Antriebsmechaniken für automatische Leinwand-Maskierungen

Auf der Basis unserer selbst gebauten mechanischen Maskierung an einer Rahmenleinwand wollen wir hier im nächsten Schritt überlegen, wie die Maskierung per Motor gezogen werden kann. Dieser Teil wird ziemlich theoretisch, aber ich finde es wichtig, dass du dir Gedanken über mehrere möglichen Lösungen gemacht hast. Nur so findest du den besten Weg für deinen speziellen Fall.

Eine Antriebsmechanik – und sei sie auch nur mit einer Kurbel ausgestattet – bringt weitere Vorteile für die mechanische Maskierung mit sich. Die Positionierung erfolgt genauer und gleichmäßiger. Du musst die empfindliche, lichtschluckende Oberfläche nicht immer anfassen, um sie zu verstellen. Vor allem aber stellt die Mechanik einen zentralen Ausgangspunkt für jedes Verstellen dar, der eine spätere Motorisierung überhaupt erst möglich macht.

Grundsätzliche Überlegungen

Um eine Maskierung anzutreiben, musst du im Wesentliches nur eines machen: eine ausreichend starke Drehbewegung oder eine Zieh- und/oder Schiebebewegung erzeugen. Ob diese aus einer Drehbewegung eines Motors oder auf eine andere Art entsteht, ist zweitrangig. Die Bewegung muss über die selbe Strecke ausgeführt werden, die die Maskierung zurücklegen muss.

Wie kräftig diese Bewegung sein muss, hängt von der Antriebsmechanik ab. Beim Bau der mechanischen Maskierung haben wir gesehen, dass sich das Gewicht der Maskierungsbretter bei Bedarf gegenseitig aufheben kann. Dadurch musst du nur noch genug Kraft aufwenden, um gegen die Reibung der Mechanik selbst anzukommen.

Wir gehen hier davon aus, dass der Fahrweg der Maskierung 20 cm nach oben und unten beträgt. Mehr wäre aber auch kein Problem. Wie du die nötige Breite der Maskierung bzw. deren Fahrweg ermittelst, habe ich in den vorherigen Teilen der Serie beschrieben.

Disclaimer: Ich bin kein gelernter Mechaniker. Die hier verwendeten Begriffe sind ziemlich sicher nicht immer völlig korrekt. Ich betrachte das Thema aus der Hobby-Perspektive und versuche es wie immer so zu erklären, dass es andere Bastler leicht verstehen. Wenn du also irgendwas besser weißt, sei bitte nachsichtig mit mir und hinterlasse gerne einen konstruktiven Verbesserungsvorschlag.

Zugmechaniken

Die naheliegendste und in den meisten Fällen wahrscheinlich beste Lösung ist es, die Maskierung zu ziehen, …

Seilzüge

… und zwar mit einem Seil. Jetzt nicht mit einem dicken Kletterseil, sondern mit einer dünneren aber stabilen Schnur. Üblicherweise spricht man aber von „Seilen“.

Wenn du ein passendes Seil auswählst, solltest du darauf achten, dass es sich nicht dehnen lässt. Ebenso wichtig ist es, dass es sich um ein geflochtenes Seil handelt, nicht um ein verdrilltes. Hattest du schon mal ein billiges Jojo in der Hand? Nach kurzer Zeit verdreht sich die Schnur in sich selbst und ein gerades Auf- und Abwickeln ist nicht mehr möglich. Das ist es, was bei einem verdrillten Seil passiert. Bei einem geflochtenen Seil (wie ein Zopf) passiert das nicht.

Ich habe eine Zugschnur für Raffrollos verwendet und bin damit schon ganz zufrieden. Die Rolle reicht wahrscheinlich auch noch für sieben weitere Maskierungen.

Mit einem Seil kannst du natürlich nur ziehen, nicht schieben. Zwar könntest du dich bei einer ausreichend massiven Maskierung auf die Schwerkraft verlassen, für automatische Antriebe würde ich das aber nicht tun. Es ist nicht so viel mehr Aufwand, die Maskierung in beide Richtungen zu ziehen, und die Funktionstüchtigkeit ist einfach noch etwas besser gewährleistet.

Umlenkrolle

Wir gehen von der manuellen Maskierung aus, die oben über eine Umlenkrolle läuft, damit sich beide Maskierungsbretter synchron zueinander bewegen.

