Historische Begegnung zwischen einem 66 Millionen Jahre alten Tyrannosaurus Rex und Artec 3D in japanischer Museumsinstallation

Herausforderung: Die Nachbildung fehlender und qualitativ schlechter Knochenmodelle eines zuvor gescannten, 66 Millionen Jahre alten T-Rex in höchster Qualität, mit mehr Details für eine neue 3D-Rekonstruktion des Exemplars im Japanischen Dinosauriermuseum in Nagasaki.

Lösung: Artec Space Spider, Artec Studio, Autodesk Maya, ZBrush, Geomagic Wrap, Simplify3D und Cura, 3D-Drucker Ultimaker und Builder Extreme 1500

Ergebnis: Detailliert gescannte Knochen in hochauflösendem 3D, bereit für den 3D-Druck und Zusammenbau zu einem vollständigen Skelett.

Nach der erfolgreichen ersten Rekonstruktion von Trix in den Jahren 2014 bis 2016 beschloss das Team des Naturalis Biodiversity Center die Anschaffung eines 3D-Scanners. Die Wahl fiel auf Artec Space Spider, da sich dieser in puncto Genauigkeit, Leistung und Benutzerfreundlichkeit am besten für eine Vielzahl an Aufgaben eignet. Wie bereits zuvor war der Lieferant 4C Creative CAD CAM Consultants, ein langjähriger Artec-Partner und Markenbotschafter.

Hanneke Jacobs, Projektmanager von Dinosaurs bei Naturalis begründet diesen Schritt damit, dass Artec Space Spider dem Großteil ihrer Anforderungen entspricht und damit am geeignetsten für ihre Einrichtung sei.  

„Das größte Raubtier, das jemals auf der Erde gelebt hat, erfordert den Einsatz moderner Scantechnologie. Artec 3D leistet uns dabei großartige Unterstützung“, sagt Edwin Rappard, Direktor von 4C. „Wir freuen uns darüber, dass Naturalis sich für Space Spider entschieden hat, damit die Arbeit vollendet werden kann, die bereits mit Artec Eva vor Jahren begonnen wurde. Dadurch ist es sogar möglich, die Daten von 2016 mit den aktuellen aus Space Spider zu kombinieren.“

Der handliche und leistungsstarke 3D-Scanner ist die ideale Wahl um kleine Teile mit komplizierten geometrischen Elementen wie Knochen und verschiedene Arten von Fossilien in hoher Auflösung und mit konstanter Genauigkeit zu erfassen. Der Zeitpunkt war günstig gewählt, denn kurz zuvor hatte das Zentrum eine Vereinbarung mit dem japanischen Dinosauriermuseum in Nagasaki unterzeichnet, um die erste Kopie von Trix, benannt als „3D Trix“, zu bauen. Das bedeutete, dass sich der historische Tyrannosaurus Rex und die Artec-Scanner ein weiteres Mal begegnen würden.

3D Trix: vom 3D-Scan zum vollendeten Skelett

Nach einer kurzen Produkt- und Softwareeinweisung machte sich der 3D-Modellierer und Anatom Pasha van Bijlert an die zweite digitale Rekonstruktion des T-Rex-Skeletts.

Nach einer kurzen Einweisung in Space Spider und die Software Artec Studio machte sich 3D-Modellierer van Bijlert an die Arbeit (Quelle: Hanneke Jacobs)

Das Skelett von Trix besteht aus etwa 320 Knochen. Die meisten davon wurden bereits mit Artec Eva gescannt, darunter die älteren Rippen, der Schwanz und die Wirbel. Das bedeutete, dass van Bijlert nicht das gesamte Skelett erneut scannen musste: Notwendige Nacharbeiten betrafen nur die Knochen, die nicht genug Details aufwiesen und bei denen eine bessere Qualität erforderlich war. Das galt mitunter für die Fußknochen, den Kiefer sowie den Schädel. Die Zeitersparnis war enorm, wodurch der Spezialist sich ganz auf das Modellieren und den Einbau fehlender Elemente in das endgültige 3D-Skelett konzentrieren konnte.

Mit Hilfe eines computergestützten Programms positionierte van Bijlert zunächst alle bereits vorhandenen gescannten 3D-Modelle des T-Rex in einer realistischen und eindrucksvollen Pose. Danach begann er mit der Arbeit an den Knochen, die neu gescannt und restauriert werden mussten.

Ein 3D-gedrucktes Teil des Oberschädels von Trix neben dem echten Skelett eines Tyrannosaurus Rex im Naturalis Biodiversity Center (Quelle: Hanneke Jacobs)

Insgesamt benötigte van Bijlert lediglich ein paar Tage zur Vervollständigung fehlender Scans und einige Wochen, um das zusammengetragene Material zu verarbeiten und in einem kompletten 3D-Modell zusammenzufügen.

