STL in 3MF umwandeln

An einer Schule mit 3D-Drucker im MINT-Unterricht oder in einem FabLab an der Volkshochschule liegen meist Dutzende STL-Dateien aus unterschiedlichen Quellen herum — heruntergeladen, aus Tinkercad exportiert, von einer Schülergruppe konstruiert. Jede Datei trägt für sich keine Einheit und keine Angabe, wie groß das Bauteil eigentlich werden soll, und genau das führt bei einem Wechsel des Slicers oder des Geräts regelmäßig zu Verwirrung.

3MF wurde 2015 unter anderem genau für diese Situation entworfen: ein Paket, das seine Maßeinheit selbst mitbringt, statt sich auf eine stillschweigende Vereinbarung zu verlassen. Für eine Lerngruppe, die Modelle zwischen mehreren Rechnern und mehreren Druckern hin- und herreicht, ist das kein Komfortdetail, sondern der Unterschied zwischen einem Bauteil, das beim zweiten Drucker in der richtigen Größe ankommt, und einem, das nicht passt.

3D Systems veröffentlichte STL 1987 für eine Maschine, die nur Dreiecke kannte, und das Format ist bis heute genauso bescheiden: keine Einheit, keine Farbe, kein Name, kein Teilebegriff, keine gemeinsam genutzten Eckpunkte. Alles, was ein Klassenzimmer über ein Modell wissen müsste, lebt außerhalb der Datei — im Kopf der Lehrkraft oder in einer separaten Notiz.

3MF trägt diese Angaben in der Datei selbst: die Einheit ist deklariert, das Objekt ist eindeutig benannt, und das Ganze ist ein richtiges Paket mit Manifest statt eines rohen Bytestroms. Was dabei nicht entsteht, sind Farbe oder mehrere Teile, wenn das STL sie nie hatte — kein Umwandler kann eine Information erfinden, die nie in der Ausgangsdatei stand.

Ein STL speichert jedes Dreieck mit drei eigenen Eckpunkten, ganz ohne Verweis auf gemeinsame Ecken — ein einfacher Würfel besteht so aus sechsunddreißig Eckpunktangaben statt der acht, die er tatsächlich hat. Für eine Reparatur im Slicer, etwa vor dem Ausdruck eines von Schülern konstruierten Halters, ist das ein echtes Problem: Eine Netzprüfung findet an jeder dieser künstlichen Nähte eine offene Kante, obwohl das Bauteil geometrisch längst geschlossen ist.

Beim Umwandeln werden deckungsgleiche Eckpunkte auf sechs Nachkommastellen gerundet und zusammengelegt, weit unterhalb jeder druckbaren Toleranz und weit oberhalb der üblichen Rundungsabweichungen zwischen benachbarten Dreiecken. Danach meldet eine Netzprüfung im Slicer ein tatsächlich zusammenhängendes Bauteil, was die Fehlersuche bei einem Modell aus dem Unterricht erheblich abkürzt.

Die 3MF-Datei wird mit der Einheit Millimeter geschrieben, und die Koordinaten werden unverändert übernommen. Streng genommen setzt der Umwandler damit eine Einheit, die das STL nie erklärt hat — praktisch ist das der harmloseste aller denkbaren Fälle, weil die Fertigungs- und Druckwelt STL-Zahlen seit jeher als Millimeter liest und jeder Slicer sie so importiert.

Der Gewinn liegt darin, dass diese Annahme aufhört, eine Annahme zu sein: Eine 3MF-Datei mit deklariertem Millimeter kommt in PrusaSlicer, Cura, Bambu Studio oder dem Windows-3D-Builder gleich groß an, ohne dass eines der Programme eine eigene Hausregel anwendet. Nur eine aus einem CAD-Programm in Zoll exportierte STL, die ohnehin schon in falscher Größe ankam, bleibt in falscher Größe — jetzt mit einer Einheitsangabe, die diese falsche Größe nur bestätigt.

Manche STL-Dateien tragen am Ende jedes Dreieck-Datensatzes zwei ungenutzte Bytes, in die zwei unterschiedliche, sich widersprechende Konventionen eine Farbe hineinkodieren. Diese Bytes werden hier nicht ausgelesen, weil kein Umwandler zuverlässig raten kann, welche der beiden Konventionen ein bestimmtes Programm verwendet hat.

