Salz und Licht

Warum ein Mikroskop bauen?

Kein Geschöpf ist vor ihm verborgen, sondern es ist alles bloß und aufgedeckt vor den Augen dessen, dem wir Rechenschaft geben müssen.

Hebräerbrief 4,13 (LU17)

Ich bin beruflich in einem Mikroskopielabor tätig. Dort stehen einige Geräte, die preislich in die Nähe eines Einfamilienhauses kommen. So eins hätte ich gerne zuhause. Aber nachdem meine Familie und ich ein Dach über dem Kopf brauchen, kommt der Kauf eines Rasterelektronenmikroskops (REM) nicht in Frage. In einer Fachzeitschrift bin ich dann auf einen Artikel mit dem OpenFlexureMicroscope (OFM) gestoßen. Also: Selbst eins bauen. Kein REM, aber ein einfaches, günstiges Lichtmikroskop.

Was mich immer erstaunt, ist die mikroskopische Welt: Sie schaut oft sehr spannend aus – vor allem die Natur – und obwohl alles winzig ist, beeinflusst sie das, was wir wahrnehmen: Der Lotuseffekt geht auf winzige Strukturen zurück, Nanopartikel machen unsere Wände farbig und die Zahnpasta cremig, eine Oberfläche fühlt sich samtig an und so weiter.

Natürlich wird man mit dem OFM keine Nanopartikel sehen, aber man kann zumindest in die faszinierende Mikrowelt eintauchen. Und wir lernen, dass es mehr um uns herum gibt, als das, was das Augen sehen kann.

Je kleiner die Dinge sind, die wir untersuchen wollen, desto größerer Aufwand muss betrieben werden. Siehe zum Beispiel die Speicherringe des CERN, wo Teilchen mit Höchstgeschwindigkeiten durchgejagt werden, um den Aufbau der Materie zu verstehen. Da beneide ich Gott manchmal schon: Er kann alles sehen – die kleinsten subatomaren Teilchen oder die größten Überstruktruren im Universum. Er sieht auch in uns hinein. Und wir können in Ihn “hineinschauen”:

Sondern wir reden, wie geschrieben steht: Was kein Auge gesehen hat und kein Ohr gehört hat und in keines Menschen Herz gekommen ist, was Gott bereitet hat denen, die ihn lieben. Uns aber hat es Gott offenbart durch den Geist; denn der Geist erforscht alle Dinge, auch die Tiefen Gottes.

2. Korinther 2,9-11 (LU17)

Das Modell

Das Modell ist eines der aufwändigsten Projekte, die ich bisher gemacht habe. Vermutlich hätte ich nie angefangen, wenn ich gewusst hätte, dass es so eskaliert…

Das Projekt ist noch nicht ganz fertig, aber ich hab mir gedacht, nach so viel Arbeit stell’ ich mal einen Zwischenstand ein. Weitere Aktualisierungen folgen noch in nächster Zeit…

Es gibt unzählige Varianten des Mikroskops und ebensoviele Anleitungen. Es gibt viele Druckdateien, die man konfigurieren kann. Es braucht Elektronikbauteile, Minicomputer, Kabel, Software, … Ich muss ehrlich sagen, dass ich manchmal echt frustiert war. Es fehlen immer wieder Teile zum weiterbauen: Entweder die Elektronikteile kaufen/ bestellen oder neue 3D-Druckteile drucken. Andere hab ich dann doch nicht gebraucht. Fehldrucke hab ich auch einige gemacht. Andererseits hat’s dann auch wieder Spaß gemacht, zu tüfteln und ich hab viel Neues gelernt.

Eigentlich hab ich aufgrund dieser Erfahrungen gedacht: Machste eine bebilderte Anleitung. Aber nachdem ich zwischendurch so viel wieder ändern oder improvisieren musste und ich immer noch nicht fertig bin, hab ich’s dann doch gelassen, weil’s nur verwirrend werden würde. Meine Empfehlung: Lies viel drüber in den Foren und Herstellerseiten. Schau Dir Youtube-Videos an. Such Dir genau ein Modell aus, dass Du nachbaust, alles andere wird ein Durcheinander.

Ich hab am Ende des Beitrags die Teileliste für mein Mikroskop geschrieben und Tipps dazugefügt.

Wer Lust auf ein kleines, technisches Abenteuer hat, der soll sich gerne dran wagen! Man lernt Geduld und Durchhaltevermögen. Es lohnt sich auch – siehe Fotos! Meine Kids sind auf jeden Fall fasziniert und präparieren und fotografieren Proben wie wild.

Viel Spaß dabei!

Aktuelles

Start des Projektes am 21.11.2020: Erste Drucke. Lerneffekt: Beim Mainbody auf KEINEN Fall Support verwenden… Weitere Drucke folgen in den nächsten Tagen und Wochen. Dann erst mal lange Pause.

Stand März 2021: Erste Versuche mit der Elektronik und dem Zusammenbauen. Zwei Teile (einen Unterbau für die Schrittmotorelektronik) hab ich dann selbst noch mit dem Blender entworfen. Wieder was gelernt.