Der Ablauf der Nachbearbeitung variierte zwischen den Knochen. Wenn ein Knochen von allen Seiten zugänglich war, vereinfachte dies den Scan-Prozess erheblich und man konnte problemlos die Scans ausrichten und etwaige Anpassungen sowie eine Fusion durchführen. Hierbei war keinerlei Textur nötig. Über seinen Arbeitsablauf in Artec Studio erzählt van Bijlert: „Mir gefällt besonders das Ausrichtungswerkzeug, weil man neben einzelnen Scans auch 'fertige' Modelle an verschiedenen Positionen ausrichten kann.“

Für einige der Scans, die nicht von ausreichender Qualität waren – zum Beispiel, wenn ein Knochen gescannt wurde, bevor er vollständig restauriert oder bereits im Rahmen montiert war – benötigte es eine umfangreiche Nachbearbeitung mit einer Kombination aus digitalen Tools, um die fehlenden Daten zu ergänzen. Wo es möglich war, wurden Abschnitte von verschiedenen Knochen gespiegelt oder verpflanzt, um die flachen Bereiche aufzufüllen. In einigen Fällen mussten fehlende Bereiche, basierend auf Fotos von Tyrannosaurus-Exemplaren, sogar von Hand modelliert werden.

Um sicherzustellen, dass der neue 3D-Trix so realistisch und authentisch wie möglich aussieht, wurden einige angeschlagene Gussknochen ausgetauscht, die Trix von anderen Exemplaren geerbt hatte. Dazu gehörte mitunter ein Schwanzknochen des mittlerweile versteigerten T-Rex Stan.

Auf Wunsch des Museums in Nagasaki erarbeitete van Bijlert auch einen 3D-Trix in Angriffsposition.

Die neue Rekonstruktion des T-Rex von Naturalis, 3D Trix, in Angriffspose (Quelle: Hanneke Jacobs)

Im Sinne einer naturgetreueren Version brachte der 3D-Modellierer auch die Knie von Trix näher zusammen. Durch die Betrachtung der versteinerten Dinosaurier-Fußabdrücke hatte van Bijlert herausgefunden, dass die weit auseinander stehenden Beine der originalen Trix und anderer T-Rex nicht der Realität entsprachen. Außerdem rückte er die Knochen der Wirbelsäule näher zusammen als im Original, da das neue Modell konstruktionsbedingt nicht wie das Originalskelett zerlegt werden sollte.

Bereit für den 3D-Druck

Nachdem das Finishing abgeschlossen war, wurde die interne stählerne Armatur, die das montierte Skelett von innen stützt, modelliert. Das fertige Modell wurde nun für den 3D-Druck in Bereiche eingeteilt und alle Knochen wurden eingefärbt. Kleinere Teile wie Nägel und Zähne wurden aus recyceltem PLA (Polymilchsäure)-Biokunststoff gedruckt. Bei diesem Kunststoff handelt es sich um ein starkes und langlebiges Material, das unter speziellen Bedingungen biologisch abgebaut werden kann. Die größeren Knochen wurden mit zwei großformatigen 3D-Druckern des Modells Builder Extreme 1500 gedruckt.

3D-Druck des unteren Teils des Kiefers von Trix (Quelle: Hanneke Jacobs)

Der letzte Schritt war das anschließende Auffädeln – ein Knochen nach dem anderen – auf einen zuvor entworfenen Rahmen aus Stäben, wobei das 3D-Modell als Referenz diente. Nach fast einem Jahr Arbeit wurde schließlich die neue Rekonstruktion von 3D Trix Ende 2020 fertiggestellt.

Vollständig montiertes Skelett von 3D Trix, ausgestellt im Naturalis Biodiversity Center (Quelle: Hanneke Jacobs)

Der eigentliche Druck und Zusammenbau der Knochen fand in der „Live Science“-Ausstellungshalle von Naturalis statt, sodass die Besucher den gesamten Prozess von Anfang bis Ende miterleben konnten. Anschließend wurde der T-Rex in sein neues Zuhause nach Japan verfrachtet.

Zusammensetzen von 3D-Trix in Naturalis

Artec Leo

Gleich nach der Fertigstellung der neuen Rekonstruktion beschloss das Naturalis-Team angesichts der Größe der Dinosaurier einen weiteren Artec-Scanner anzuschaffen. Dieses Mal fiel die Wahl auf Artec Leo. Dieser Scanner kann größere Knochen sehr einfach und schnell erfassen, wodurch viel Zeit und Aufwand eingespart werden.

Die Arbeit mit diesen beiden Scannern stellt eine ideale Lösung für das Team dar, es ist eine ideale Kombination. Seitdem beide Scanner zur Verfügung stehen, erhalten Hanneke und ihr Team auch Scan-Anfragen von anderen Abteilungen des Zentrums: „Neulich habe ich einen Scan eines großen Mammut-Hüftknochens gemacht, der gedruckt und in ein Skelett eingebaut wurde. Seit bekannt ist, dass wir diese Geräte besitzen, wenden sich immer mehr Verantwortliche an uns. Diese sind nun Teil unsere technischen Repertoires.“

Die Erforschung historischer Knochen wird die Forscher wahrscheinlich noch mindestens 20 Jahre beschäftigen. Weltweit gibt es noch viele Gebiete, die es zu erforschen gilt.

Das Naturalis-Team (von links nach rechts): Mickel van Leeuwen, Pasha van Bijlert, Donald vd Burg, Hanneke Jacobs, Ashwin van Grevenhof, Wilco de Pineda (Quelle: Hanneke Jacobs)