-gedruckte "Trix" bis zu seiner Rückkehr in die Niederlande 2019 Millionen Menschen das Leben vor über 60 Millionen Jahren vermitteln.

Ahoi – im virtuellen Dock

Scan eines Impellers für ein LCVP. Foto: Artec

Wie sehr der 3D-Scans noch ganz am Anfang steht, erahnt man, wenn die Technologie zusammen mit anderen angewendet wird. So wird zum Beispiel die Kombination von 3D-Scans und Reverse Engineering für die Instandhaltung von Schiffen der Königlich Niederländischen Marine eingesetzt.

Marinebedrijf Koninklijke Marine ist ein niederländisches Unternehmen, das mit der Wartung sämtlicher Schiffe, Boote und U-Boote der niederländischen Marine sowie der M-Klasse-Fregatten der belgischen Marine betraut ist. Darüber hinaus baut und modifiziert der Betrieb Teile für Schiffe – vom Rumpf über die Waffensysteme bis hin zu den Motoren. Zu diesem Zweck wird der 3D-Scanner Artec Eva bzw. Spider eingesetzt.

Sind keine 3D-Daten oder Zeichnungen der Schiffsteile vorhanden, werden mit den 3D-Scannern von Artec 3D-Bilder des Objekts erstellt und die Teile anhand von Scans rekonstruiert. Anschließend werden sie mithilfe von 3D-Druck-, 3-5-Achs-Fräs- oder 3D-Schweißtechniken nachgebaut.

Zum Beispiel wird für die Reparatur eines Antriebsrad (Impeller) eines LCVP (Higgins-Boot) dieses gescannt und mit der daraus resultierenden STL-Datei das Roboter-Schweißsystem so programmiert, das nur exakt an den Stellen wo Material hinzugefügt werden muss, auch geschweißt wird. Auch beim Reverse Engineering der Sitze für die Hochgeschwindigkeitsboote vom Typ Frisc sind 3D-Scans sehr nützlich. 

Aufgrund der mit dem 3D-Scanner Eva gescannten Sitze werden mit den 3D-Daten eine passgenaue Form konstruiert, mit der die Sitze repariert werden können. Nach der Bearbeitung wird das Modell meist in Spaceclaim exportiert, einer CAD-Software für das Reverse Engineering.

Dort wird eine 3D-Datei für den 3D-Druck, den Fräsvorgang oder das 3D-Schweißen erstellt. Falls erforderlich, werden 2D- oder 3D-Zeichnungen für die Werkstätten der Königlichen Marine angefertigt.

Gehen wie ein Ägypter

Die Mumie Sherit wird mit Artec Eva gescannt, der mit einem Artec-Akkupack ausgestattet ist. Foto: Artec

Eine weitere Verbindung von zwei Techniken haben Artec 3D und Volume Graphics realisiert und 3D-Scanning mit Computertomographie miteinander kombiniert, um das 3D-Modell einer ägyptischen Mumie zu erzeugen.

Dazu wurden die Informationen zur Geometrie und Farbe der Mumie mit dem 3D-Streifenlichtscanner Artec Eva erfasst und über eine computertomographische Aufnahme gelegt, die mit dem CT-Scanner Siemens Axiom erstellt wurde. Das Ergebnis ist eine digitale Kopie der Mumie, die sowohl ihr Inneres als auch ihr Äußeres im Detail zeigt.

Zusammengefügt werden die beiden Daten-Sets mit Hilfe einer aktuellen Funktion in der Software Volume Graphics Version 3.1 zur Analyse und Volumenvisualisierung von 3D-Daten.

Die 3D-Scanner von Artec liefern hochauflösende 3D-Bilder mit einer Farbtiefe von 24 Bit pro Pixel und geben die echten Farben des Objekts wider. Dank der verbesserten Visualisierungsfunktion der 3D-Modellierungssoftware Artec Studio 12 sieht der Nutzer die 3D-Daten beim Rotieren als vollständig gerenderte Scans und nicht als Punktwolken.

Dadurch wird die Bearbeitung und Überprüfung des 3D-Modells sehr viel einfacher. Das 3D-Bild wurde als Farbnetz gespeichert, das sowohl die Farb- als auch die Geometriedaten enthält. Mit dem CT-Scan hatte man auf schonende Weise die internen Strukturen der Mumie vollständig erfasst – ein Bereich, der dem optischen 3D-Scanner verborgen bleibt.

Anhand des CT-Scans wurde das dreidimensionale Volumen berechnet, das sämtliche Gewebe- und Geometrieinformationen beinhaltete. Zur Verknüpfung wurde das Farbnetz auf die vom CT-Scan errechnete Objektoberfläche platziert. Das Ergebnis war die präzise digitale Kopie der Originalmumie, die es bislang gibt – innen wie außen.

Die Zusammenführung der Daten erfolgte mit VG Studio Max einer Software zur Volumenvisualisierung und Analyse gewerblicher CT-Daten von Volume Graphics, die .obj- und .ply-Daten lesen kann. Als Anwendungsbereiche bieten sich neben der Archäologie der Denkmalschutz, Forensik, Anthropologie und Medizinwissenschaften an.

Quelle: Artec