Präzises und stabiles Getriebe aus dem 3D-Drucker – kostengünstige Bauteile für die Astrofotografie

• Was wurde benötigt: ein Getriebe, das eine Vorrichtung mit Kamera und Objektiv in 24 Stunden um 360° dreht
• Herstellungsverfahren: Filamentextrusion (FDM)
• Anforderungen: kostengünstig, unterschiedliche, aber präzise Drehgeschwindigkeiten, hohe Stabilität der Vorrichtung
• Material: iglidur I150
• Branche: Astrofotografie
• Erfolg durch die Zusammenarbeit: hohe Präzision, Stabilität und Abriebfestigkeit, geringe Reibung durch Anlaufscheiben

Die Vorrichtung mit dem Getriebe und außen anliegendem Bedienfeld muss die Spiegelreflexkamera und das Teleskop stabil drehen können.

Die Anwendung auf einen Blick:
Bei der Astrofotografie werden unterschiedliche Himmelskörper mit Hilfe der Langzeitbelichtung abgebildet und auf ein geeignetes Medium gespeichert. Wer schon einmal an der eigenen Digital- oder Handykamera die Belichtungszeit verändert hat wird wissen, dass Fotos, die mit einer langen Belichtungszeit entstanden sind, durch minimale Veränderungen „verwischen“ können. Da sich die Erde um ihre eigene Achse dreht, ist auch diese Rotation für die langen Belichtungszeiten der Astrofotografie ein Problem. Herr van Hove der Firma vhw Digitalart hat eine Vorrichtung entwickelt, die die Erdrotation ausgleicht, um die Motive am Himmel in ihrer realen Form abbilden zu können. Die Anforderungen an das Getriebe aus Kunststoff waren eine Drehung von 360 Grad in exakt 24 Stunden, genug Tragkraft für die Kamera mitsamt dem Objektiv, sowie eine hohe Stabilität und Abriebfestigkeit der einzelnen Bauteile. Außerdem sollte es möglich sein, unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten einzustellen, je nachdem welches Objekt am Himmel verfolgt werden soll. Das Getriebe, sowie alle Halterungen für den Motor und die Elektronik wurden dabei im 3D-Druck mit dem tribofilament iglidur I150 gefertigt. Neben dem Kostenvorteil der 3D-gedruckten Bauteile spielte auch die hohe Abriebfestigkeit und Eignung für Rotations- und Schwenkanwendungen des igus Hochleistungskunststoffes eine große Rolle bei der Auswahl des Materials und des Fertigungsverfahrens.
 

Beispielhafte Veränderung des Fotos beim Ausgleich der Erdrotation.

Problem

Die Erdrotation muss ausgeglichen werden, um eine Langzeitbelichtung über mehrere Stunden möglich zu machen. Die Vorrichtung, die dafür sorgt, dass sich der abzubildende Himmelskörper aus Sicht der Kamera nicht bewegt, muss diese mitsamt dem Objektiv bzw. Teleskop stabil tragen und bewegen können. Das schließt eine präzise und gleichmäßige Drehung mit ein. Mit einer Steuerung und einem extern angebrachten Bedienfeld sollten außerdem unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten eingestellt werden können, da sich die Verfolgungszeiten unterschiedlicher Objekte unterscheiden.
 

Lösung

Herr van Hove hat in enger Zusammenarbeit mit igus die richtigen Materialien für sein Vorhaben gefunden. Die Tragkraft und Präzision wird durch das Drehlager RL-D-20 mit einer Untersetzung von 1:38 gewährleistet. Die hohe Stabilität und Abriebfestigkeit der 3D-gedruckten Zahnräder und Halterungen wird durch das tribologisch optimierte Filament iglidur I150 erreicht, da sich das Material besonders gut für Anwendungen mit niedrigen Gleitgeschwindigkeiten eignet. Das Getriebe hat dabei eine Untersetzung von 1:243. Die Reibung der 3D-gedruckten Zahnräder wird durch je zwei Anlaufscheiben zwischen den Bauteilen reduziert und ein verlustfreies Drehen wird sichergestellt. Herr van Hove bewertet die Zusammenarbeit als „wie gewohnt sehr gut“.
 

Wie funktioniert Astrofotografie?

Bei der Astrofotografie werden Himmelskörper, Nebel, und andere Objekte im Sternenhimmel im sichtbaren Licht abgebildet und auf verschiedenen Medien gespeichert. Dabei wird die Kamera in Richtung des geografischen Nordpols und parallel zur Erdachse ausgerichtet. Die Neigung der Kamera entspricht dabei dem Breitengrad. Die Belichtungszeit bei solchen Fotografien beträgt mehrere Stunden, weswegen die Kamera der täglichen Erdrotation angepasst werden muss. Andernfalls wären nur Striche zu sehen anstelle der tatsächlichen Form der Objekte. Mit einer entsprechenden Vorrichtung, einem sogenannten Tracker, kann die Erdrotation ausgeglichen werden, wenn die Drehzahl exakt einer Umdrehung pro Tag entspricht. Je nachdem welches Objekt verfolgt werden soll ergeben sich auch unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten. Bei Sternen dauert eine Umdrehung 23 Stunden, 56 Minuten und 4 Sekunden. Den Mond verfolgt die Vorrichtung mit einer Umdrehung von 24 Stunden, 52 Minuten und 28 Sekunden, während die Umdrehung bei der Verfolgung der Sonne genau 24 Stunden dauert.
 

Unten sichtbar: Die Zahnräder des Getriebes.

Hohe Präzision trotz hoher Traglast

Die Vorrichtung muss bei der 360°-Drehung in 24 Stunden das gesamte Gewicht der Kamera und des Objektivs bzw. Teleskops tragen können. Je nach Größe, Modell und Ausstattung können das bis zu 4 kg Gewicht sein. Die hohe Präzision der Drehung wird durch ein Drehlager mit einer Untersetzung von 1:38 erreicht. Mit einer mechanischen Lebensdauer von mindestens 1.000.000 Zyklen wird zudem eine hohe Lebensdauer gewährleistet. Das 3D-gedruckte Getriebe mit einer Untersetzung von 1:243 unterstützt die Stabilität und hat durch die eingesetzten Anlaufscheiben und den abriebfesten Kunststoff iglidur I150 ebenfalls eine hohe Lebensdauer.
 

Die Zahnräder sowie die Halterungen für den Motor und die Elektronik sind aus dem tribofilament iglidur I150 gefertigt.

iglidur I150 – ein tribofilament mit vielen Stärken

Das tribologisch optimierte Filament iglidur I150 ist einfach zu verarbeiten und für alle 3D-Drucker im FDM-Verfahren geeignet. Neben der hohen Abriebfestigkeit bei niedrigen Gleitgeschwindigkeiten und den guten mechanischen Kennwerten des Hochleistungspolymers ist iglidur I150 auch gemäß der EU-Verordnung 10/2011 für den Kontakt mit Lebensmitteln geeignet. Das Material ist durch die integrierten Festschmierstoffe wartungsfrei und die meisten Anwendungen profitieren von der Festigkeit, Zähigkeit und Schichthaftung des Kunststoffes.
 

Im Detail: Zahnräder aus iglidur I150 und die Anlaufscheiben dazwischen.