Stand am 21. April 2021: Mikroskop ist fertig (im Prinzip). Die Kamera läuft (1920×1080 Pixel). Die Schrittmotoren noch nicht. Die Bildqualität muss noch optimiert werden. Nachdem ich anscheinendend zu…äh…doof bin, die Mikroskopsteuersoftware auf meinem Raspberry zum Laufen zu bringen, hab ich mir selbst was in Python geschrieben. Tja, so schnell kommt man dann zu einer neuen Programmiersprache… Einige Problemchen sind noch zu lösen. Aber das wird schon.

Stand am 09. Mai 2021: Die Steuerungssoftware hab ich aufgemotzt. Das Mikroskop ist kalibriert (die Länge des µ-Markers bleibt immer gleich). Das heißt, ich kann jetzt tatsächlich in den Bilder Messungen vornehmen. Die Bildbreite erstreckt sich von 155 µm (ca. 2 Haaresbreiten) bis 760 µm. Die Auflösung muss ich noch bestimmen. In der Ansicht gibt es einen µ-Marker bzw. eine Databar mit Aufnahmedaten. Python bekomm ich langsam – mit Hilfe etlicher Foren – in den Griff… Was noch bleibt, ist die Motorsteuerung. Das wird noch lustig.

Die Kalibriergerade, ein Beispielbild mit dem Kalibriermaßstab und unten ein Fliegenflügel mit dem µ-Marker:

Stand 22.05.2021: Prinzipiell funktionieren die Schrittmotore! Nur der Z-Trieb zickt in eine Richtung. Warum auch immer. Und ich habe festgestellt: Man braucht kein Arduino-Controllerboard für die Ansteuerung. Es geht auch per Raspberry Pi direkt.

Hurra! Der historische Tag! 25. Mai 2021! Es ist fertig! Der Z-Trieb geht jetzt auch (hab andere Pins am Raspberry genommen). Das ist schön!

Jetzt kanns mit dem Mikroskopieren endlich richtig losgehen. Das heißt: Die nächsten Wochen werd ich immer wieder mal neue Bilder hochladen…

Die Druckdaten

• Drucker: Creality Ender 3D
• Filament: PLA, 1,75 mm, Farbe nach Belieben
• Layer/ Nozzle: 0,2 mm bzw. 0,16 mm/ 0,4 mm
• Materialverbrauch: ca. 400 g (mit Fehlversuchen ca. 950 g…)
• Druckdauer: ca. 56 h
• Support: keiner
• Infill: 20% – 35%
• Speed: 65 mm/s
• Modell von: Openflexure

Die Bilder

Das Mikroskop

Was es kann

Erste Bilder

Eindrücke vom Zusammenbau

Die Materialliste

Druckdateien

• actuator_assembly_tools.stl
• camera_platform_picamera_2_LS65.stl
• feet.stl
• gears.stl
• illumination_dovetail.stl
• just_leg_test.stl (zum Testen der Druckeinstellungen)
• lens_spacer_picamera_2_pilens_LS65.stl
• main_body_LS65-M_brim.stl
• picamera_2_gripper.stl
• picamera_2_lens_gripper.stl
• small_gears.stl
• Unterbau für Mikroskop (eigener Entwurf)

Elektronik und sonstige Bauteile

• 3x Schrittmotoren (Step Motor 28BYJ-48)
• Netzteil 5V als seperate Stromversorgung für Motoren (Überhitzung des Raspberry PI)
• Raspberry Pi 4 Camera V2
• Beleuchtung: LED, weiß, Widerstand 68 Ohm, Kabel
• 6x Schrauben M4x6mm Linsenkopf (für Motorenbefestigung)
• 2x Schrauben M3x8mm + Muttern (für Dovetail-Befestigung)
• 3x Schrauben M3x25mm + Beilagscheiben + Muttern (für die Thumbwheels)
• 3x O-Ringe 30 mm x 2 mm (am besten ein paar Ersatzringe, da sie leicht reißen können)
• Kabel USB – Mini-USB
• Raspberry PI4 B Computer, 2 GB RAM
• 16 GB-Mini-SD-Karte (für Betriebssystem des Raspberry)
• Originalnetzteil für Raspberry PI Computer
• diverse Schrauben und Muttern M1,5/ M2/ 2,5
• Klebeband
• (geg. HDMI-Kabel, Bildschirm, Maus und Tastatur)
• Unterbau für Mikroskop: Schrauben 4x M1x3 und  6x M4x6

Software

• Operating System für den Raspberry Pi
• OpenFlexureConnect für Verbindung PC – Mikroskop (ging bei mir nicht…)
• Konstruieren von Modellen: Blender
• Slicen der STL-Files: Ultimaker Cura

Werkzeug

• Schraubenzieher
• Inbus-Schlüssel
• Akkuschrauber + Bohrer
• Stanley-Messer
• Lötkolben + Lötzinn

Zum Mikroskopieren

• Objektträger
• Deckgläser
• kleines Skalpell
• Pinzette

Tipps

=> Hier startet man – auf der offiziellen OpenFlexure-Homepage.

=> der Arduino ist nicht notwendig zur Steuerung. Der Raspberry kann direkt die Motoren ansteuern. Siehe hier.

=> Das Zusammenbauen ist – naja – etwas schwierig. Eine Anleitung, die mir bei meinem Mikroskop sehr geholfen hat, ist diese, da hat’s dann bei mir “Klick” gemacht:

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