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BeitragVerfasst: 12. Juni 2016, 16:38:34 PM 
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Dateikommentar: Mechanische Konstruktion für Simulation 5
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Dateikommentar: Mechanische Konstruktion für Simulation 1
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Dateikommentar: z-Displacement für Simulation 5
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Dateikommentar: z-Displacement für Simulation 1
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Hallo das Forum,

die mangelnde Stabilität von Aufbauten direkt gekoppelter Spektrografen ist für einige Messungen wohl ein Problem (auch bei kommerziell erhältlichen Geräten).
Angeregt durch die Diskussionen in der Postersession der letzten ASpekt habe ich mir mal Gedanken über die Stabilität von Spektrografen-Gehäusen gemacht. Dazu habe ich mich etwas mit Inventor angefreundet - einem Konstruktionsprogramm mit FEM-Modul. Die Finite Elemente Methode ist eine inzwischen gebräuchliche Methode zur Simulation mechanischer Stressgrößen und anderer Probleme. Man umgeht damit die Lösung partieller DGL.

Voraussetzungen:
In der 1. Simulation wird eine gebräuchliche V-Form eines Gehäuses aus Aluminium angenommen (für einen klassischen Spektrografen mit Reflexionsgitter oder ein Echelle-Gitter) - genannt "Grundkörper". Die Grundplatte hat eine Stärke von 5mm, die Seitenwände von 8mm. Eingespannt wird das Gehäuse an einer 2"-Nase (praktisch durch den OAZ). Belastet wird die Konstruktion durch das Eigengewicht und eine Kraft von 30N am Ort der Kamera und des Kameraobjektivs (entspricht 3kg Gewicht). Gehäusedeckel und optische Elemente werden hier nicht berücksichtigt. In der 2. Simulation wird das Gehäuse durch 2 Streben an der Seitenwand der 2"-Nase verstärkt. In der 3. Simulation wird eine 3. Strebe auf der Grundplatte hinzugefügt (siehe Abb.). In der 4. Simulation wird die 2"-Nase durch eine 3"-Nase ersetzt. In der 5. Simulation wird das Gehäuse flächig an den beiden Verstärkungsstreben eingespannt.

Ergebnisse:
Die Simulationen ergeben u.a. für die maximale Durchbiegung des Gehäuses in Richtung der Krafteinwirkung (z-Displacement) folgende Ergebnisse:

1. Grundkörper --> 334 µm
2. Grundkörper durch 2 Streben ergänzt --> 49 µm
3. Grundkörper durch 3 Streben ergänzt --> 48 µm
4. Punkt 3 mit 3"-Nase statt 2"-Nase -->21 µm
5. Punkt 4, jedoch Gehäuse an den 2 Streben anstelle der Nase eingespannt --> 6,6 µm

Die Abbildungen zeigen zum besseren Verständnis für den Fall 1 und den Fall 5 die Konstruktion und das z-Displacement.

Bemerkungen:
- Für die interessante Durchbiegung des Gehäuses am Ort des Objektivs kann man von der maximalen Durchbiegung ca. 20% abziehen (siehe Farbskala in der Abbildung).
- Um das Umschlagen des Teleskops zu simulieren, kann man mit guter Näherung die ermittelte Durchbiegung verdoppeln.
- Kleinere oder größere Belastungen durch Kamera/Objektiv kann man im Fall elastischer Materialverformung in guter Näherung mit dem Dreisatz umrechnen (also 2kg Gewicht --> 2/3 der hier genannten Werte).
Leichte Kameras und Kameraobjektive sind also essentiell für eine gute Steifigkeit.

