Selbstbau-Projekt: Rotierbarer Polarisator als 6×20 mm Mikroskop-Schieber

[Wes]

Hallo zusammen!

Ich tüftle gerade an einem kleinen Selbstbauprojekt und würde mich riesig über euren Input freuen. Konkret möchte ich einen rotierbaren Polarisator als 6×20 mm Schieber (DIN-artiger Mikroskop-Slot) bauen — also einen Einsatz, bei dem ein linearer Polarisator in einer Halterung sitzt und sich über ein kleines Rädchen oder Zahnrad am herausragenden Ende von Hand drehen lässt, während der Schieber im Strahlengang steckt. Idealerweise mit Winkelskala und vielleicht sogar Rastpositionen.

Der Hintergrund: Ich arbeite an einem Zeiss Axiovert 100, und der 6×20er Slot sitzt bei mir so günstig, dass der Polarisator zwischen Fluoreszenzanregungsstrahl und Probe zu liegen kommt. Damit möchte ich untersuchen, wie sich die Emission fluoreszierender Kristalle in Abhängigkeit vom Polarisationswinkel der Anregung verändert. Der physikalische Kern ist die Kopplung zwischen dem Übergangsdipolmoment des Fluorophors und dem elektrischen Feldvektor der einfallenden Welle — die Absorptionswahrscheinlichkeit skaliert mit cos²θ zwischen den beiden, und bei kristallin geordneten Emittern sollte sich das in einer klaren Winkelabhängigkeit der Emissionsintensität zeigen. Genau das möchte ich sichtbar (und idealerweise messbar) machen.

Jetzt zum Knackpunkt: Ich habe null formale Erfahrung im Design oder Druck von 3D-Teilen — bin aber absolut lernwillig und finde es eine super Gelegenheit, da reinzukommen. Deshalb meine offene Frage an euch: Welche allgemeinen Design-Überlegungen würdet ihr mir mit auf den Weg geben? Worauf sollte ich bei so einem dünnen (6 mm!) Schieber mit beweglichen Teilen achten — Material (PETG, Resin, ABS?), Toleranzen, Lagerung der drehbaren Polarisator-Aufnahme, sinnvolle Antriebsmechanik (Zahnrad, Reibrad, Schneckengetriebe?), Streulichtunterdrückung, etc.? Auch grundsätzliche Tipps für jemanden, der gerade erst anfängt mit FDM/SLA, nehme ich super gerne. Bin offen für alles — verrückte Ideen ausdrücklich willkommen! 🙂

Vielen Dank schon mal!
Wes

[Peter_le]

Abend Wes,

Hast du bedacht, dass viele Folienpolarisatoren im UV-Bereich nicht nennenswert Polarisieren?
Es gibt natürlich teure die das können.


Je länger, je weniger breit der Schlitz, desto mehr Zahnräder/Reibräder werden benötigt.

Über das Streulicht würde ich mir nicht soviele Gedanken machen.

Eher über Vignettierung.

Grüße
Peter

[Wes]

Hallo Peter und vielen Dank für den Input!

Sehr guter Punkt mit den Folienpolarisatoren im UV-Bereich — das ist tatsächlich ein wichtiger Hinweis, an den viele (mich eingeschlossen am Anfang) nicht sofort denken. Genau aus dem Grund werde ich mich bei meinen Experimenten auf Anregungswellenlängen im sichtbaren Bereich beschränken (also typischerweise ab ~400 nm aufwärts, eher Richtung Blau/Grün). Da funktionieren auch die günstigen Linearpolarisatoren aus HN-Folie noch zuverlässig mit ordentlichem Extinktionsverhältnis. Echte UV-taugliche Polarisatoren (z.B. Glan-Taylor oder spezielle Dichroit-Folien) sprengen tatsächlich schnell jedes Hobbybudget.

Der Hinweis mit Länge vs. Schlitzbreite und Anzahl Zahn-/Reibräder ist sehr hilfreich — daran hatte ich in der Form noch nicht gedacht. Wenn das Drehrad weit außerhalb sitzt und die Polarisator-Aufnahme tief im Schlitz, braucht man entweder eine längere Welle (die in dem dünnen 6 mm Profil leicht durchbiegt) oder eben mehrere Zwischenräder. Ich werde mal überlegen, ob ich die Polarisator-Position eher näher ans Bedienende lege, um die Übersetzung möglichst kurz und kompakt zu halten.

Beim Streulicht beruhigt mich dein Kommentar — gut zu wissen, dass das in der Praxis kein großes Thema ist. Dann spare ich mir aufwendige Schwärzung im Inneren.

