Höchste Präzision für Mikrobauteile

insight 1/2019

In einer einfachen mechanischen Armbanduhr sind rund 130 Teile verbaut. In der wohl komplexesten Uhr, der Calibre 89 von Patek Philippe, stecken sogar 1728 Komponenten. Die Strausak Mikroverzahnungen AG produziert Maschinen, die kleinste Teile verzahnen oder rollieren. Für die präzise Steuerung der Prozesse sorgen Produkte von Siemens. 

 

Weniger als einen Millimeter Durchmesser und sieben Zähne – wer das winzige Zahnrad mit blossem Auge sieht, hält es für ein Staubkorn. Erst mit einer zehnfachen Lupe werden die feinen Strukturen erkennbar. In solchen Dimensionen bewegen sich die Teile, die von den Präzisionsmaschinen der Strausak Mikroverzahnungen AG für die Uhrenindustrie bearbeitet werden. In einer mechanischen Uhr sind – je nach Fabrikat – zehn bis 50 winzige Zahnräder verbaut. Durch ihre Mitte geht senkrecht eine feine Achse, die auf beiden Seiten kleine Zapfen aufweist – der Fachmann nennt sie Pivot. Diese sind zwischen 0.08 – 0.50 mm dünn und meist an beiden Enden angespitzt. Der Uhrmacher passt die Zapfen in eine Bohrung in einem Rubin ein. Damit ist das Zahnrad gelagert und kann sich im Uhrwerk drehen.



Rollieren für maximale Oberflächengüte

 

Bei diesen winzigen Dimensionen ist höchste Präzision gefragt. Das Zahnrad muss in der Uhr absolut rund laufen und zwischen Zapfen und Rubin darf es möglichst keine Reibung geben. Dazu muss die Oberfläche des Zapfens eben und regelmässig sein. Mit herkömmlichen Schleif- oder Polierprozessen lässt sich die geforderte Masshaltigkeit und Oberflächengüte nicht erreichen. In der Uhrenindustrie wird daher das Verfahren des Rollierens angewendet – eine Mischung aus Material abtragen und Verdichten: Die Rollierscheibe, eine Hartmetallscheibe mit winzigen Kerben, dreht wie bei einer Rundschleifmaschine mit 1000 bis 1500 Umdrehungen pro Minute. Sie wird mit einer dosierten Kraft von bis zu fünf Kilogramm auf den Zapfen gepresst. Die Kerben in der Rollierscheibe sorgen dafür, dass vorstehendes Material abgetragen wird. Gleichzeitig wird der Zapfen durch den Druck der Scheibe verdichtet. Um rundum die gleiche Oberflächengüte zu erreichen, wird das Werkstück während seiner Bearbeitung um die Längsachse gedreht. Das Resultat ist beachtlich: Stellt man sich die Oberfläche als Berglandschaft in einer Mikrowelt vor, hätte ein Wanderer von den Tälern auf die Gipfel nur gerade eine Höhendifferenz von 0,05 Mikrometern – weniger als ein Tausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares – zu überwinden. Mit dem Rollieren wird nicht nur die Oberfläche veredelt. Die Verdichtung macht die Zapfen härter und stabiler.



Bewährte Mechanik – neue Elektronik

 

Die Maschinen von Strausak Mikroverzahnungen bearbeiten die Zapfen an beiden Seiten des Zahnrads gleichzeitig. Sie sind mit zwei so genannten Rollierquillen – so wird die Spindel mit der Rollierscheibe genannt – ausgerüstet. Befestigt sind sie in einem stabilen Gussrahmen. «Damit erreichen wir die geforderte hohe Genauigkeit. Die massive Konstruktion bewährt sich seit 50 Jahren», erklärt Markus Alaimo, Techniker in der Entwickung bei Strausak Mikroverzahnungen. «An der Mechanik wollten wir nichts ändern, doch die elektrischen Komponenten waren in die Jahre gekommen.» Die Techniker unterzogen die Rolliermaschine daher einem Retrofit und erneuerten alle elektrischen Komponenten. Heute steuert eine Simatic ET200SP von Siemens den Produktionsprozess. Für die vier Motoren ist je ein Sinamics Servoantrieb installiert. «Bei diesen Antrieben braucht es nur noch ein Kabel zum Motor. Das spart Platz und vereinfacht die Montage» erklärt Stefan Zürcher, Produktmanager Antriebstechnik bei Siemens. «Zudem sind die Komponenten kompakt.» Der Schaltschrank ist im Sockel eingebaut, auf dem die Maschine steht. Dieser ist deutlich breiter und länger als die Maschine. Alaimo: «Der Schaltschrank bestimmt die Grösse des Sockels. Wenn bei einem Kunden viele Maschinen in der Produktionshalle stehen, ist dies ein entscheidendes Argument.» Im Schaltschrank ist daher alles eng aneinandergebaut.

Mit der neuen Steuerung ist das Einrichten deutlich einfacher und wir sparen Zeit.
Simon Andres, Geschäftsführer Andres Antriebstechnik AG

Einfache Inbetriebnahme 

 

Strausak Mikroverzahnungen arbeitet bei der Entwicklung eng mit den Endkunden zusammen. Beim Retrofit der Rolliermaschine war Andres Antriebstechnik AG von Anfang an involviert. Das Familienunternehmen stellt seit 1986 mit Maschinen von Strausak Mikroverzahnungen Uhrenteile her. «Vor allem bei der Bedienung und beim Einrichtprozess konnten wir unsere Erfahrung einbringen und wertvolle Anregungen liefern», sagt Simon Andres, Geschäftsführer der Andres Antriebstechnik. So können die Positionen des Rollierzyklus heute zum Beispiel einfach über das Bedienpanel angefahren und direkt gespeichert werden. «Mit der neuen Steuerung ist das Einrichten deutlich einfacher und wir sparen Zeit», sagt Andres. Alaimo ist mit der Inbetriebnahme der S210-Antriebe via Webserver sehr zufrieden: «Kabel am Laptop einstecken und IP-Adresse eingeben – von da an ist alles selbsterklärend. Um die Antriebe in Betrieb zu nehmen, muss man kein Antriebsspezialist sein.»

 

Nach dem Retrofit der Rolliermaschine nehmen die Techniker bereits die nächste Anlage in Angriff. Auch dort wird das Unternehmen laut Alaimo mit Produkten von Siemens arbeiten: «Langfristig werden wir alle Maschinen auf Komponenten von Siemens umrüsten. Damit haben wir ein durchgängiges Konzept und vereinfachen die Lagerhaltung.» Alaimo setzt dabei mit der Simatic ET200SP und den Servoantrieben S210 bewusst auf Komponenten, die am Anfang ihres Produktlebenszyklus stehen.