Diskussion:
- Erstaunlicherweise ergibt sich durch eine Versteifung der Seitenwände eine größere Wirkung als durch eine Versteifung der Grundplatte.
- Kritisch ist die Einspannung des Gehäuses an einer 2"-Nase, 3" ist besser.
- Die beste Stabilität ergibt sich durch ein flächiges Abfangen des Gehäuses. Hierzu kann man das Teleskop auf eine stabile Grundplatte montieren, an der man auch den Spektrografen befestigt. Dadurch umgeht man auch die hier nicht
diskutierte Instabilität des OAZ.Wer keinen justierbaren Primär- oder Sekundärspiegel an seinem Teleskop hat, muss natürlich mit dem OAZ scharfstellen. Anschließend sollte der OAZ aber entlastet werden.

Zukünftige Untersuchungen:
Als nächstes ist geplant, den Guiding-Kopf fest in das Gehäuse zu integrieren. Ein von außen angeschraubter Guiding-Kopf ist nach diesen Untersuchungen nicht zu empfehlen. Ein stabilisierender Gehäusedeckel muss berücksichtigt werden.
Das Gewicht des Aluminium-Gehäuses von ca. 4,5 kg muss reduziert werden. Denkbar ist der Einsatz von Compound-Platten (Wabenkern aus Hartschaum zwischen 2 GFK-Platten). Hierduch müssten sich ca 70% des Gehäusegewichtes einsparen lassen. Dieses erfordert aber neue Techniken für die Befestigung der optischen Elemente.

Neben den Werten der Durchbiegung entstehen bei der Simulation viele andere Belastungsdaten, die hier nicht alle veröffentlicht werden können. Wer Interesse hat, kann mir gerne eine PM schicke. Ich sende dann alle Simulationsdaten als HTML-Datei zu. Ich kann auch gerne für Selbstbauer mal eine andere Gehäuseform rechnen. Dazu brauchte ich das Gehäusematerial, die Abmessungen und die Wandstärken, die geplante Einspannung sowie das Gewicht der schwersten Komponenten (Kamera/Objektiv-Gewicht).

Beste Grüße
Jochem


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BeitragVerfasst: 13. Juni 2016, 12:54:42 PM 
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Hallo das Forum,

ich habe noch einen festen Gehäusedeckel berücksichtigt, der das Verbiegen der Seitenwände verhindert (6. Simulation). Die maximale Durchbiegung ist jetzt 3,3 e-02 µm bei einer flächigen Einspannung des Gehäuses wie in Simulation 5. Man sollte also den Deckel als tragendes Element mit verwenden. Das Gewicht der in der Simulation fehlenden Teile des Guiding-Kopfes und der Webcam werden das Ergebnis nicht mehr wesentlich verändern.

Freundliche Grüße
Jochem


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Zuletzt geändert von Jochem Berlemann am 13. Juni 2016, 16:06:14 PM, insgesamt 1-mal geändert.
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BeitragVerfasst: 13. Juni 2016, 13:56:04 PM 
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Hallo Jochem,

sehr interessant.

Es stellt sich also die Frage: Was ist der beste Kompromiss aus Gewicht und Stabilität auch im Hinblick auf eine kluge Wahl der Gehäuseform und Verstrebung.
Praktikable Aluminiumblechstärken, m.E., liegen bei max. 4 mm und sollten auch durch Verstrebung eine gute Stabilität erreichen?!

Mich würde interessieren, was passiert wenn man in ein mehr oder weniger rechteckiges Gehäuse X-Streben einbringt - im Vergleich. Nur eine Skizze aus dem Kindergarten, da ich kein so guter PC-Zeichner bin^^ Grün markiert die angedachten Streben.

LG,
Daniel


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Daniel P. Sablowski

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BeitragVerfasst: 13. Juni 2016, 16:20:23 PM 
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Hallo Daniel,

ich hatte auch zunächst die Idee, mein Gehäuse mit Längsrippen auf der Grundplatte zu versteifen. Die 3. Strebe in der 3. Simulation bringt gegenüber der 2. Simulation aber nur 1µm weniger Durchbiegung. Ich denke, dass die Halterung des Gehäuses der wichtigste Punkt ist. Die größten Verformungen treten an der 2"-Nase und den angrenzenden Seitenwänden auf. Ich kann ja mal Deine Skizze nachbauen und simulieren. Große Hoffnungen setze ich in ein neues Material. Ich habe mir eine 12mm starke Compoundplatte anfertigen lassen. Die sieht zunächst mal sehr steif aus und ist leicht. Leider sind die Materialdaten, die ich benötige, nicht bekannt. Die muss ich erst mal ermitteln. Streben kosten Platz, ich werde sie in Deinem Modell außen anbringen. Dauert aber ein bisschen.