Auf beide Maskierungsbretter wirkt die Schwerkraft ein, weshalb sie nach oben gezogen werden müssen. Das Seil, das nach oben zieht, ist in diesem Beispiel deshalb das Zugseil. Die Umlenkrolle kehrt seine Richtung um, es bleibt ihm dank der Schwerkraft aber erspart, das andere Maskierungsbrett nach unten zu schieben. Das Gegenteil vom Zugseil wäre somit ein „Schubseil“, aber weil Seile nicht schieben können, nennen wir es Rückzugseil.

In den nachfolgenden Beispielen werden Zugseile und Rückzugseile mit unterschiedlichen Farben dargestellt. Hier ist das noch nicht der Fall, weil Zugseil und Rückzugseil ein und die selbe Schnur sind.

Antriebswelle als Umlenkrolle

Die einfachste Lösung wäre es jetzt, oben an der Leinwand eine Antriebswelle zu befestigen und diese komplett mit einem Rollladenmotor zu drehen.

Zum besseren Verständnis zweier Begriffe:

• Welle: eine sich drehend gelagerte „Stange“, auf der eventuelle Rollen oder Zahnräder fest verschraubt sind und sich gemeinsam mit der Welle drehen
• Achse: eine Fest verschraubte Stange, auf der sich Rollen und Räder frei drehen können

Das Zugseil muss hier theoretisch nur ein paarmal um die Welle gewickelt werden und sollte dann fest genug sitzen, um von dieser mitgenommen zu werden. In der Praxis wäre eine Art dicke Gewindestange die bessere Lösung, damit sich das Seil nicht selbst blockiert.

Aufwickeln auf eine Seilrolle

Eine vielleicht einfachere Lösung, Seile für eine Strecke von 20 cm und mehr zu ziehen, ist, sie einfach aufzuwickeln. Da wir keinen Kran bauen, der unzählige Meter Seil aufwickeln muss, genügt eine einfache Rolle.

Nun, genauer gesagt brauchst du 2 Rollen: eine für die obere Maskierung und eine für die untere. Die beiden Rollen wickeln das Seil gegenläufig auf:

• Rolle 1 wickelt links herum auf und zieht dabei die obere Maskierung hoch
• Rolle 2 wickelt rechts herum auf und zieht dabei die untere Maskierung hoch

So können beide Seile vom selben Motor gezogen werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die zusätzliche Verbindung über die Umlenkrolle entfallen kann. Während der Motor eine Maskierung hoch zieht, wird die andere herunter gelassen und hilft dabei gleich ein wenig mit. Auch hier hebt sich das Gewicht der Maskierungen gegenseitig auf und es bleibt nur die Reibung zu überwinden.

Fraglich ist, ob die Maskierungen freiwillig nach unten fahren, oder auch in diese Richtung gezogen werden wollen. Das macht aber nichts, denn du hast immer gleich viele Zugseile wie Rückzugseile. Du musst sie nur auf die jeweils passende Rolle aufwickeln.

Du kannst mehrere Seile auf die selbe Rolle aufwickeln, so lange jedes einzelne gut gespannt in eine andere Richtung verläuft und die Zugrichtung die gleiche ist.

Wenn dir das zu viele Rollen sind, kannst du auch eine etwas dickere Welle irgendwo hinter der Leinwand senkrecht oder waagrecht antreiben. Durch geschickte Positionierung einfacher Umlenkrollen kann so jedes Seil an einer anderen Position der Welle gerade aufgewickelt werden.

Wo wir gerade von „gerade“ sprechen…

Es ist wichtig, dass das letzte Stück des Seils an beiden Enden immer möglichst parallel zur Zugrichtung verläuft. Eine leichte seitliche Abweichung ist über den Großteil der Strecke nicht weiter schlimm. Sobald der Befestigungspunkt des Seils am zu ziehenden Objekt aber sehr nah an die erste Umlenkrolle kommt und diese seitlich versetzt ist, wird das Seil zunehmend schräg gezogen. Dadurch verändert sich die zu ziehende Strecke im Verhältnis zum tatsächlich zurückgelegten Weg der Maskierung.

Klar soweit? Hier lieber eine Zeichnung:

Das führt dazu, dass die Maskierung für die letzten paar Zentimeter vor Anschlag zunehmend schneller fährt, wofür aber mehr Kraft benötigt wird. Solche Ungenauigkeiten willst du nicht haben, glaub mir.

Bowdenzüge

Eine andere Antriebsmechanik, die mir während meinen Überlegungen eingefallen ist, kommt etwas solider daher als einfache Seile. Mit Bowdenzügen lassen sich auch Sachen ziehen. Du weißt schon, die Dinger von der Fahrradbremse.

