3D-Druck für die Astronomie

Einleitung

Wer sich als Amateurastronom seine Geräte selber baut, benötigte früher eine gut ausgestattete mechanische Werkstatt: Ständerbohrmaschine, Fräse, Drehbank gehörten zur Grundausstattung. Ein umfangreiches Materiallager mit verschiedenen Aluprofilen war notwendig, um kurzfristig benötigte Komponenten zu fertigen. Der 3D-Druck bietet heute die Möglichkeiten, mit weniger Material- und Zeitaufwand die benötigten Komponenten herzustellen.

Die Problematik

Benötigten wir früher ein Bauteil, erstellten wir eine Zeichnung, bestellten fehlendes Material, drehten, bohrten, frästen und modifizierten, bis das Teil den Ansprüchen genügte. Abb. 1 zeigt links einen Objektivhalter und rechts einen Halter für einen Cross-Disperser in konventioneller Bauweise für einen Spektrografen.

Abb. 1: Halterungen für optische Komponenten eines Echelle-Spektrografen in konventioneller Bauweise, aus Aluminium gefräst

Speziell Adapter mit verschiedenen Gewindenormen stellten hohe Ansprüche an die mechanischen Fertigkeiten. Wer die notwendigen Investitionen in den Maschinenpark scheute, musste sich die Teile für relativ viel Geld anfertigen lassen.

Die Lösung: 3D-Druck

Im Bereich des Prototypenbaus (Rapid Prototyping [1]) ist in der Industrie heute der 3D-Druck eine anerkannte Alternative [2]. Es gibt keinen Grund mehr, diese Technik nicht auch im privaten Bereich einzusetzen. Die Drucker und das Material sind erschwinglich (Bausätze ab 150 Euro, eine Rolle Material ab 20 Euro). 3D-Programme für die Modellierung sind kostenlos erhältlich (z.B. Fusion 360 von Autodesk [3]). Abb. 2 zeigt einen Prusa i3 MK2-Drucker, der als Bausatz angeboten wird. Man benötigt ca. 15 h für den Aufbau und die erste Inbetriebnahme. Ähnliche Geräte sind auch fertig aufgebaut erhältlich. Foren, die bei Problemen helfen, gibt es in großer Anzahl im Netz [4,5].

Abb. 2: 3D-Drucker Prusa i3 Mk2 beim Druck eines Halters für einen Cross-Disperser

Natürlich ändert sich gegenüber dem althergebrachten Bau eines Teils in der mechanischen Werkstatt der Workflow.

Der Workflow

Wir beginnen mit einer 3D-Konstruktion des benötigten Bauteils in einem Programm wie Inventor oder Fusion 360° von Autodesk. Wir bekommen eine Voransicht des Bauteils, können alle Maße kontrollieren und sogar mithilfe der FEM-Analyse eine Steifigkeitsberechnung machen. Abb. 3 zeigt die Ansicht eines Halters für ein Echellegitter in Inventor.

Abb. 3: Halter für ein Echelle-Gitter eines Spektrografen in Inventor

Exportiert wird eine .stl-Datei, die von nachfolgenden 3D-Druckprogrammen interpretiert werden kann. Man kann auch direkt einen Drucker aus dem 3D-Konstruktionsprogramm ansteuern. Abb. 4 zeigt das Druckermenü in Inventor.

Abb. 4: Voransicht des Modelles, das für den Druck verwendet wird. Die Genauigkeit des Drucks lässt sich über die Dichte der Gitterlinien beeinflussen

Für ein befriedigendes Druckergebnis müssen relativ viele Parameter im Drucker eingestellt werden. Default-Werte ergeben für einfache Teile wie z.B. Würfel schon ein gutes Ergebnis. Bei komplizierten Teilen, wie Gewinden und filigranen Teilen müssen die Parameter wie Düsentemperatur, Druckgeschwindigkeit und Schichtdicke optimiert werden. Auch hier können die Foren Ratschläge geben.