Vignettierung dagegen werde ich definitiv im Auge behalten — die freie Apertur sollte auf jeden Fall großzügig dimensioniert sein (mindestens Ø16 mm, eher mehr), damit nichts vom Strahlengang abgeschnitten wird. Hast du da eine Faustregel, wie viel Reserve man bei so einem Slot-Einsatz typischerweise einplanen sollte?

Danke nochmal — sehr wertvolles Feedback!
Wes

[Michael K.]

Hallo,

Wenn ich das bauen müsste, würde ich eine lange Gewindestange nutzen. Den Filter wird in ein Zahnkranz gesetzt der von der Gewindestange angetrieben wird. Am anderen Ende, quasi an das was aus dem Mikroskop rangt; würde ich das gleiche machen. Also Zahnkranz diesmal aber mit eingelegter Scheibe auf der Winkel
aufgetragen sind. Mit einer Gewindestange kann man es fein einstellen.


Gruss
Michael

[TStein]

Hallo Wes,
ich habe kürzlich auch nach Polarisatorfolien recherchiert und es gibt bspw. bei Edmund Optics schon spezielle PolFolien, welche auch noch gut im UV funktionieren. Ein bisschen teurer sind sie aber schon, im Vergleich zu den Standardfolien, aber bei weitem nicht so teuer, wie die Kristall- oder Wiregrid-Polarisatoren. https://www.edmundoptics.de/f/ultraviolet-uv-linear-polarizing-film/39991/
LG Tino

[olaf.med]

Hallo Wes,

bezüglich des 3-D-Drucks habe ich meine zunächst völlig ablehnende Haltung geändert und halte ihn nun für viele Anwendungen für sehr hilfreich. Bei dem von Dir geplanten Projekt bin ich jedoch äußerst skeptisch. Die Wanddstärken sind bei der erforderlichen inneren Mechanik so gering, dass ich bezweifele, dass die Stabilität ausreicht und es wirklich funktionieren würde.

Hier siehst Du meine konventionelle Lösung aus Messing. Es handelt sich um einen drehbaren Lambda-Kompensator, aber mechanisch ist der natürlich identisch mit einem drehbaren Polarisator.





Die Lösung mit drei Zahnrädern ist ideal, da die Drehrichtung des äußeren Zahnrads und des Polarisators damit gleichsinnig ist. Die Zahnräder habe ich zugekauft (Modul 0,5) und entsprechend nachbearbeitet.  Bei meinem Kompensator habe ich in das äußere Rad nur parallele Striche eingraviert die der Schwingungsrichtung des Kompensators entsprechen, aber eine Winkelteilung einzugravieren ist auch kein Problem. Unter der Voraussetzung, dass es sich um Metall handelt kann ich dabei meine Hilfe gerne anbieten.

Herzliche Grüße,

Olaf

[Wes]

Hallo zusammen, und vielen Dank für die weiteren Antworten!

@Michael: Spannender Ansatz mit der Gewindestange — eine Art Schneckengetriebe also, das durch die Übersetzung sehr feine Winkelschritte erlauben würde. Werde ich mir auf jeden Fall für eine eventuelle v2 merken, wenn die einfachere Zahnradlösung in der Auflösung an Grenzen stößt.

@Tino: Top Hinweis mit den UV-Polfolien von Edmund Optics — gar nicht so teuer wie befürchtet! Das öffnet die Tür für spätere UV-Anregungs-Experimente (DAPI etc.). Werde die Polarisator-Aufnahme gleich so dimensionieren, dass ich später eine solche Folie einlegen kann.

@Olaf: Vielen Dank für das Foto und die ausführliche Antwort — das ist genau die Art von Referenz, auf die ich gehofft hatte! Dein Laves-Ernst-Kompensator ist mechanisch wirklich elegant gelöst, und die Sandwich-Bauweise mit zwei dünnen Platten plus drei Zahnrädern in Taschen überzeugt mich auf Anhieb. Besonders der Punkt mit der gleichsinnigen Drehrichtung von Bedienrad und Polarisator durch das mittlere Zwischenrad ist ergonomisch ein riesiger Unterschied, den man als Anfänger gar nicht auf dem Schirm hat — schön, dass du das nochmal explizit hervorhebst. Auch deine Bestätigung von Modul 0,5 als richtige Wahl ist sehr hilfreich.

