LS1.7 - Schnittstelle zwischen Digitalisierung und Konstruktion

Digitalisierter Stumpf im STL-Format

Gemeinsames Lernen / Selbständiges Lernen

STL-Format

Beim STL-Dateiformat (Surface Tesselation Language, Beschreibung der Oberfläche durch Dreiecke) es sich um eine standardisierte Schnittstelle vieler CAD-Systeme für 3D-Daten.

Ein dreidimensionales Objekt wird beim STL-Dateiformat mit Hilfe vieler Dreiecke dargestellt. Ein Dreieck besteht dabei aus drei Eckpunkten (engl. Vertex, Vertices) und drei Kanten (engl. Edge, Edges). Diese bilden zusammen eine dreieckige Fläche (engl. Face, Faces).

3 Punkte definieren ein Dreieck in einer STL-Datei

Man benötigt je drei Koordinaten im dreidimensionalen Koordinatensystem (x,y,z) für die Eckpunkte. Die Ecken müssen von außen gesehen gegen den Uhrzeigersinn aufgeschrieben werden. Damit wird festgelegt, wo die Außen- und wo die Innenseite der Fläche ist.

Das sieht dann in einer STL-Datei z.B. so aus:

solid name
 facet normal
  outer loop
   vertex x y z
   vertex x y z
   vertex x y z
  endloop
 endfacet
endsolid name

Name ist der frei wählbare Name des Objektes. Jeder vertex x y z legt jeweils die Koordinaten des ersten, zweiten und dritten Eckpunktes fest. Die Ecken müssen von außen gesehen gegen den Uhrzeigersinn aufgeschrieben werden!

PLY-Format

Das Polygon File Format (Abkürzung: PLY, Dateinamenserweiterung: .ply) ist auch ein Dateiformat zur Speicherung dreidimensionaler Daten.

Mit diesem Format können einzelne 3D-Objekte als Zahlenlisten von Polygonen gespeichert werden. Polygon heiß Vieleck. Es können also nicht nur Dreiecke sondern auch Rechtecke, Fünfecke usw. dargestellt werden.

Für Vorder- und Rückseite eines Polygons können außerdem im Gegensatz zum STL-Format weitere Eigenschaften definiert werden. Möglich sind z.B. Farbe, Transparenz, Oberflächen-Normalen und Textur-Koordinaten. Eine Textur ist ein Bild, das auf der Oberfläche eines 3D-Objektes dargestellt wird.

OBJ-Format

Das Object File Format (Abkürzung: OBJ, Dateinamenserweiterung: .obj) ist ein offenes Dateiformat zum Speichern von dreidimensionalen Daten.

Das OBJ-Format speichert Vertices, Textur-Koordinaten, Normalen, Flächen und Glättungen. Materialeigenschaften (z. B. Spiegelung, Transparenz, Glanzlicht usw.) werden in einer separaten Materialdatei definiert. Sie kann auch Angaben zu einer Textur enthalten. Die Texturdatei wird als Bild separat gespeichert und in der Materialdatei verlink. Die Materialdatei hat die Dateiendung .mtl (von engl. material template library).

Manifold

Ein Dreiecksnetz muss bestimmte Bedingungen erfüllen, damit es von CAD-Software fehlerfrei verarbeitet werden kann. Man sagt, das Netz muss manifold" (wohlgeformt) und sein. Das bedeutet unter anderem, dass

• jede Kante (edge) Teil von genau zwei Dreiecken ist.
• keine Kante (edge) eine andere überlappt.
• keine Kante eine andere unterbricht.

Punktewolke des eckigen Stumpfes ins STL-Format "exportieren"

Du hast die Punktewolke des eckigen Stumpfes mit dem Laserschnittverfahren digitalisiert. Die Punktewolke ist nun im XYZ-Koordinatensystem eingetragen. Die Punktewolke muss nun in das STL-Format exportiert werden.

Wähle für diese Aufgabe einen zu Deinen Fähigkeiten und Deiner Motivation passenden Kompetenzlevel:

• Level 1: Du "exportierst" zwei Dreiecks-Flächen (Faces) der Punktewolke ins STL-Format.
• Level 2: Du "exportierst" alle unteren Dreiecks-Flächen (Faces) der Punktewolke ins STL-Format.
• Level 3: Du "exportierst" alle Dreiecks-Flächen (Faces) der Punktewolke ins STL-Format.
• Level 4: Du "exportierst" alle Dreiecks-Flächen (Faces) der Punktewolke ins STL-Format und ermittelst zusätzlich die Flächennormalen alle Dreiecksflächen (Infos dazu siehe unten).

Wenn du fertig bist, speichere die fertige STL-Datei an geeigneter Stelle (Beachte das Datenmanagement!) in deinem Home-Verzeichnis.

