Mechanical Solar System //Astronomical model

Mechanical Solar System with Hand Crank

This mechanical solar system displays the eight planets on individually moving arms. The entire planetary mechanism is driven by a hand crank on the side. The model is inspired by historical orreries but has been designed entirely for FDM 3D printing and assembly without metal bearings or additional hardware, apart from an occasional drop of glue.

The distances between the planets and their orbital speeds are not astronomically to scale, keeping the model printable and reasonably compact. However, the different gear sizes produce visibly different rates of movement.

Model Construction

The base plate supports the central guide for the planetary gear assembly, the worm drive, and the drive shaft supports. A print-in-place ball bearing for the vertical drive shaft is integrated into the base. The outer race is fixed to the base plate, while the inner race and nine balls are printed in place as movable components.

Recommended Assembly Sequence

1. Carefully free the print-in-place ball bearing in the base plate and check that it rotates freely.

2. Slide the front bayonet bearing support onto the worm shaft.

3. Insert the bearing support and shaft into the base plate and lock them by turning them 90° counterclockwise.

4. Pass the shaft through the fixed rear bearing support and secure it with the PETG retaining ring.

5. Fit the crank onto the extended square end of the shaft.

6. Slide the rotating handle onto the crank pin and secure it with the snap-on ring.

7. Insert the vertical drive shaft into the inner race of the ball bearing.

8. Install the worm wheel and check that the worm and worm wheel mesh correctly.

9. Install the lowest planet gear, for Neptune, together with its thrust washer.

10. Install the remaining gear-and-sleeve assemblies in the following order: Uranus, Saturn, Jupiter, Mars, Earth, Venus, and Mercury.

11. Fit the corresponding planet arms onto their sleeves.

12. Insert the planets into the holes in the arms.

13. Fit the Sun onto the central guide tube.

14. Turn the crank slowly at first and observe all gear engagement points.

Printing Notes

A layer height of 0.20 mm is suitable for most components. The gears, worm, worm wheel, and smaller fitted connections can also be printed at 0.16 mm for a cleaner surface finish. Three to four wall lines and approximately 20–30% infill are sufficient for this model. Four wall lines are recommended for the crank and both drive shafts.

The retaining rings should be printed in PETG, as PLA may be too brittle. Avoid spreading the rings more than necessary when fitting them. Instead, slide them onto the shaft over the tapered lead-in. A little oil or grease can make assembly easier. Alternatively, soften the rings in hot water before clipping them into place.

The gears normally require only light deburring after printing. Lubrication is not essential. If desired, a very small amount of PTFE dry lubricant can be used. Oil or grease can attract dust and should therefore be applied sparingly.

Functional Check

Before completing the assembly, test the worm drive on its own. When you turn the crank, the worm wheel should move smoothly without rubbing against the fixed bearing support, thrust collar, or base plate. Then add the planet gears one at a time, turning the crank again after each new gear stage is installed. This makes it easy to identify any gear or sleeve that may need deburring.

Please do not force the crank. A sudden increase in resistance usually indicates a jammed sleeve, an incorrectly fitted thrust washer, or a section of the print-in-place bearing that has not yet been fully freed.

About the Model

This model is intended as a mechanical demonstration piece and decorative display. Planet sizes, orbital distances, and orbital periods are not to scale. The design has been checked geometrically and prepared for FDM printing, but it has not yet been physically tested with every possible combination of printer, material, and slicer. In particular, the clearances in the integrated ball bearing and sleeves may require minor adjustments depending on the dimensional accuracy of your printer.

Mechanisches Solarsystem mit Handkurbel

Dieses mechanische Solarsystem zeigt die acht Planeten auf einzeln bewegten Armen. Der gesamte Planetenmechanismus wird über eine seitliche Handkurbel gedreht. Das Modell orientiert sich grundsätzlich an historischen Orreries, wurde jedoch vollständig für den FDM-3D-Druck und eine Montage ohne Metalllager oder extra Zubehör konstruiert, ausser hier und da ein Tropfen Kleber.

Die Planetenabstände und Umlaufgeschwindigkeiten sind aus Gründen der Druckbarkeit und der überschaubaren Modellgröße nicht astronomisch maßstäblich. Die unterschiedlichen Zahnradgrößen erzeugen aber sichtbar voneinander abweichende Bewegungen.

