Блог | Volgobot
Мир 3D-Печати

3D-Печать в археологии

Сегодня мы предлагаем рассмотреть еще одну сферу применения аддитивных технологий - археологию. В этой статье мы расскажем как можно использовать 3D-Печать для изучения прошлого человечества.

Есть ряд сфер деятельности человека, где 3D-технологии стали просто незаменимыми. Одной из таких сфер стала археология.

Аддитивные технологии в данной сфере используются по 3 основным направлениям:
  1. Очищение объектов исследования и создание его трёхмерной цифровой и печатной копий;
  2. Оцифровывание архивов существующих экспонатов для дальнейшего исследования и фиксация найденного материала на месте раскопок;
  3. Восстановление разрушенных частей объекта на 3D-печатной копии и в цифровой модели.

Разберём каждое направление подробнее.

1. Очищение артефактов и создание их трёхмерной цифровой и печатной копий.

Во время традиционных археологических раскопок перед захватом обнаруженного артефакта ненужный материал удаляется, а вместе с ним могут быть утрачены небольшие, но очень ценные частицы самого объекта.
С появлением 3D-печати и 3D-сканирования процесс очищения артефактов от окружающего материала существенно упростился, сегодня археологи сначала сканируют найденный объект в толще окружающего материала, затем выстраивают его цифровую трёхмерную модель и распечатывают её на 3D-принтере.

Используя напечатанный объект, который представляет собой точную копию артефакта, археологи получают представление что находится внутри окаменелости, а потому могут без повреждений исходного объекта удалить с него ненужный материал.
3D-сканеры и 3D-принтеры позволяют также не извлекать артефакты из их «кожухов», а использовать для анализа точные копии объектов, напечатанные на 3D-принтере. Это открывает новые способы наблюдения за археологическими артефактами и их модификации.

2. Оцифровывание архивов существующих экспонатов для дальнейшего исследования и фиксация найденного материала на месте раскопок.

Благодаря 3D-сканированию в археологии удаётся сохранять и восстанавливать исторические ценности и даже совершать открытия. Работа с цифровым 3D-архивом позволяет воспользоваться услугами и помощью специалистов по всему миру, не выезжая за консультацией и не транспортируя хрупкие объекты, которые часто не подлежат транспортировке, а при их извлечении они или их части могут быть полностью утрачены.
Интересный факт:

После 3D-печати копии артефакта Бронзового века, археолог смог доказать, что древний ирландский рог был неверно классифицирован, считалось, данный артефакт является острием копья.
Билли О’Фогхлу, студент, изучающий археологию в Австралийском национальном университете, распечатал на 3D-принтере копию артефакта, ранее известного как Коническое острие копья из НАВАН (обнаружен в 1900-ых в Ирландии). После изучения копии, Билли пришёл к выводу, что данный артефакт на самом деле является рогом.


Также археология предусматривает в работе обязательную фиксацию найденного материала. Именно так осуществляется археологическое исследование, ведь раскопки подразумевают полную утрату культурного слоя. И самый современный способ фиксации материала – 3D-сканирование. Данная методика исследования представляет особую ценность, так как для работы не требуется извлекать объект, а это, в свою очередь, позволяет сохранить его целостность.

3. Восстановление разрушенных частей объекта на 3D-печатной копии и в цифровой модели.

При сканировании останков можно воссоздать облик артефакта. Это касается скелетов людей, динозавров и древних млекопитающих. 3D-технологии позволяют воссоздать облик практически со 100% точностью.

«Лаборатория мультидисциплинарных исследований первобытного искусства Евразии» Новосибирского государственного университета (ЛМИПИЕ НГУ) активно занимается оцифровкой предметов музейных и научных коллекций как базового Института археологии и этнографии СО РАН, так и партнёрских организаций.

Технологии 3D-моделирования позволяют ослабить проблему сохранности уникальных артефактов: взаимодействие с электронным объектом не разрушает его, в то время, как оригинальный предмет может портиться даже от света и климатических условий локальной экспозиции, не говоря уже о прямом контакте с исследователем. Применение трёхмерного сканирования и 3D-печати позволяет хранить в музеях не оригинальные артефакты, а их копии, напечатанные на 3D-принтере.

Созданные в ЛМИПИЕ НГУ модели нашли применение в ряде направлений:
  • В экспозиции музея ИАЭТ СО РАН в составе программно-аппаратного комплекса «Кто мы. Родословная Человечества»
  • В задаче восстановления первоначального вида предмета – палаша, подверженного ритуальной порче боевого оружия.
  • Для создания пластиковых копий музейных предметов с помощью 3D-принтера.
3D-печать полезна и в том случае, если на раскопках удалось найти лишь часть артефакта. В этом случае, отсканировав имеющийся фрагмент, можно из оцифрованной модели создать утраченные детали и элементы и распечатать на 3D-принтере итоговую картину.