Freundliche Grüße
Jochem


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BeitragVerfasst: 17. Juni 2016, 18:26:20 PM 
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Hallo Daniel,

ich habe mal deine Konstruktion gerechnet. Um das Ergebnis vorweg zu nehmen: Die Gehäuseform und eventuelle Verstrebungen sind nicht so entscheidend wie die Einspannung (wie bei meiner Version).

Ich habe als Belastung das Gewicht des Gehäuses (400mm x 120 mm x 120 mm) und eine Last von 5kg am anderen Ende der Nase angesetzt. Materialstärke ist 4mm.
Die Ergebnisse der Durchbiegung in Kraftrichtung bei Einspannung an der Nase:

- Alu Grundkörper 354 µm
- Alu Grundkörper ohne Gehäusedeckel (die Seite gegenüber der Nase fehlt) 386 µm
- Alu Grundkörper mit je einer Strebe 400 x 40 x 4 mm an beiden Längsseiten 326 µm
- Grundkörper aus Stahl 186 µm
- Grundkörper aus PVC 6209 µm :-))

Andere Einspannung:
- Alu Grundkörper, Einspannung flächig an der Stirnseite (in der Nähe der Nase) 7 µm
- Alu Grundkörper, flächige Einspannung an beiden Seitenwänden 1,6 µm

Für mich ist das Thema damit zunächst abgeschlossen, da beide Gehäuseformen ähnliche Ergebnisse zeigen. Ich werde bei meinem Aufbau eine Montierung von Spektrograf und Teleskop auf einer gemeinsamen Grundplatte vorsehen.
Die Verbiegung entsteht am Übergang Nase/Gehäuse (das sieht man am Diagramm mit dem Stress). Deshalb bringen viele Streben auch nicht viel . Die Plattenstärke ist nur an der Seite wichtig, wo die Nase befestigt ist. Das Gewicht spielt auch keine so große Rolle, wenn man das Gehäuse abfängt.
Trotzdem werde ich als Material die leichte Compoundplatte nehmen, wenn Sie annehmbare Durchbiegungen aufweist.

Freundliche Grüße
Jochem


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BeitragVerfasst: 23. Juni 2016, 00:02:40 AM 
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Hallo Jochem,

ich finde das toll, dass Du hier FEM für den Spektrographenbau vorantreibst.
Ich kann das selber nicht betreiben, habe aber beruflich im Austausch mit unseren Konstrukteuren (Solid Works) manchmal damit zu tun. Wir hatten z.B. mal versucht Vakuumkammern zu optimieren, die unbedingt quaderförmig und nicht kugelförmig sein durften.
Deine Bilder verstehe ich so, dass die Simulationen von einem monolithischen Probekörper ausgeht und nicht geschraubtes Plattenmaterial annimmt. Das macht mit Sicherheit einen nicht unerheblichen Unterschied. Praktisch heißt das bei solchen Systemen dann, dass der Grundkörper aus einem Block gefräst und ein Deckel draufgeschraubt wird.
Ein Verfahren zur Optimierung ist ja, dass man sich in der Darstellung der mechanischen Spannungen (1st principle stress?) die Bereiche heraussucht, die am meisten "leiden" und dann dort Material zugibt. Gleichzeitig kann man häufig an anderen Stellen, wo der Stress gering ist, Material wegnehmen. Ein Grund, warum man sicherlich z.B. die Bereiche um die optischen Ports am Gehäuse etwas dicker machen sollte (Flansche). Danach geht man wieder in die Simulation und schaut, wie sich das Bild geändert hat und startet die nächste Runde. Zum Schluss sieht es "biologisch" oder flugtechnisch aus :)
So habe ich diese Methode jedenfalls bisher erlebt, aber eben auch nicht direkt selber gemacht...


