Mechanik für stabile lineare Bewegung

[i_make_it]

Hauptanwendung ist in geschlossen, aber bestimmt nicht sehr trockenen Räumen.

Bis 50% rel. Luftfeuchte bei über 20°C besteht kein besonders großes Risiko (sonst würde in einem normalen Wohnraum in der Zeit auch alles verrosten, passiert aber nur dort wo hygroskopische Stoffe wie z.B. Salze auf blankem Stahl das Wasser anziehen).
Der genaue Zusammenhang wird über den Taupunkt geregelt.
Es ist also Druck und Temperaturabhängig ab wann die Luftfeuchte kondensiert und zum Problem wird.
Bei Anwesenheit von hygroskopische Stoffen, verschiebt sich das Ganze natürlich zum schlechteren.

Die Maschine sollte jedoch wartungsfrei funktionieren und eine Laufzeit von mindestens 3 eher 5 Jahren haben.

Laufzeit von 5 Jahren, das sind dann bis zu 3.650.000 Arbeitszyklen, ausgehend von den schon bekannten Werten.
Da Wartungsfrei zu bleiben, heist ordentlich konstruieren und die richtigen Bauteile wählen.
Die Führung eines Tintenstrahldruckers hat was die Zyklenzahl und Wartungsfreiheit angeht ähnliche Werte.
Also ein maßhaltiges, poliertes, gehärtetes Chromstahl Teil gepaart mit "for Life" geschmierten oder PTFE Gleitlagern.

Generell muss es einer Zugentlastung von mittlere Armkraft standhalten. Ich habe leider kein Kraftmesser und kann nicht genauer drauf eingehen.

Nach DIN 33411 ist die waagerechte mittlere Armzugkraft von Männern (50% der maximalen Armkraft) 100N.
Kommt jetzt auf den Kraftwinkel an welchen Werkstoff man braucht, bzw. ob das überhaupt geht.
4mm*10mm=40mm²
100N/40mm²=2,5N/mm²
Wirkt die Kraft als Zugkraft auf den 4mm*10mm*100mm Stab, ist das kein Problem. Als Querkraft kommt es drauf an auf welche Seite sie wirkt. 4mm setzen einer Kraft halt weniger entgegen wie 10mm.
https://de.wikipedia.org/wiki/Balkentheorie

Als Kraftmesser für Zugkräfte kann man eine einfache Federwaage nehmen, gibts schon ab 5€. Da lohnt sich noch nicht mal der Selbstbau.

Welche Materialien in welcher Führung mit welchem Motor würdest du dann vorschlagen?

Eine Rundführung wäre kostengünstig, aber die Krafteinleitung könnte dann nur am Ende des Stabs erfolgen.
Eine Flachführung erlaubt bei 10mm Breite des Stabs, knapp 4mm für eine Ankopplung an den Antrieb, z.B. per Zahnstange.
Bei einer Längskraft (Zug- oder Druckkraft) von 100N muß der Motor diese Kraft
(plus einiges mehr um die Beschleunigung und Endgeschwindigkeit zu erreichen) aufbringen können.
Bei einer Querkraft, wirken die 100N wie bei ener Backenbremse mit nur einem Backen. Es ist die resultierende Reibkraft zu überwinden.
Da kommte es auf die Kontaktfläche und den Reibungsbeiwert an.
Dieser ist von der Oberflächenbeschaffenheit (Rautiefe: Spiegelglatt kontra Schleifpapier) und Härte der Teile (weicher Werkstoff kann sich elastisch oder sogar plastisch verformen so das wegen Formschluß keine Bewegung mehr möglich ist) abhängig.

Bezüglich des Motors ist auch noch die Frage wie man am besten eine 3cm vor- und rückschub Bewegung realisiert die automatisch durchgeführt wird. Eventuell mit anschlag das eine Bewegung von 3 aber auch von 4 cm möglich wäre.

Wenn die Bewegung immer exakt den gleichen Hub hat und immer einganzer Zyklus stattfindet, kann man wie bei einem Motor mit Kurbelwelle (Exzenter) und Bleulstange arbeiten.
So genannte Exzenterpressen z.B. nutzen genau dieses Prinzip.
https://de.wikipedia.org/wiki/Exzenterpresse
Soll die hin und her Bewegung zeitlich jeweils unabhängig von einander stattfinden, ist diese Lösung eher ungünstig.

Bei einer Zahnstangen - Ritzel Kombination muß man anhand der äußerne Kräfte, die kräfte die Auf die Verzahnung wirken ermitteln.
Danach dimensioniert man dann die Verzahnung (abhängig vom Werkstoff, Messing ist nicht so fest wie Stahl) so das es nicht zu einem Zahnbruch kommt.
Daraus ergeben sich dann der minimale Durchmesser des Ritzels und darüber das notwendige Drehmoment des Motors.
Ist schon ein bischen Rechnerei, aber eigentlich ist das meiste nur Hebelgesetz.