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Un crâne de rhinocéros imprimé en 3D

Les technologies modernes assistent les chercheurs pour de nouvelles avancées.

Des procédés d’imagerie industrielle et l’impression 3D permettent de faire revivre des espèces disparues pour les sciences et la recherche, et d’obtenir de nouvelles informations sur leurs conditions de vie.

Lorsque des paléontologues et des scientifiques visionnent des films comme Jurassic Park, la plupart d’entre eux sont sans doute moins intéressés par le suspense de l’action, mais plutôt par l’approche utilisée par les producteurs hollywoodiens pour reproduire si précisément le comportement et la façon de se mouvoir d’espèces éteintes depuis longtemps. La plupart des spécialistes dans ce domaine ne peuvent donner, même après des décennies de recherche, que de vagues informations sur la vie d’un ankylosaure, et d’ailleurs ces résultats sont généralement très controversés.

Le problème initial est la difficulté de tirer des conclusions sur les conditions de vie réelles à partir de reliques animales, et d’affirmer des vérités scientifiques sur la base d’une analyse uniquement superficielle. Il s’agit d’un problème que l’on ne rencontre pas uniquement en paléontologie, mais de plus en plus dans d’autres branches de la recherche biologique. Les évolutions, notamment climatiques, la disparition des espaces vitaux et également le braconnage menacent de disparition de plus en plus d’espèces d’animaux, si elles ne le sont pas déjà. De bonnes surprises comme celle du kangourou arboricole Wondiwoi, que l’on considérait éteint et qui a été récemment redécouvert sont rares, et des centres de recherches comme le Centrum für Naturkunde (CeNak) de l’Université de Hambourg, qui se penche sur la biodiversité et l’évolution doivent être créatifs pour obtenir des résultats de recherches fiables.

Parmi les atouts des scientifiques, on peut citer les technologies les plus modernes de radiographie. Les derniers progrès permettent des approches qui n’étaient pas envisageables il y a à peine dix ans. En particulier, les analyses détaillées effectuées par la tomographie informatique actuelle à haute résolution, et les modèles imprimés en 3D qui en découlent, offrent de toutes nouvelles possibilités aux travaux scientifiques fondamentaux.

Un rhinocéros numérisé

Une de ces solutions créatives pour l’étude d’espèces menacées ou disparues a été utilisée sur l’une des pièces d’inventaire du CeNak. Le rhinocéros de Sumatra devait être mis en lumière dans le cadre de l’exposition « Un héritage en voie de disparition : l’univers forestier ». Un crâne de cette espèce, dont on estime la population actuelle à une centaine d’individus, est en possession du CeNak depuis les années 1920. Pourtant, des conclusions précises sur la structure de ce crâne se sont révélées difficiles ans le passé.

 

EN BREF

Défi

YXLON a utilisé sa technologie pour créer une image complète du crâne en haute résolution, créant une réplique numérique précise. Ils voulaient imprimer cette réplique en 3D pour montrer à quel point leur scan était détaillé lors d'un salon professionnel qui approchait à grands pas.

Solution

La réplique numérique facilement accessible peut être téléchargée dans le système de devis de Protolabs. Cela a ensuite permis aux ingénieurs d'application de Prototabs de donner des conseils sur les structures de support dont la conception aurait besoin pour l'impression.

Résultat

Protolabs a été en mesure d'imprimer le crâne en Accura Xtreme White 200 pour répondre au mieux aux besoins du client. YXLON a été en mesure de respecter l'échéance fixée pour le salon et de démontrer les capacités de sa technologie de numérisation de pointe.

 YXLON
Mâchoire supérieure dans le système YXLON FF85 CT

À l’occasion de cette exposition, le professeur Thomas Kaiser, directeur du département Mammalogie et paléoanthropologie au CeNak a décidé de rechercher des partenaires compétents pour une étude plus précise de ce crâne. Le choix des experts est tombé sur YXLON International, une entreprise spécialisée dans la radiologie industrielle et la tomographie informatique. L’objectif du chercheur était d’obtenir un balayage en 3 dimensions du crâne, afin d’une part d’attirer l’attention sur l’extermination de cette espèce fortement menacée lors de l’exposition, mais aussi pour une étude scientifique poussée de ce mammifère.

Pour l’entreprise Yxlon, dont l’activité tourne théoriquement autour des pièces moulées, des moteurs ou de l’électronique, cette commande très exigeante vient confirmer la demande en forte croissante pour des applications dans les sciences naturelles. Les balayages effectués jusqu’ici par Yxlon concernaient surtout de petits animaux comme des grenouilles, des serpents, des fossiles ou des organes isolés ; le crâne beaucoup plus gros du rhinocéros de Sumatra représentait donc un défi tout particulier. « Pour des préparations aussi importantes, il faut une installation de taille suffisante et des procédures de prise de vue spécifiques, afin d’obtenir la résolution maximale », expliquent André Beerlink et Philip Sperling, Sales Manager Science & New Materials chez Yxlon. Le choix s’est porté finalement sur le système YXLON FF85 CT avec procédé en double hélice, au cours duquel le crâne est balayé plusieurs fois en rotation, pour obtenir une bonne résolution de l’ensemble. Ce procédé a permis d’atteindre l’objectif de l’équipe des scientifiques dirigée par le professeur Kaiser : obtenir un volume numérique 3D en haute résolution pour la simulation des comportements biomécaniques.