Deine Skepsis bezüglich der 3D-Druck-Stabilität nehme ich sehr ernst. Du hast völlig recht — bei 6 mm Gesamthöhe abzüglich zwei Plattenwänden bleibt für die innere Mechanik kaum Material, und gedruckte Kunststoff-Lagerflächen verschleißen oder verziehen sich gerne. Mein Plan wäre zunächst ein Funktionsprototyp aus SLA-Resin (Plattenkörper) kombiniert mit zugekauften Messingzahnrädern Modul 0,5 und Messing-Einschmelzbuchsen für die Schraubverbindungen — also ein Hybrid, der zumindest die kritischen Lagerflächen und das Zahnspiel aus richtigem Metall hat. Ob das langfristig hält, wird sich zeigen.

Dein Hilfsangebot finde ich super und würde ich sehr gerne annehmen — ich würde gerne mehr darüber lernen, wie man so etwas in Metall sauber umsetzt. Insbesondere bei der Beschaffung der richtigen Teile (passende Zahnräder Modul 0,5, geeignete Halbzeuge für die Platten, Lagerungslösungen) wäre ich für deine Erfahrung sehr dankbar — du hast den Weg ja schon einmal gegangen und weißt, wo man die brauchbaren Komponenten bekommt. Magst du etwas konkreter werden, woran du dabei gedacht hast? Ich bin offen für alles, was mich der Sache näherbringt.

Nochmals vielen Dank an alle — das ist wirklich genau die Art von Diskussion, die ich mir erhofft hatte!

Viele Grüße,
Wes

[olaf.med]

Hallo Wes,

ich hatte meinen ersten Beitrag aus der Erinnerung geschrieben, die ja, wie man weiß, oft trügerisch ist  . Nun habe ich in meinen Unterlagen nachgesehen und festgestellt, dass ich tatsächlich Zahnräder mit dem Modul 0,4 benutzt habe, was einen größeren freien Innendurchmesser ermöglicht.

Zahnräder mit M=0,4 sind im Modellbau verbreitet und man kann sie hier beziehen. Dies ist eine Tabelle der Eigenschaften des dort angebotenen Zahnrads:



Der Kopfkreis von 16,8 mm läßt noch genügend Fleisch für die Stabilität (bei Messing!!!) und ein freier Durchlass von 12,5 mm ist realisierbar, was noch nicht zur Vignettierung führt. Der Teilkreisdurchmesser von 16 mm ist der Achsabstand im Getriebe. Die Bearbeitung der Rohlinge erfolgt auf der Drehmaschine in in einem geschlitzten Halter der in eine passende Spannzange aufgenommen wird, was genauen Rundlauf garaniert.



Nun zur Herstellung des Halters. Ich habe ein passendes Halbzeug (Messing-Flachstange 6x20 mm), das ich von Hand nur auf ca 75 mm ablängen muss, der Rest erfolgt auf der Fräsmaschine in einer Aufspannung. Zuerst wird eine Nut in Breite und Höhe des Deckels eingefräst (18x2 mm). Die Zahnräder haben eine Achsstummel von 6 mm im Durchmesser, solche Bohrungen werden an den entsprechenden Stellen im Abstand von 16 mm angebracht, dann werden die Ausfräsungen für die Zahnkränze gefertigt. Das erfolgt mit einem entsprechenden Fingerfräser oder einem Plan-und Ausdrehkopf (Wohlhaupter). Das habe ich übrigens bei meinem ersten Schieber noch an der Drehmaschine im 4-Backenfutter bei grober Ausrichtung gemacht, daher sind die Ausfräsungen bei meinem ersten Bild nicht genau konzentrisch. Schließlich werden noch die 6 Gewindelöcher für die Befestigung des Deckels angelegt.

Die Herstellung des Deckels ist etwas tricky, denn ein Blech von 2 mm Dicke läßt sich nicht so einfach bearbeiten. Dafür löte ich es auf einen Messingklotz auf und fräse es dann auf das Endmaß und fertige die Löcher für die Senkschrauben.

Wenn nun alles gefertigt ist wird Schieber und Deckel zusammengeschraubt und auf der Fräsmaschine die Aufräsungen am Anfang und Ende gefertigt. Schließlich gibt es noch ein paar seitliche Nuten am Ende für die Grifffreundlichkeit.

Ich glaube nicht, dass ich mit dieser Herstellung langsamer bin als Du mit der Herstellung eines 3D-Drucks incl. der Programmierung  , das gilt natürlich nur für das erste Exemplar, in Serie sieht das anders aus.

