LS1.8 - Schnittstelle zwischen Digitalisierung und Konstruktion
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).
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! [1]
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.[2]
ply format ascii 1.0 comment Created in Blender version 5.0.1 element vertex 148366 property float x property float y property float z property uchar red property uchar green property uchar blue property uchar alpha element face 293193 property list uchar uint vertex_indices end_header -0.5689537 -1.7639091 31.711554 143 125 113 255 -0.30811116 -1.7384509 31.69086 145 129 117 255 -0.481376 -1.6432861 31.675734 144 131 118 255 ... 3 39864 39559 39243 3 39559 39560 38935 3 39865 39244 39560
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).[3]
# Name der Software mtllib scan_obj.mtl o objektname v -0.568954 31.711554 1.763909 0.5647 0.4941 0.4432 v -0.308111 31.690861 1.738451 0.5725 0.5098 0.4589 v -0.481376 31.675734 1.643286 0.5686 0.5176 0.4628 v -0.352685 31.673710 1.836922 0.5843 0.5059 0.4589 ... vn -0.7442 0.6670 0.0352 vn -0.7347 0.6780 0.0230 vn -0.7286 0.6842 -0.0298 vn -0.6937 0.7193 -0.0368 vn -0.6923 0.7216 -0.0062 vn -0.5569 0.8275 -0.0719
# Materials for the file "object.obj" #newmtl m1 illum 1 d 1 Ns 6 sharpness 60 Ni 1 map_Kd ObjectImage1.png ... # end of file
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.