Viele Grüße

Ulrich


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BeitragVerfasst: 23. Juni 2016, 20:07:35 PM 
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Hallo,
ich will in diesem Zusammenhang nur darauf hinweisen, daß man heute Metallteile auch zuverlässig verkleben kann. Das wird meines Wissens nach sogar im Flugzeugbau angewendet. Details sind mir allerdings nicht bekannt. Die Festigkeit dürfte dabei von der eines aus einem Stück gefrästen Gehäuses ähnlich sein, jedenfalls besser als bei Schrauben.
Viele Grüße
Christian


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BeitragVerfasst: 23. Juni 2016, 21:02:09 PM 
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Hallo Christian,

absolut richtig. Die Designer von geklebten Konstruktionen kämpfen dann aber auch darum große Klebeflächen zu bekommen, weil man dann Klebetechnologie vorteilhaft anwenden kann. Die Außenwände des Gehäuses könnte man dann z.B. aus U-Profil machen. und in den Ecken noch einmal mit Laschen verkleben usw. Kleber gibt es ja diverse am Markt.
Unterschiedliche Wandstärken ließen sich über Mehrfachklebungen realisieren. Maßhaltigkeit ist allerdings deutlich schwieriger als bei CNC. Darum klebt man bei Serienbauteilen wohl auch gerne innerhalb von Vorrichtungen, in denen Schlüsselkomponeneten vorfixiert sind.
Ich schiebe auch im Kopf permanent die verschiedenen Varianten hin und her...

Grüße

Ulrich


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BeitragVerfasst: 24. Juni 2016, 17:24:19 PM 
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FEA is a great tool.
A couple of comments:
1. The deflections must be measured with the instrument sitting at various angles to evaluate the impact on the optical axis alignment.
2. Rotation as well as relative deflections need to be considered.
3. The classic Serrurier truss design shows how these factors can be compensated.

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BeitragVerfasst: 26. Juni 2016, 14:27:28 PM 
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Hallo Jochem,

vielen Dank, dass Du das gemacht hast!
Mich würde noch interessieren, wie das mit der Verbindung der Einzelteile aussieht? Hast Du in dem Modell verschiedene Optionen? Aus dem Ganzen gearbeitet, verschraubt oder gar geschmiedet/gegossen?

Beste Grüße aus Edinburgh,
Daniel

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Daniel P. Sablowski

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BeitragVerfasst: 26. Juni 2016, 18:09:50 PM 
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Hallo Ulrich, Christian und Daniel,

alle Simulationen sind zunächst ohne technische Verbindungen zwischen den Elementen gerechnet (also aus dem Vollen gefräst). Es ging mir darum, eine prinzipielle Übersicht über die Probleme zu bekommen. Für mich abgeschlossen ist nur das Thema, wie die Kraftübertragung zwischen Spektrograf und Teleskop zu realisieren ist - großflächig und nicht an einer 2"-Nase! Das werde ich bei meinem neuen Aufbau auch so realisieren, vermutlich mit einer Schwalbenschwanz-Verbindung parallel zur Fernrohrachse. Ich vermute, dass nicht nur die Gehäusekonstruktion dann nicht mehr so entscheidend ist, sondern auch die Belastung des viel kritischeren OAZ sich deutlich reduziert (einen Atlas will ich mir nicht leisten). Auch für käuflich erworbene Spektrografen kann man hier Verbesserungen der Stabilität ableiten.