Арт-студия 3D печати Жангфеи (Zhang Fei 3D Print art studio) во время процесса восстановления хэнанского фарфора династии Сун со спиральным узором сканирует артефакты с помощью ручного 3D-сканера. На основе высокоточных данных, полученных при 3D-сканировании, дизайнер применяет технологию обратного проектирования для создания цифровых 3D-моделей для оставшихся фрагментов артефактов, распечатывает их с помощью 3D-принтера и выполняет постобработку для завершения восстановления.

Изделие проходит несколько этапов:
1. 3D Сканирование

Дизайнер закрепляет артефакт на специальном штативе и помещает фрагменты фарфора в центр поворотного стола сканера и выбирает точность сканирования 0,05 мм. После нескольких автоматических процессов сканирования, данные точечного облака о фарфоровых фрагментах постепенно формируются в программе.
После завершения сканирования дизайнер преобразует данные точечного облака в данные треугольного среза в ПО. После завершения преобразования, данные выводятся и сохраняются в виде файлов stl и obj.


2. Проектирование

Дизайнер импортирует полученный в результате сканирования файл obj в программу Zbrush. Кисть с текстурой в виде спирального узора, специально созданная программой, позволяет тщательно загладить швы между артефактом и отреставрированной частью. Наконец, выполняется булева операция, чтобы получить полную модель окончательной реставрации.
3. Печать и постобработка

Дизайнер экспортирует восстановленную модель и передает ее в программное обеспечение принтера для печати. Проработав более 10 часов, 3D-принтер распечатывает отреставрированную часть артефакта.
Далее идёт постобработка печатной модели и соединение с исходным артефактом.


Ещё одним интересным примером применения аддитивных технологий в археологии является изготовления модели «всадника из Унлингена».

«Всадник из Унлингена» – погребальный предмет, найденный в могиле кельтского вождя из гальштатской культуры. Эта бронзовая статуэтка всадника на двойной лошади была найдена в захоронении-повозке под Унлингеном (Германия), уже разграбленном в древности. Сломанные края неполных ног лошади указывают, что статуэтка первоначально была прикреплена к другому – несохранившемуся – предмету. Другие предметы из захоронения позволяют датировать статуэтку восьмым или седьмым веком до н.э. «Всадник из Унлингена» представляет собой одно из старейших изображений конного всадника, найденное к северу от Альп. Эта статуэтка – уникальное изделие ранней кельтской культуры в Центральной Европе.
Бронзовый всадник был подвергнут трехмерному рентгеновскому обследованию и оценке с использованием программы «VG Studio Max 3.0» компании «Volume Graphics». Данные для стереолитографии (формат STL), полученные посредством этого процесса, позволяют переносить современный промышленный технологический процесс трёхмерной печати на задачи в области археологии.
Инженеры-материаловеды компании «Concept Laser» также разработали бронзовый сплав, аналогичный материалу оригинала: современный медно-оловянный сплав, по плотности и удельному весу близкий к материалу артефакта 8-7 века до н.э. Точные доли меди и олова можно было определить, используя рентгеновский флуоресцентный анализ.

Именно таким образом «всадник из Унлингена» был напечатан в бронзе, соответствующей материалу оригинала. Визуально и на ощупь копия всадника находится на одном уровне с изделием-оригиналом.
Подведём итоги.

Результаты применения аддитивных технологий в археологии:
  • Археологические находки с хрупкими и сложными структурами могут воспроизводиться с высокой точностью
  • Процесс трёхмерной печати делает возможным бесконтактное воспроизведение артефактов без их повреждения
  • Копии абсолютно точны во всех деталях и соответствуют оригиналу
  • Копии могут предоставляться музеям, в то время как оригиналы остаются в хранилищах для исследовательских целей
  • Высокая плотность, сопоставимое ощущение на ощупь и высокое качество поверхности
  • При изготовлении копий уникальных предметов без использования форм существенно сокращается время разработки, а также затраты
  • Не требуется покупка инструментов, уменьшается количество отходов
  • Возможность реконструкции в случае разрушения предметов.

Таким образом можно сказать, что благодаря использованию 3D-технологий у человечества появляется все больше возможностей  узнать о прошлом планеты, восстановить утерянные части артефактов и увидеть как выглядела жизнь века назад.