Für ein farbig konstruiertes Bauteil aus dem Unterricht heißt das: Die Farbe geht verloren, und das ist keine Nachlässigkeit, sondern die einzig verlässliche Entscheidung. Wer Farbe pro Bauteil tatsächlich mitführen möchte, sollte künftig direkt aus dem Konstruktionsprogramm als 3MF exportieren, das für so etwas einen richtigen Platz vorsieht — STL hat ihn nie gehabt.

Eine STL kennt den Begriff Teil nicht, deshalb enthält die 3MF-Datei genau ein Objekt, selbst wenn die Ausgangsdatei mehrere getrennte Körper enthält — etwa Gehäuse und Deckel eines Schülerprojekts, die zusammen exportiert wurden. Es gibt in der Datei nichts, das eine Trennung nahelegen würde, und sie zu erfinden wäre eine Modellierentscheidung, keine Umwandlung.

Jeder gängige Slicer kann getrennte Körper nach dem Import per Funktion wie In Teile trennen wieder auseinanderziehen, weil er die Zusammenhangskomponenten selbst erkennt. Das ist derselbe Vorgang, nur mit Vorschau, und für ein Klassenprojekt meist der schnellere Weg als eine neue Exportdatei von der Ursprungssoftware anzufordern.

STL kommt in zwei Varianten, und Schülerinnen und Schüler exportieren meist ohne zu wissen, welche ihr Programm gerade wählt. Der naheliegende Test — beginnt die Datei mit dem Wort solid? — ist unzuverlässig, weil eine binäre STL in ihrem achtzig Byte langen Kopf beliebigen Text stehen haben darf, und einige Exportwerkzeuge schreiben ausgerechnet dieses Wort hinein.

Verlässlich ist stattdessen eine einfache Rechnung: Eine binäre STL ist exakt 84 plus 50 mal die Anzahl der Dreiecke groß. Stimmt diese Zahl, wird binär gelesen; andernfalls wird die Datei als Text interpretiert. Beide Wege führen zum selben verschweißten Ergebnis, unabhängig davon, welches Programm die Datei ursprünglich geschrieben hat.

Eine binäre STL ist für eine gegebene Dreieckszahl immer exakt gleich groß, unabhängig von der Form, weil jedes Dreieck fünfzig Bytes belegt. Das ist zugleich der Grund, warum STL-Dateien so viel größer sind, als die eigentliche Geometrie es rechtfertigt — der überwiegende Teil sind wiederholte Koordinaten, die sich nach dem Verschweißen erübrigen.

Die 3MF speichert jeden verschweißten Eckpunkt genau einmal als XML-Element und jedes Dreieck als drei Verweise darauf, bevor das Ganze im ZIP-Paket komprimiert wird. Für einen Fundus von Unterrichtsmodellen, der über Jahre auf einem gemeinsamen Netzlaufwerk wächst, ist das ein spürbarer Unterschied im belegten Speicherplatz.

Drei Einträge in einem ZIP-Paket: eine Datei, die die Inhaltstypen festlegt, eine mit der einen Beziehung zwischen ihnen, und die eigentliche Geometrie im 3MF-Kernnamensraum. Das ist dieselbe Paketstruktur, die auch hinter einer DOCX- oder XLSX-Datei steckt — ein bewährtes, offenes Format und kein Eigenbau.

Es handelt sich um eine Modell-, nicht um eine Projektdatei: keine Druckeinstellungen, keine Materialzuordnung, keine Plattenanordnung, kein Vorschaubild. All das sind slicereigene Ergänzungen, die der jeweilige Slicer beim eigenen Speichern selbst hinzufügt, sobald das eingestellte Profil angewendet wurde.

Löcher bleiben Löcher, umgedrehte Dreiecke bleiben umgedreht, sich überschneidende Flächen und innenliegende Wände bleiben ebenfalls unverändert erhalten. Geprüft wird ausschließlich, welche Eckpunkte an derselben Stelle liegen — alles andere an der Topologie bleibt exakt so, wie es aus dem Konstruktionsprogramm kam.

Was sich durch das Verschweißen tatsächlich ändert, ist die Fehlerklasse, die durch nicht geteilte Eckpunkte entsteht — und die betrifft jede einzelne STL-Datei ohne Ausnahme. Danach arbeiten Reparaturwerkzeuge im Slicer mit dem Bauteil, das gemeint war, statt mit tausenden loser Einzeldreiecke, was eine Fehlersuche im Unterricht spürbar verkürzt.