Separate Druckprogramme, wie Cura [6] oder Repetierhost [7] haben jedoch mehr Möglichkeiten, über die Parameter das Ergebnis zu beeinflussen. In Abb. 5 sehen wir das Programm Repetierhost.

Abb. 5.: Ansicht des Modells im Programm Repetierhost. Hier lassen such alle Parameter für den Druck einstellen

Das Druckprogramm erzeugt eine .gcode-Datei für die einzelnen Schritte im Druckprozess. Diese Datei ist einer Steuerungsdatei für eine CNC-Fräse ähnlich. Die Druckdaten können über eine USB-Schnittstelle oder eine SD-Speicherkarte an den Drucker übertragen werden.

Ergebnisse

Wir hatten zunächst Bedenken bezüglich der Genauigkeit der gedruckten Teile mit Feingewinden. Abb. 5 zeigt einen Adapter mit einem M68 x 1 Gewinde an einem stabilen Okularauszug. Das freie Ende wird in einen geplanten Echelle-Spektrografen eingeklebt.

Abb. 6: Geduckter M68-Gewindeadapter an einem stabilen Okularauszug

Die Maße des Gewindes im ersten Prototyp betrugen 66,95 mm im Kerndurchmesser (zulässige Toleranz ist 66,57 mm …66,75 mm) und 67,63 mm im Außendurchmesser (zulässige Toleranz ist 67,79 mm … 67,97 mm)
[8]. Die Abweichungen von der zulässigen Toleranz von ca. 1/10 bis 2/10 mm hatten keinen negativen Einfluss auf die Passung. Das Teil passte problemlos auf einen kommerziellen M68-Adapter und den Okularauszug. In jedem Fall haben wir bei dem Programm Inventor (und anderen) die Möglichkeit, eigene Gewindemaße zu definieren [9]. So können wir Abweichungen von der Norm durch die Drucktechnologie beseitigen.

Die Druckzeit betrug ca. 3,5 h, die Materialkosten ca. 50 Eurocent.

Die Abb. 7 zeigt weitere Teile für einen Echelle-Spektrografen, links einen Halter für einen Cross-Disperser, rechts einen M86-Gewindeadapter an einer kommerziell erhältlichen M68-Verlängerung.

Abb. 7: Druckteile (links ein Halter für einen Cross-Disperser eines SpEchelle-Spektrografen, rechts der M68-Gewindeadapter en einer kommerziell erhältlichen M68-Verlängerung)

Zusammenfassung

3D-Drucker sind eine hervorragende Alternative für die Herstellung von Komponenten für die Astronomie geworden. Wer bereit ist, sich mit der 3D-Software und der Druckertechnologie auseinanderzusetzen, braucht für viele Komponenten, die kleiner als ca. 20 x 20 x 20 cm sind, keine mechanische Werkstatt mehr. Es können Gewindeadapter mit Feingewinde (M68, M69, M48, T2), Bajonett-Verbinder, Halterungen für optische Bauteile und  Off-Axis-Guider gedruckt werden. Die von uns verwendeten Standardmaterialien sind PLA und ABS.

Quellen

[1] https://de.wikipedia.org/wiki/Rapid_Prototyping

[2]: Gebhardt, A.: Generative Fertigungsverfahren, Hanser Verlag, 2007

[3]: http://www.autodesk.de/

[4]: http://3d-drucker-community.de

[5]: http://www.3d-druck-community.de/forum-66.html

[6]: https://ultimaker.com/en/products/cura-software

[7]: https://www.repetier.com/downloads

[8]: http://www.iso-gewinde.at

[9]: https://knowledge.autodesk.com/support/inventor-products/learn-explore/caas/CloudHelp/cloudhelp/2015/ENU/Inventor-Help/files/GUID-5A1C03DE-8294-4554-B3EB-50C393659D01-htm.html