Aufwickeln ist hier allerdings nicht drin, deshalb brauchst du irgend eine Form von Linearantrieb. Du kannst 4 Bowdenzüge in die Ecken der Leinwand verlegen und mit den beweglichen Teilen verbinden. Die anderen Enden hängen direkt am Antrieb. Das erspart dir die Umlenkrollen und wirkt insgesamt etwas stabiler.

Der Nachteil ist, dass Bowdenzüge nur ziehen können, aber nicht schieben. Ihr Vorteil liegt eher in der großen Kraft, die darüber übertragen werden kann. Der Rückzug müsste also über eine Feder oder ein Gegengewicht erfolgen – oder alternativ über jeweils einen weiteren Bowdenzug. Das fand ich dann zu umständlich, so dass diese Lösung keinen erkennbaren Vorteil mehr gegenüber einem Seilzug zu haben schien.

Zug- und Schubmechaniken

Werfen wir lieber einen Blick auf einige wirkliche Alternativen, sofern man solchen Mechaniken nicht abgeneigt ist.

Gewindespindeln

Mit Gewindespindeln oder Gewindestangen kannst du ziemlich gut Zeug ziehen und schieben. Du musst einfach nur die Gewindespindel drehen und was auch immer mit dem Schlitten darauf verbunden ist, wird mit ihm mitfahren.

Der Vorteil liegt in der sehr hohen Kraftübertragung bei gleichzeitiger Blockierung jeglicher manueller Einflüsse in der entgegengesetzten Richtung. Nachteilig ist unter Umständen ein möglicherweise gut hörbares Laufgeräusch: der Antrieb muss gut geschmiert werden.

Meine erste Idee war eine durchgehende senkrechte Gewindestange auf jeder Seite der Leinwand, die gleichzeitig die obere und die untere Maskierung nach außen schiebt oder nach innen zieht. Das würde aber eine Stange erfordern, die an einem Ende ein Rechtsgewinde hat und am anderen ein Linksgewinde. Das ist ziemlich unmöglich zu beschaffen.

Daher kämen für so einen Direktantrieb nur 4 separate Gewindespindeln in Frage. Diese über die relativ große Entfernung von über 2 Metern parallel anzutreiben dürfte ziemlich sportlich werden. Deshalb kommt hier wohl am ehesten eine Lösung mit 4 separaten Motoren in Frage, die gleichzeitig angesteuert werden. Viele Motoren, viel Lärm.

Zahnstangen

Ähnliches gilt für Zahnstangen. Du müsstest eine Zahnstange an den 4 beweglichen Teilen der Maskierung befestigen und diese mit einem kleinen Zahnrad antreiben. Auch hierfür kommt nur ein Direktantrieb mittels 4 separater Motoren in Frage.

Die notwendigen Teile, also Zahnstangen oder (auch ausreichend) Zahnriemen sowie Zahnräder gibt es im Umfeld der 3D-Drucker. Die Beschaffung ist also nicht das größte Problem.

Hier muss eher alles genau am richtigen Ort sein. Du hast keinen nennenswerten Spielraum. Eine Abweichung von < 1 mm genügt, damit die Zähne nicht mehr richtig ineinander greifen. Bei der Lösung mit der Gewindespindel ist das ähnlich: Ungenauigkeiten wirken sich da aber eher durch Schwergängigkeit und erhöhte Laufgeräusche aus.

Man muss also schon sehr gute Gründe oder eine besonders patente Lösung haben, um das so umzusetzen. Im Zweifelsfall ist es immer besser, die beweglichen Teile (Antrieb und Maskierung) jeweils für sich genommen beweglich zu machen und möglichst lose (aber mit wenig Spiel) miteinander zu verbinden.

Schubstangen

Eine letzte Antriebsmechanik möchte ich hier noch vorstellen, die etwas ungewöhnlich aber dafür ausgesprochen elegant ist.

Dabei wird die Maskierung auf jeder Seite von einer Stange oder etwas ähnlichem gehalten. Die beiden Stangen jeder Seite verlaufen ungefähr im 45°-Winkel (variabel) und treffen sich in der Mitte der Leinwand, wo sie gemeinsam an einem horizontal beweglichen Fixpunkt befestigt sind.

Es wird also irgend eine Form von Schienensystem benötigt, das die Spitze der so entstandenen Dreiecke nach innen und außen schiebt. Das kann ein direkter Linearantrieb sein, zum Beispiel über eine Gewindespindel.