Aufbau des Modells

Die Grundplatte trägt die zentrale Führung des Planetengetriebes, den Schneckenantrieb und die Lagerung der Antriebswellen. In die Basis ist ein Print-in-Place-Kugellager für die senkrechte Antriebswelle integriert. Der Außenring ist fest mit der Grundplatte verbunden. Der Innenring und die neun Kugeln werden beweglich mitgedruckt.

Empfohlene Montagereihenfolge

Print-in-Place-Kugellager in der Grundplatte vorsichtig lösen und auf freien Lauf prüfen.

Vorderen Bajonett-Lagerbock auf die Schneckenwelle schieben.

Lagerbock und Welle in die Grundplatte einsetzen und um 90° gegen den Uhrzeigersinn verriegeln.

Welle durch den festen hinteren Lagerbock führen und mit dem PETG-Sprengring sichern.

Kurbel auf den verlängerten Vierkantzapfen stecken.

Drehbaren Handgriff auf den Kurbelzapfen schieben und mit dem Snap-on-Ring sichern.

Senkrechte Antriebswelle in den Innenring des Kugellagers einsetzen.

Schneckenrad montieren und den Eingriff zwischen Schnecke und Schneckenrad kontrollieren.

Unterstes Planetenrad für Neptun mit seiner Anlaufscheibe einsetzen.

Die weiteren Zahnrad-Hülsen in der Reihenfolge Uranus, Saturn, Jupiter, Mars, Erde, Venus und Merkur montieren.

Die zugehörigen Planetenarme auf ihre Hülsen stecken.

Planeten in die Löcher der Arme einsetzen.

Sonne auf das zentrale Führungsrohr stecken.

Kurbel zunächst langsam drehen und alle Zahnradkontakte beobachten.

Druckhinweise

Für die meisten Teile eignet sich eine Schichthöhe von 0,20 mm. Zahnräder, Schnecke, Schneckenrad und die kleineren Steckverbindungen können für eine sauberere Oberfläche auch mit 0,16 mm gedruckt werden. Drei bis vier Wandlinien und etwa 20 bis 30 Prozent Infill sind für das Modell ausreichend. Für die Kurbel und die beiden Antriebswellen sind vier Wandlinien empfehlenswert.

Die Sicherungsringe sollten aus PETG gedruckt werden, PLA kann zu spröde sein. Beim Aufclipsen die Ringe nicht unnötig weit aufbiegen, sondern über den vorgesehenen konischen Anlaufbereich auf die Welle schieben, etwas Öl oder Fett erleichtert die Montage. -Alternativ in heißen Wasser weich machen und dann aufclipsen.

Die Zahnräder benötigen nach dem Druck normalerweise nur eine leichte Entgratung. Schmiermittel ist nicht zwingend erforderlich. Falls gewünscht, kann eine sehr kleine Menge PTFE-Trockenschmierstoff verwendet werden. Öl oder Fett kann Staub binden und sollte deshalb nur sparsam eingesetzt werden.

Funktionsprüfung

Vor der vollständigen Montage sollte zuerst nur der Schneckentrieb getestet werden. Das Schneckenrad muss sich beim Drehen der Kurbel gleichmäßig bewegen, ohne am festen Lagerbock, am Anlaufbund oder an der Grundplatte zu schleifen. Anschließend werden die Planetenräder einzeln ergänzt. Nach jeder neuen Getriebestufe sollte die Kurbel erneut gedreht werden. So lässt sich unmittelbar erkennen, welches Zahnrad oder welche Hülse gegebenenfalls entgratet werden muss. Die Kurbel bitte nicht mit Gewalt drehen. Ein plötzlicher hoher Widerstand weist normalerweise auf eine verklemmte Hülse, eine falsch eingesetzte Anlaufscheibe oder einen noch nicht vollständig gelösten Bereich des Print-in-Place-Lagers hin.

Hinweis zum Modell

Das Modell ist als mechanisches Anschauungs- und Dekorationsmodell gedacht. Planetengrößen, Bahnabstände und Umlaufzeiten sind nicht maßstabsgetreu. Die Konstruktion ist geometrisch geprüft und für den FDM-Druck vorbereitet, wurde jedoch noch nicht unter allen möglichen Kombinationen aus Drucker, Material und Slicer physisch erprobt. Besonders das Spiel des integrierten Kugellagers und der Hülsen kann abhängig von der Maßhaltigkeit des verwendeten Druckers geringfügige Anpassungen erfordern.