Additive Fertigung

Datenschnittstellen zum Rapid Manufacturing – Teil 2

Dipl.-Ing. Stéphane Danjou Prof. Dr.-Ing. Peter Köhler Lehrstuhl für Rechnereinsatz in der Konstruktion Universität Duisburg-Essen

Die in CAD-Systemen umgesetzten Algorithmen zur Konvertierung in das STL-Format liefern keine konstant hohe Qualität; hierbei kommt es häufig zu Umsetzungsfehlern und syntaktischen Darstellungsfehlern.
Der Einsatz generativer Fertigungsverfahren beschränkt sich nicht mehr nur auf die Herstellung physischer Konzeptmodelle und die schnelle Fertigung von Prototypen (Rapid Prototyping – RP). Sie ermöglicht in speziellen Einsatzfällen auch die serienmäßige Herstellung von Bauteilen, die die Eigenschaften von Endprodukten aufweisen (Rapid Manufacturing – RM). Hierunter ist auch die Herstellung von Werkzeugen und Werkzeugeinsätzen für andere Fertigungsverfahren einzuordnen (Rapid Tooling – RT). Der erste Teil des Artikels in der Mai-Ausgabe beschäftigte sich mit den Grundlagen hierzu und der Schnittstellenproblematik. Der zweite Teil gibt einen Überblick zu den am Markt verfügbaren 3D-Schnittstellenformaten.

Aufgrund der Unzulänglichkeiten des STL-Formats haben sich in den letzten Jahren zahlreiche Schnittstellenformate weiterentwickelt, die je nach Anwendungsfall eine bessere Alternative darstellen können. Bisher konnte sich keines der nachfolgend näher erläuterten Formate als universelles Schnittstellenformat für RP-Anwendungen durchsetzen.

Eine bereits früh erkannte Alternative zum STL ist das VRML-Format (Virtual Reality Modeling Language). Dieses Format speichert Farb- und Texturinformationen, kann komplexe Geometrien darstellen und weist keine redundante Speicherung der Daten auf. Doch auch dieses Format wurde ursprünglich für weborientierte virtuelle 3D-Welten entwickelt, so dass es aufgrund der Komplexität ihrer Struktur für RP-Applikationen, insbesondere für die Schichtzerlegung, nicht optimiert ist und lediglich Flächen, jedoch nicht Körper (Solids) darstellen kann. Dies führt dazu, dass das VRML-Format sehr gut für die Erzeugung farbiger Prototypen geeignet ist /7/, jedoch für zukünftige Anforderungen hinsichtlich der Solid-Repräsentation nicht ausreichend ist.

