Datenformate

Ausschnitt aus dem Buch „CAD/CAM in der digitalen Zahnheilkunde“ von Josef Schweiger und Annett Kieschnick

Annett Kieschnick, Josef Schweiger MSc.

Um den Datenaustausch zwischen einzelnen Systemen, aber auch zwischen Konstruktionsprogramm und Fertigungseinheit zu gewährleisten, müssen die Datenformate der einzelnen Systeme aufeinander abgestimmt sein. Die meisten Systeme setzten allerdings auf ein eigenes Datenformat, was den Datenaustausch zwischen zwei Systemen erschwert.

Wesentliche systemneutrale CAD-Datenformate sind beispielsweise IGES, SAT, IFC und STEP sowie für spezielle Anwendungen die STL-Schnittstelle. Allerdings gibt es bislang keinen internationalen Standard, der die einheitliche Weitergabe von CAD-Daten regelt. Die meisten im Dentalbe-reich verwendeten CAD-Systeme verwenden als Schnittstelle das sogenannte STL-Format. Weitere Dateiformate, die Polygonetze beschreiben, sind beispielsweise OFF-Dateien, PLY-Dateien oder OBJ-Dateien.

STL-Datenformat
Das STL-Format (Standard Tesselation Language) bildet die Schnittstelle vieler CAD-Systeme und ist somit eine Standard-Schnittstelle. Das STL-Format beinhaltet die Beschreibung der Oberfläche von 3D-Körpern mithilfe von Dreiecksfacetten (Abb. 1).
Jede Dreiecksfläche wird durch drei Eckpunkte und die dazugehörige Flächennormale beschrieben. Somit grenzen mindestens drei Dreiecke – häufig mehr – in einem Punkt aneinander. Die Beschreibung der Oberfläche durch Dreiecke als STL-Datei kann sowohl im sogenannten ASCII-Code als auch binär gespeichert werden.

STL-ASCII-Format
Beim ASCII-Code kommt jeder Punkt eines Dreieckes in mindestens drei Dreiecken vor, sodass daraus erhebliche Datenmengen resultieren (Abb. 2 und 3).

STL-Binary-Format
Der sogenannte Binary-Code ist kompakter und unabhängig von tatsächlichen Zahlenwerten, sodass sich die Datenmenge erheblich reduziert (Abb. 4).

Sekantenfehler (= Sehnenfehler)
Gekrümmte Oberflächen können durch Dreiecke nur annähernd beschrieben werden. Hierbei kommt der sogenannte Sekantenfehler ins Spiel (Abb. 5). Das bedeutet, je größer ein Dreieck ist, desto größer ist dessen Abweichung von der eigentlichen Oberfläche und andersherum. Allerdings steigt bei größerer Anzahl der Dreiecke auch die Gesamtgröße des Datensatzes.
Neben der nur annähernd möglichen Umsetzung von gekrümmten Objekten kann es durch den gewählten Approximationsgrad (gewählte minimale Größe beziehungsweise maximale Dichte der verwendeten Dreieckesfacetten) zu einer Verzerrung (zum Beispiel gebrochene Kanten et cetera) des Modells kommen. Um eine ausreichende Genauigkeit bei gleichzeitig gut verarbeitbarer Dateigröße zu erreichen, sind intelligente Algorithmen notwendig (Abb. 6). Dabei wird die Größe der Dreiecke an die jeweiligen Anforderungen angepasst, um somit ein optimales Verhältnis zwischen ausreichender Genauigkeit der Oberflächenbeschreibung und der Anzahl der Dreiecke (Größe der Datensätze) zu erreichen.

NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines/Nicht-Uniforme ­Rationale B-Splines)
NURBS bezeichnen mathematisch definierte Kurven oder Flächen, die prinzipiell zur Modellierung beliebiger Formen verwendet werden können. Die Darstellung erfolgt über stückweise funktional definierte Geometrieelemente. Ein Vorteil dieser NURBS-Flächen ist ihre vorhersagbare und intuitive Bearbeitung. Die sogenannten Kontrollpunkte sind entweder direkt mit der Fläche verbunden oder wirken, als ob sie mit einem Faden mit der Oberfläche verbunden sind. Somit kann durch die Bewegung der Kontrollpunkte selbst oder durch übergeordnete Werkzeuge das entsprechende Geometrieelement verändert werden (Abb. 7). NURBS-Flächen können in einer STEP- oder IGES-Datei gespeichert oder zur Weitergabe in ein Datenaustauschformat umgewandelt werden. Ein direkter Datenaustausch auf Basis von NURBS mit anderen Systemen ist nicht möglich. Entsprechende Flächen müssen somit in Polygone konvertiert werden.