Zur Konstruktion eines stabilen Spektrografen, der an der Nase eingespannt wird: Ich bin mir nicht sicher, ob Verbindungstechniken zuverlässig simuliert werden können, ich freunde mich gerade erst mit dem Programm an aber ich schau mal. Sicher ist es schwierig, die entsprechenden Parameter einer Schraubverbindung zwischen 2 Aluplatten zu ermitteln und für einen Kleber die technischen Daten zu bekommen.

Ideal wäre sicherlich eine Fachwerkkonstruktion aus CFK - das ist aber teuer und unangenehm zu verarbeiten. Große Hoffnungen bezüglich Steifigkeit und Gewicht hatte ich auf ein Compoundmaterial 3dCore gesetzt (Abbildung), das könnte man gut kleben. Die Durchbiegung ist aber erheblich größer als bei Alu. Andererseits verringert sich das Gewicht von 5,5 kg (Alu, wie auf der ASpekt vorgestellt) auf 1,5 kg. Wie Ulrich schon vorgeschlagen hat, ist eine Verbundkonstruktion aus mehreren Materialien sinnvoll: da wo der meiste "1st Pricipial Stress" ist, - also an der Nase - steifes,dickes Material als breiter Flansch. An den Seiten, die nicht so belastet sind, könnte man z.B. das 3dCore nehmen. Ja, das kann man alles mal rechnen......
In 4 Wochen habe ich mehr Zeit :-)

Beste Grüße und danke für die Tips
Jochem


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Dateikommentar: 3dCore, Platte aus Waben-Schaumstoff und GFK
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3d_core.jpg [ 238.86 KiB | 2022 mal betrachtet ]
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BeitragVerfasst: 26. Juni 2016, 18:23:19 PM 
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Jochem,
Can you model a construction where the housing is made from 1.5mm thick aluminium and the mounting surface to the telescope/ imaging camera is say 12.5mm thick to give rigidity with threaded connections.
What weights are you allowing for the collimator, imaging lens and camera?
Unless you intend to use a fast system and large gratings (??) the housing only needs to be 60-70mm internal square section.

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BeitragVerfasst: 26. Juni 2016, 18:31:00 PM 
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Hi Ken,

you are right. In the 1st approximation I calculated the total deflection during a meridian flip as twice the value calculated from the simulation. For a final design I would simulate the load towards different angles.

For shure the classical Serrurier truss design is very well developed. To adopt it to a spectrograph case I have the idea to start with a solid material. Altair has a program called Hyperworks. It removes as much material as required from the solid plates, leaving finally a sort of framework. But that will take some time...

Kind regards and thanks for tips
Jochem


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BeitragVerfasst: 26. Juni 2016, 18:50:39 PM 
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Hi Ken,

yes I can try. I would simulate with the geometry I started in this thread. The case is bigger because the camera lens is inside (80mm diameter, 110 mm length inside the case).
I neglected the load by the 50 mm square grating and the collimator. Camera lens and camera were simulated by a weight of 3 kg. Its a classical slit spectrograph design (see picture).

If you have another form in mind please a short drawing with dimensions and the postion of 2" nose and camera/lens.

Best regards
Jochem


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Zuletzt geändert von Jochem Berlemann am 26. Juni 2016, 20:29:55 PM, insgesamt 1-mal geändert.
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BeitragVerfasst: 26. Juni 2016, 19:43:00 PM 
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Hallo Jochem,
was ist ein Serrurier Design? Was meinst Du mit OAZ?
Zitat:
Hallo Ulrich, Christian und Daniel,

alle Simulationen sind zunächst ohne technische Verbindungen zwischen den Elementen gerechnet (also aus dem Vollen gefräst). Es ging mir darum, eine prinzipielle Übersicht über die Probleme zu bekommen. Für mich abgeschlossen ist nur das Thema, wie die Kraftübertragung zwischen Spektrograf und Teleskop zu realisieren ist - großflächig und nicht an einer 2"-Nase! Das werde ich bei meinem neuen Aufbau auch so realisieren, vermutlich mit einer Schwalbenschwanz-Verbindung parallel zur Fernrohrachse. Ich vermute, dass nicht nur die Gehäusekonstruktion dann nicht mehr so entscheidend ist, sondern auch die Belastung des viel kritischeren OAZ sich deutlich reduziert (einen Atlas will ich mir nicht leisten). Auch für käuflich erworbene Spektrografen kann man hier Verbesserungen der Stabilität ableiten.