Fertige ein Bildschirmfoto mit den richtigen Kontrolllinien in Blender an. Speichere es ebenfalls unter Beachtung des Datenmanagements.

Abgabe: Gib anschließend ...

• jeweils ein Bildschirmfoto der ersten und der letzten Seite Deiner STL-Datei,
• ein Bildschirmfoto deiner STL-Datei in Blender und
• ein Foto Deiner Punktewolke mit Dreiecken im Koordinatensstem

in der Lernlandkarte ab!

Schreibe dazu, welchen Kompetenzlevel Du gewählt hast! Informiere Deine Projektlehrkraft über die Abgabe!

Dieses Lernvideo zeigt dir, wie du vorgehen musst. Sollten die Kontrolllinien bei der Kontrolle nicht nach außen zeigen, dann hast du deine Eckpunkte von außen gesehen nicht gegen sondern im Uhrzeigersinn geschrieben. Korrigiere deine STL-Datei dann entsprechend.

Video zur Darstellung der Normalen mit Blender 2.8 (im obigen Video wird noch Blender 2.7 verwendet)!

Geschlossene/Offene Systeme

"Geschlossenes" System

Von der Digitalisierung zur Konstruktion (CAD) werden die in verschlüsselten Dateien weitergeleitet. Damit können die Daten aber nur in diesem jeweiligen System weiter verwendet werden.

• Vorteil: Der Hersteller hat so eine bessere Kontrolle über die Arbeitsschritte und kann Fehlerquellen minimieren.
• Nachteil: Der Anwender kann ausschließlich Geräte des Herstellers verwenden. Ein Datenaustausch mit anderen Systemen ist nicht möglich!

Zur Zeit werden viele geschlossene Systeme von den Herstellern geöffnet, weil Zahntechniker gemerkt haben, dass sie so viel mehr Möglichkeiten haben, die Vorteile verschiedener Systeme und Anbieter (z.B. Fertigungszentren) nutzen zu können. Sie kaufen daher bevorzugt offene Systeme.

"Abgestimmtes" System

Bei dieser Schnittstelle handelt es sich um ein offenes Dateiformat, das mit zusätzlichen Informationen wie Präparationsgrenze, Patientendaten und Einschubrichtung verschickt werden (STL-Datei plus Zusatzdateien). Diese Zusatzdateien sind nur auf bestimmte Systeme spezieller Hersteller abgestimmt und von ihnen verwendbar. Die dabei übermittelten STL-Daten sind allerdings offen verwendbar.

"Offenes" System

Der Laborscanner oder der Intraoralscanner leitet die Daten im offenen STL-Dateiformat an die CAD-Software weiter. Es werden reine STL-Daten ohne zusätzliche Information weitergeleitet. Der Benutzer kann die Daten mit beliebiger offener CAD-Software verarbeiten.

Zusätzlicher Kompetenzerwerb

Du hast noch Zeit und willst mehr wissen? Dann leg los:

Punkt- und Flächennormalen

Lasse dir in Blender sowohl die Flächen- als auch die Punktnormalen deiner STL-Datei darstellen. Erarbeite dir mit dessen Hilfe, wie Punkt- aus Flächennormalen erzeugt werden.

Das Lernvideo erklärt den Zusammenhang zwischen Flächen- und Punktnormalen:

Lernvideo zur Darstellung der Normalen mit Blender 2.8 (im obigen Video wird noch Blender 2.7 verwendet)!

Übertragung von Patientendaten

Von Intraoralscannern und Laborscannern werden in offenen und abgestimmten Systemen Daten über den Patienten, den Behandler, das Labor und die zu erstellende prothetische Arbeit zusammen mit den STL-Daten weitergegeben. Damit diese plattform- und systemunabhängig verarbeitet werden können, wird dazu das XML-Format verwendet.

Diese Datei zeigt eine XML-Datei, die mit dem Intraoralscanner Trios der Firma 3Shape übertragen wird. Sie hat die Dateinamenserweiterung .3ox. Es handelt sich aber um eine ganz gewöhnliche Textdatei.

XML ist eine sogenannte Auszeichnungssprache. Das bedeutet, jede Information wird mit einer Auszeichnung, so einer Art "Schildchen" genau beschrieben.

Der Vorname des Patienten wird z.B. mit <Patient_FirstName>Markus</Patient_FirstName> beschrieben. <Patient_FirstName> leitet die Beschreibung das Vornamens ein. Dann folgt der Name selbst. Danach wird die Beschreibung mit </Patient_FirstName> wieder beendet. Es können beliebige "Schildchen" oder "Auszeichner" (sogenannte Tags) gewählt werden.

Über diese Auszeichnungen können andere Programme den Inhalt der Auszeichnung importieren bzw. auslesen.