Das äußere Zahnrad kann man nun noch mit einer Winkelskala versehen, aber die Genauigkeit ist natürlich durch den geringen Durchmesser sehr begrenzt. Außerdem ist eine solche Konstruktion natürlich nie ganz spielfrei, aber diesen Fehler könnte man eliminieren, wenn man immer im gleichen Drehsinn arbeitet. Ich denke, dass eine Skalierung mit einem Strichabstand von 2° noch realisierbar wäre, ganz sicher aber mit einem Abstand von 5°. Will man eine höhere Genauigkeit erreichen, müsste man eine längeren Schieber mit z.B. 5 Zahnrädern konstruieren und das letzte Zahnrad mit einer größeren Teilscheibe (z.B. 40 mm Durchmesser) versehen.

Herzliche Grüße,

Olaf

[Werner]

Noch ´ne Idee zur Flankenspiel-Verringerung:
Zwei verdrehbare 1-mm-Zahnräder mit einer eingesetzten kleinen Spiralfeder (zum gegeneinander Verdrehen) als mittleres Zahnrad ist wohl zu aufwändig zu fertigen. Das war bei Radio-Drehkondensatoren üblich (Stanzteile).
Die Achse des letzten Zahnrades etwas kleiner drehen und mit einer fixierten kleinen Blattfeder im Träger Richtung Polarisator drücken lassen. Damit wird das Kopfspiel beseitigt.
Kleine Zahnräder gibt es auch bei Mädler.

Gruß - Werner

[Luxo F.]

Hallo zusammen, den Aufbau wie im Bild von Olaf halte ich durchaus für druckbar - ich würde so 1,6...2mm für die Gehäusehälften ansetzen, dann je nach Güte des Druckers beidseitig 0,1...0,15mm Luft und der Rest geht ins Zahnrad. Die Mechanik bewegt ja keine nennenswerten Lasten. Mal zum Vergleich: das Kunststoffgehäuse eines heutigen kleinen Geräts hat weniger als 1mm Wandstärke. Komfortabler wird es, wenn man sich die Mühe macht und das mittlere Zahnrad gefedert aufhängt, so daß es Fertigungstoleranzen auffängt und für möglichst spielfreien Lauf sorgt. Ein in sich spielausgleichendes Zahnrad wie von Werner vorgeschlagen wird in der Größe vermutlich ohne Uhrmacherfähigkeiten sportlich... (edit: zur Verdeutlichung, wie das funktioniert: hier sieht man so eines, auf 3D-Druck optimiert, aber für diesen Fall viel zu groß: https://www.printables.com/model/42436-spielfreies-zahnrad-40z-m1-v2/files . Der "normale" Aufbau verwendet eine Spiralfeder, um die beiden Zahnräder gegeneinander zu verspannen.)

Wichtig ist aber, daß man ein Modul 0,4 auf einem normalen FDM-Drucker mit 0,4mm-Düse sicher nicht gefertigt bekommt, da braucht man ein anderes Fertigungsverfahren und muß dran denken, daß man mehr Luft einplant. Daher würde ich mindestens zwei, eher alle drei Zahnräder kaufen und spanend bearbeiten; höchstens das Zahnrad für den Polfilter könnte man ggf. aus Harz oder Metallpulver drucken lassen, muß dann aber mit vergrößerten Spalten zwischen den Zahnrädern kalkulieren. Das Gehäuse zu fräsen kann man sich aber schenken.

[Peter_le]

Hallo,

Leider habe ich nicht die Zeit mich ausführlicher zu äußern.

Beim 3D Druck halte ich 6mm zwecks Stabilität für ausreichend. Das ist ja kein Fahrrad-Ritzel.

Olaf Tip Zahnräder zuzukaufen ist prinzipiell sehr gut.

Ich habe bislang nur einmal "Print in place" gedruckt, geschweige denn konstruiert: Die Zahnräder werden mit ihrer Aufhängung in einem Rutsch gedruckt. Es ist recht populär so ganze Planetengetriebe zu drucken.

Grüße
Peter

[olaf.med]

Liebe Druckfans,

druckt ihr mal fleißig, ich stelle gerne einen konventionell gefertigten Schieber samt ausführlicher Dokumentation der Fertigungszeiten und der Kosten zur Verfügung, dann lassen wir ein unabhängiges Komitee über Stabilität und Brauchbarkeit entscheiden  .

Bisher habe ich jedenfalls noch kein hobbymäßig gedrucktes Teil gesehen, das meinen Anforderungen an Wes' Schieber erfüllen würde.

Herzliche Grüße,

Olaf