Beste Grüße und danke für die Tips
Jochem
Die Verbindung des Lhires mit dem Teleskop ist in der Tat eine kritische Sache.
Man hat zwei Optionen:
1. Die übliche 2" Verbindung wie bei Zenithprismen und Okularen.
2. Mit einem Flansch und einer Überwurfmutter.
2. ist die bessere Lösung. Jedoch ist es manchmal sehr schwierig die Überwurfmutter fest anzuziehen. Die müsste griffiger sein oder noch besser mit Griffen wie hier
http://www.teleskop-express.de/shop/pro ... erung.html
versehen sein.
Viele Grüße
Christian


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BeitragVerfasst: 26. Juni 2016, 20:29:11 PM 
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Hallo Christian,

OAZ=Okularauszug.

Serrurier Truss Design ist das klassische Truss-Design bei Newtons oder RC´s ( https://en.wikipedia.org/wiki/Serrurier_truss). Es bietet optimale Stabilität bei geringem Gewicht. Zug- und Druckkräfte werden durch Stäbe aufgenommen, die meistens aus CFK-Stangen bestehen. Die Stabilität ist vermutlich sogar besser als bei einem Volltubus, da die meisten Profiinstrumente so aufgebaut sind. Das Prinzip auf ein Gehäuse zu übertragen, ist sicher eine Herausforderung.

Beste Grüße und bis zum Viertelfinale
Jochem


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BeitragVerfasst: 18. September 2016, 09:13:44 AM 
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Hallo,

sehr interessant! Ich selbst bin auch gerade an der Konstruktion eines Gehäuses.
Zum Thema Compoundplatten würde mich mal interessieren was für ein Temperaturkoeffizient der Werkstoff hat. Denn das ist auch ein wesentlicher Grund, warum gern reines Alu verwendet wird.

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Ingo Küttner
- Astronomie erleben -


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BeitragVerfasst: 20. September 2016, 17:12:03 PM 
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Hallo Ingo,

der Lieferant des Compound-Materials kann leider keine Daten liefern, die Durchbiegung und somit den E-Modul habe ich selbst gemessen.
Das Material ist deutlich weicher als Alu, obwohl es sich erst mal sehr stabil "anfühlt".

Ich habe für die nächste Ausgabe von Spektrum einen Artikel/Teil 1 über die Verbindung zwischen Spektroskop und Teleskop eingereicht. Mal sehen, ob das klappt.
Der Teil 2 wird sich dann mit dem Gehäuse selbst beschäftigen. Da muss ich noch einiges rechnen. Angeblich kann man mit Hyperworks von Altair ein Fachwerk berechnen, das bei maximaler Steifigkeit minimales Gewicht hat. Das werde ich mal probieren.

In jedem Fall sollte man das Spektroskop-Gehäuse und das Teleskop an einer gemeinsamen Grundplatte montieren, um den OAZ und die 2"-Nase zu entlasten. Das wird in dem Artikel genau erklärt. Das Gehäuse selbst wird dann ziemlich unwichtig, da die Grundplatte das Gewicht trägt. Nur bei Newtons wird es schwierig, das zu realisieren. Da wird dann wieder das Gehäuse selbst wichtig.

Beste Grüße
Jochem


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BeitragVerfasst: 25. September 2016, 22:24:51 PM 
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Hallo Jochem,

das klingt sehr viel versprechend und spannend.
Ich denke derzeit über eine Lösung mit Aluminiumwabenkern Platten nach. Ich recherchiere derzeit und versuche mich auch mal an einer eigenen Bastellösung.

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Ingo Küttner
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