Dr. Thomas Kaiser et Dr. Étienne Turpin
Dr. Thomas Kaiser et Dr. Étienne Turpin avec le crâne de rhinocéros

Précis au micromètre près

L’œuvre terminée a pu enfin être admirée après la tomographie ainsi que quelques traitements des données brutes et des fichiers de balayage. Les experts de Yxlon ont réussi à fabriquer une copie numérique précise du crâne de rhinocéros. Tous les acteurs impliqués ont été surpris de la richesse des détails obtenus par le balayage. Les structures les plus fines, atteignant à peine 100 micromètres, ont pu être relevées et reproduites même à l’intérieur du crâne par le balayage tomographique et le procédé spécial en double hélice. Le volume numérique 3D a ainsi fourni aux chercheurs une immense quantité de nouvelles informations restées cachées aux investigations antérieures. Ces nouvelles connaissances sur la structure osseuse et les positions biomécaniques respectives des deux mâchoires ont permis aux scientifiques dans un premier temps de tirer de nouvelles conclusions sur l’âge, l’alimentation et le comportement de l’animal.

Le volume 3D numérique doit non seulement prendre place dans l’exposition du CeNak, dans laquelle le balayage coloré du crâne, objet visuel distancié, veut attirer l’attention sur la situation de cette espèce menacée de disparition, mais aussi permettre la simulation biomécanique des mouvements de mâchoires. Des calculs en éléments finis ont précisé sur le balayage la répartition des forces dans les mâchoires et le crâne. Les conclusions tirées sur la morphologie de la structure osseuse devraient ouvrir de nouvelles fenêtres sur les conditions de vie de l’animal. Dans le cas du rhinocéros de Sumatra, ces données pourraient dans le meilleur des cas permettre d’identifier les écosystèmes adaptés à une colonisation par cette espèce menacée et éviter une disparition totale.

Pour les scientifiques entourant le professeur Kaiser et les curateurs de l’exposition du CeNak, le balayage du crâne est un point de départ pour d’autres travaux de recherches et pour d’autres expositions. Mais pour Yxlon, l’achèvement du balayage n’était qu’un début.

crâne de rhinocéros de Sumatra
Crâne de rhinocéros de Sumatra

Une chasse aux trophées sans victimes - l’impression 3D permet une représentation d’un réalisme frappant

En raison des efforts engagés et de la qualité exceptionnelle et de la rareté de ce balayage, Yxlon a été rapidement persuadé que ce projet représentait une vitrine importante pour les capacités de son système CT moderne et pour l’expertise de l’entreprise, et donc que le balayage du crâne du rhinocéros de Sumatra devait être mis en avant comme un joyau tout particulier. Les collègues n’avaient cependant qu’une courte fenêtre d’action pour pouvoir le présenter au prochain salon.

Lors d’un voyage professionnel à New York, leurs recherches sur Internet les ont guidés vers Protolabs, un fabricant de prototypes personnalisés et de petites séries grâce à la production additive ou encore le moulage par injection et les procédés CNC. En déplacement, ils ne disposaient que de l’enregistrement du balayage du crâne. Le téléversement facile en ligne et le service de commande de Protolabs leur ont donc paru très pratiques. L’entreprise promet de livrer des constructions, même à partir de fichiers compliqués, dans des délais courts et avec une large palette de matières, avec une approche restant très intuitive pour l’utilisateur. Dès le lendemain, les experts de Protolabs se sont manifestés pour discuter de la marche à suivre pour cette impression 3D, tout à fait exceptionnelle aussi pour eux.

Malgré le délai court jusqu’à l’ouverture du salon, et le bref laps de temps pour l’impression 3D définitive, ainsi que pour les adaptations obligatoires des données de balayage à un procédé de fabrication additive, les experts de Protolabs ont réussi à reproduire le crâne du rhinocéros de Sumatra avec un réalisme frappant. Même les plus petits détails de l’original se retrouvent dans la reproduction, et seule la matière est différente : le modèle imprimé en 3D n’est pas constitué de matière osseuse, mais de la matière Accura Xtreme White 200, un peu plus claire et exempte de décolorations.

"Pour nos clients, partenaires et également pour nous, il est passionnant de pouvoir visualiser et toucher un balayage tomographique : c’est incroyable que Protolabs ait réussi à imprimer les détails très fins de ce crâne de rhinocéros de Sumatra avec cette qualité. Le délai incroyablement court du traitement et les conseils compétents pour cette entreprise compliquée viennent confirmer nos expériences positives avec Protolabs."

À l’avenir, de tels modèles imprimés en 3D ne vont pas se contenter de devenir des pièces d’exposition dans les salons. Comme l’a montré l’exemple du rhinocéros de Sumatra, le balayage tomographique et la fabrication additive peuvent créer des représentations d’un réalisme frappant de fossiles rares, d’une valeur inestimable pour la recherche et l’enseignement. Grâce aux technologies les plus modernes, il est possible de tirer des conclusions sur le mode de vie et le comportement des animaux, tout en créant des objets illustratifs pour des essais et recherches supplémentaires concernant des êtres vivants qui ont disparu depuis longtemps de la surface de la Terre. Daniel Cohn, Directeur de Protolabs Deutschland est du même avis : « Même si la reproduction de fossiles représente un défi particulier, tous ces efforts portent leurs fruits avec des modèles aussi fidèles dans les moindres détails. Nous nous réjouissons de pouvoir servir la science avec nos reproductions, et de contribuer ainsi à la protection des espèces. »