Ebenso können die beiden Spitzen per Seilzug zur Mitte und dort über Umlenkrollen gemeinsam nach unten gezogen werden – oder über einen Bowdenzug um die Ecke. So genügt ein einzelner Antrieb für beide Seiten. Allerdings ist die Bewegung nach außen dann nicht so einfach. Hierfür würde sich eine Feder auf jeder Seite anbieten, die die Spitze zurück zum äußeren Rand zieht.

Darüber hinaus wird zusätzlich ein Seilzug über eine Umlenkrolle benötigt, damit sich das Gewicht der Maskierungsbretter aufhebt. Anderenfalls wird die obere Maskierung immer nach unten drücken und die untere nach unten ziehen, wodurch die beiden Stangen geneigt sind, den Fixpunkt in unterschiedliche Richtungen zu verlassen. Das führt zu einem Verkanten der Mechanik.

Ich habe es bei diesen theoretischen Überlegungen belassen und den Ansatz nicht weiter verfolgt. Ein Seilzug erschien mir einfacher und kompakter.

Der eigentlich Nachteil dieser Lösung (wenn man es als solchen sehen will) ist aber, dass der Antrieb nicht linear erfolgt. Je weiter die Maskierung zur Mitte fährt, desto schneller bewegt sie sich. Für eine exakte Positionierung ist diese Antriebsmechanik also ungeeignet. Wer den Antrieb sowieso immer nur manuell stoppen möchte, kann ja aber mal darüber nachdenken.

Auswahl der passenden Mechanik

Welche Antriebsmechanik ist nun also die beste für deine Maskierung? Das lässt sich jetzt noch nicht beantworten. Denn die Mechanik ist nur ein Teil des Antriebs. Die andere wichtige Komponente ist der Motor.

Nicht jeder Motor passt zu jeder Antriebsmechanik. Das wirst du bei der weiteren Planung deiner Maskierung schnell bemerken. Aus diesem Grund werfe ich im nächsten Teil dieser Serie einen genaueren Blick auf verschiedene Motoren. Am besten schaust du dann abwechselnd in diese zwei Artikel rein, bis du eine Lösung findest.

Was tun, wenn die obere und untere Maskierung getrennt verstellbar sein sollen?

Ich weiß zwar immer noch nicht, wozu man das wollen würde, aber schauen wir mal: Beim Durchdenken der verschiedenen Mechaniken ist mir eine Sache aufgefallen:

• Es ist häufig sehr einfach, beide Maskierungen auf einer Leinwandseite gleichzeitig zu bewegen (jedoch nicht auf der anderen).
• Aber es ist sehr schwierig, die linke und rechte Seite eines einzelnen Maskierungsbretts gleichzeitig anzutreiben.

Das ist eigentlich sehr ungünstig. Denn will man mit zwei Motoren arbeiten, statt nur mit einem, wäre es sinnvoller, die beiden oberen Schienen mit dem einen verstellen zu können und die beiden unteren mit dem anderen. Anderenfalls musst du sicherstellen, dass beide Motoren immer absolut synchron laufen. Selbst geringe Abweichungen sind nicht zu vernachlässigen, weil sich diese mit der Zeit hochschaukeln und zu einer schiefen Maskierung und später zum Verkanten der Mechanik führen.

Um sie also oben mit dem einem Motor und unten mit einem anderen zu bewegen, musst du die Entfernung der beiden Schienen überbrücken. Dafür fallen die direkten mechanischen Antriebe via Gewindespindeln oder Zahnstangen weg. Auch ein Riemenantrieb kommt nicht wirklich in Frage, da die große Entfernung hier zu viel Spiel und zu große Ungenauigkeiten zur Folge hätte.

Die beste Lösung ist daher also ein Seilzug. Durch den getrennten Antrieb entfällt aber der große Vorteil, dass sich das Gewicht der Maskierungsbretter gegenseitig aufhebt. Du musst die Maskierungen dann wirklich ziehen, wodurch möglicherweise immer eine der beiden langsamer ist. Abhilfe würden Gegengewichte schaffen.

Kurzum: jede Menge Gründe, weshalb sich der getrennte Antrieb nicht lohnt.

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Ich habe mit Sicherheit die eine oder andere Lösung vergessen – aber die Möglichkeiten sind ja zumindest theoretisch ohnehin grenzenlos. Wenn dir eine tolle Lösung einfällt oder du sogar schon eine gebaut hast, lass es mich bitte wissen. Ich ergänze diesen Artikel sehr gerne.