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Ein an der Stanford Universität entwickeltes Austauschformat ist das PLY-Format (Polygon File Format), auch bekannt als Stanford Triangle Format. Dieses Format, hauptsächlich für den Austausch graphischer 3D-Objekte aus Scandaten entwickelt, beschreibt ein Objekt als Sammlung von Punkten, Flächen sowie weiterer Elemente mit gespeicherten Eigenschaften wie Farbinformationen, Flächennormale, Transparenz oder Texturkoordinaten. Vom Aufbau her gleicht die Struktur der einer VRML-Datei. Eine Liste (vertex list) beinhaltet Koordinaten-Tripel der Dreieckspunkte (vertices), eine zweite Liste (facet list) beschreibt die Facetten durch Verweise auf die Vertex-Indizes der Vertex-Liste. Somit werden wie bei VRML die Daten redundanzfrei abgespeichert und halten die Dateigröße niedrig. Das PLY-Format gestattet darüber hinaus die Definition weiterer Elemente (z. B. Kanten, Zellen, Materialien). Aufgrund des komplexen Post-Processings wird dieses Format jedoch bisher nur beim 3D-Printing verwendet. Bei dem von Cubital Ltd. entwickeltem CFL-Format (Cubital Facet List) bestehen die einzelnen Facetten der Modellbeschreibung aus n-seitigen Polygonen und nicht zwangsläufig nur aus Dreiecken. Die Speicherung der Facettendaten erfolgt redundanzfrei, da, ähnlich wie bei VRML und PLY, Facetten und Vertices getrennt gelistet werden. Die Beschreibung der Polygoneckpunkte erfolgt auch hier über Verweise auf indizierte Elemente der Vertex-Liste. Dies führt zu deutlich kleineren Dateigrößen als. Die Dateistruktur gestattet die Speicherung zusätzlicher benutzerdefinierter Informationen. Das Format erfüllt weitestgehend die gleichen Anforderungen wie STL. Das von Wang et al vorgestellte ETL-Format /8/ legt den Fokus auf die Darstellungsgenauigkeit, eine einfache Schichtzerlegung sowie die Möglichkeit, Farb- und Texturinformationen zu speichern. Das ETL-Format besteht aus zwei Teilen: eine Datei zur Beschreibung der Modellgeometrie (GDF – Geometry Description File) sowie eine Datei zur Beschreibung von Oberflächendetails wie Farbe und Textur (TMDF – Texture Mapping Description File). Dies führt jedoch zu einem ungeeigneten Handling beim Datentransfer. Des Weiteren konnte auch hier die Dateigröße nicht signifikant verringert werden. Ähnliche Überlegungen zur Reduzierung des Speicherbedarfs führten im Rahmen der OpenRP-Initiative zum RP-Format (OpenRP File Format). Neben der enormen Komprimierung von bis zu 95 Prozent und einer Möglichkeit zur Verschlüsselung bietet aber auch dieses Format keine nennenswerten Vorteile gegenüber dem STL-Format. Weitere Formate, die zwar zu einer deutlichen Ersparnis des Speicherplatzbedarfs führen aber die gleichen Probleme wie das STL-Format aufweisen, sind beispielsweise das von Brock Rooney & Associates entwickelte STH-Format (Surface Triangles Hinted Format) oder auch das von McMains vorgestellte SIF-Format (Solid Interchange Format). IGES (Initial Graphics Exchange Specification) stellt seit 1981 einen internationalen Standard für den Austausch von Graphikinformationen zwischen CAD-Systemen dar. IGES deckt sowohl CSG- als auch B-Rep-Repräsentationen ab und wird von zahlreichen RP-Systemen akzeptiert. Dieses Format erfreut sich eines hohen Bekanntheitsgrads und enthält alle Elemente für eine exakte Repräsentation des CAD-Modells. Ein gravierender Nachteil ist jedoch eine redundante Informationsspeicherung und eine fehlende Unterstützung facettierter Darstellungen. Zudem ist IGES durch die sequentielle Verarbeitung bei großen Dateien sehr langsam.

STEP (Standard for the Exchange of Product Data) ist ein internationaler Standard (ISO 10303) für den Austausch von Produktlebenszyklusdaten, das heißt neben der Beschreibung physikalischer Daten berücksichtigt dieses Format funktionale Aspekte aus allen Bereichen der Produktentwicklung /9/. STEP ist ein weltweit etabliertes und bewährtes neutrales Datenaustauschformat, welches einer stetigen Weiterentwicklung unterliegt. So werden für die verschiedensten Anwendungsbereiche Applikationsprotokolle bereitgestellt. Derzeit existiert kein Anwendungsprotokoll für die schichtweise Fertigung, wobei jedoch diese Bestrebungen vor einigen Jahren initiiert wurden und noch bis heute andauern.

Bereits jetzt erfüllt STEP eine Vielzahl an Anforderungen eines RP-gerechten Datenaustauschs durch die Bereitstellung entsprechender Bausteine (IR – Integrated Resources, AIC – Application Interpreted Constructs) /9,10,11,12/. Das Format bietet prinzipiell die Möglichkeit ebenfalls Schichtdaten speichern zu können. So können bereits bewährte Teile der STEP-Ressourcen, wie etwa IR42 für die Definition von Konturen und Füllmuster, IR45 für Materialinformationen oder auch IR49 für die Übertragung von Prozessinformationen, für einen RP-gerechten Datenaustausch verwendet werden. Ein Nachteil des STEP-Formats ist die redundante Speicherung von Informationen sowie die Bereitstellung unzähliger Informationen, welche für den RP-Prozess von geringer oder nicht von Bedeutung sind. Dies erfordert spezielle Interpreter für den Austausch von Daten zwischen CAD- und RP-Systemen.

In den letzten 15 Jahren wurden zahlreiche Weiterentwicklungen am STL-Format durchgeführt sowie Konzepte eines alternativen Schnittstellenformats entwickelt. Diese führten zu mehr oder weniger beträchtlichen Verbesserungen gegenüber dem STL-Format, konnten sich aber bis dato nicht etablieren. Des Weiteren haben die rasanten Entwicklungen der Rapid Technologie dazu geführt, dass mit zusätzlichen Modellinformationen eine Optimierung der einzelnen Prozesse möglich wäre. Gerade eine Automatisierung der Prozessplanung für das Rapid Manufacturing benötigt jedoch mehr geometrische sowie topologische Informationen /1,13/. Das rein geometrische STL-Format kann dies nicht mehr bieten, wohingegen einige neue Ansätze die Übertragung topologischer Informationen, Prozess-, Farb- oder Materialinformationen berücksichtigen.

Potential zur Etablierung als STL-Alternative besitzt das LMI-Format, da hiermit sowohl facettierte als auch präzise Modelle dargestellt werden können. Erfolg versprechender ist jedoch die Entwicklung eines STEP-Anwendungsprotokolls für Anwendungen des Rapid Prototyping, insbesondere das Rapid Manufacturing. STEP bietet die günstigsten Voraussetzungen für einen verlustfreien Datenaustausch mit umfangreichen Produkt- und Prozessinformationen sowie der Möglichkeit einer Beschreibung sowohl facettierter Darstellungen als auch einer exakten Geometriebeschreibung /10,11,12/. Dies führt dazu, dass ein als STEP gespeichertes Modell bereits im CAD-System optimal orientiert und in Schichten zerlegt werden kann /14/. Sofern dies nicht erwünscht ist, kann das Modell in einem neutralen Format zu RP-Systemen übertragen werden. Des Weiteren könnte STEP Schichtdaten speichern, die zwischen CAD- und RP-System oder von RP- zu RP-System transferiert werden können.

Ein wichtiger Schritt zur Weichenstellung für einen Formatwechsel ist daher die Erstellung RP-relevanter Anforderungen, Empfehlungen und Richtlinien zum Geometrie- und Informationsmodell, die in die entsprechenden Normungsaktivitäten einfließen müssen. Denn gerade die rasante Entwicklung der werkzeuglosen Fertigung mit seriennahen Eigenschaften und die noch zu erwartenden Verbesserungen auf diesem Gebiet werden das derzeitig favorisierte Austauschformat zum Flaschenhals der Prozesskette degenerieren lassen. -sg-

Universität Duisburg-Essen, Duisburg Tel. 0203/379-3935, E-Mail: stephane.danjou@uni-due.de, http://www.uni-due.de/cae


Literatur:
/7/ Ming, L. W.; Gibson, I.: Specification of VRML in Color Rapid Prototyping, International Journal of CAD/CAM, 1 (1), 2002, S. 1-9.

/8/ Wang, D.-X.; Leng, H.-W.: Slicing of CAD Models in ETL Format, Rapid Prototyping Journal, 13 (1), 2007, S. 53-57.

/9/ International Organization for Standardization: Industrial Automation Systems and Integration – Product Data Representation and Exchange – Part 1: Overview and fundamental principles, ISO 10303-1, 1994.

/10/ Kumar, C. et al.: Towards STEP-Based Data Transfer in Layered Manufacturing, International IFIP, The Globalization of Manufacturing in the Digital Communications Era of the Tenth proceeding, 1998.

/11/ Kobayashi, K. G.; Fujii, M.; Prinz, F. B.: Conceptual Data Model for Advanced Rapid Prototyping, Initiatives of Precision Engineering at the Beginning of a Millennium, Springer US, 2002, S. 122-126.

/12/ Patil, L. et al.: A Proposed ISO 10303 (STEP)-based Approach for Representing Heterogeneous Objects for Layered Manufacturing, Rapid Prototyping Journal, 8 (3), 2002, S. 134-146.

/13/ Pratt, M.; Marsan, A. L.; Kumar, V.; Dutta, D.: An Assessment of Data Requirements and Data Transfer Formats for Layered Manufacturing, NISTIR 6216, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, 1998.

/14/ Zhou, M. Y.; Xi, J. T.; Yan, J. Q.: STEP-Based Direct Slicing Algorithm for Rapid Prototyping, Shanghai Jiaotong Daxue Xuebao, 37 (5), 2003, S. 737-740.

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