Fast reibungslos:

Präzisionskugellager für die Feinmechanik

Das Kugellager wird außer in der Uhrenindustrie auch in vielen anderen Präzisionsanwendungen eingesetzt. Bild: MPS

Kugellager gehören zu den wichtigsten Grundbausteinen der modernen Mechanik. Sie finden sich überall, wo Reibung eher unerwünscht ist, also in der Automatikuhr ebenso wie im Jumbojet, im Mikro-Aktuator für Arzneimittelpumpen oder in der mehrere Stockwerke hohen Druckmaschine. Die Qualität eines Lagers hängt dabei entscheidend von der Qualität seiner Kugeln ab.

Der prinzipielle Aufbau eines Kugellagers ist einfach. Es besteht aus einem Außenring mit einer Führung oder Rinne für die Kugeln, dem Käfig, der die Kugeln in bestimmten Abständen hält, und einem Innenring, eventuell ebenfalls mit Führung. In manchen Fällen kommen dann noch Dichtscheiben dazu. Die Kugeln rollen bei einer Drehung des Außenrings in der Mitte mit, während der Innenring stehen bleibt. Auf diese Weise dreht sich ein Rad ganz leichtgängig, scheinbar ohne großen Kraftaufwand und nahezu reibungsfrei. Das entscheidende Bauteil in einem solchen Lager ist die Kugel, weil sie den größten Teil der Belastung aufnehmen muss und dabei nur in je einem Punkt einen der beiden Ringe berührt. Das gilt gleichermaßen für die ganz großen wie für die ganz kleinen Lager, z.B. in Armbanduhren:

Feinmechanische Tausendsassas: Automatikuhren

Hochwertige Automatikuhren werden in vielen Ländern hergestellt. Doch das Synonym für die mechanische Zeitmessung auf Weltniveau ist und bleibt die „Schweizer Uhr“. Der Vorsprung der Eidgenossen beruht auf langer Tradition, umfangreichem Know-how sowie einer breit gefächerten Infrastruktur an erfahrenen und kompetenten Zulieferfirmen. Doch vor allem rührt er von der aufwendigen Feinmechanik her, die die edlen Schweizer Stücke zu kleinen Höchstleistungsmaschinen macht. In den Uhrengehäusen lässt sich eine Vielzahl unterschiedlicher Funktionen unterbringen, angefangen von Komplikationen wie Stoppuhr und ewigem Kalender zum sogenannten Tourbillon, der sogar den Einfluss der Erdanziehungskraft auf die Ganggenauigkeit ausgleichen kann. Dazu muss eine Vielzahl beweglicher Teile präzise und zuverlässig zusammenarbeiten, damit die Uhren dauerhaft und genau funktionieren.

Perfekte Kugelform bei 0,14 mm Durchmesser

Bei den Schweizer Automatikuhren spielt dabei der Rotor, der die Uhrenfeder bei Armbewegungen des Trägers in kleinen Schritten „aufzieht“, eine wesentliche Rolle. Der Kugellagerrotor gilt hier als Standard. Die winzigen Kugeln in seinem Lager stammen meist ebenfalls aus der Schweiz. Denn für die Herstellung kleiner und kleinster Kugeln mit minimaler Toleranz hat die FAULHABER-Tochter MPS im schweizerischen Biel über viele Jahrzehnte Erfahrungen gesammelt und eine eigene Technologie entwickelt.

Das Grundmaterial für die Präzisionskugeln besteht aus Abschnitten von gezogenem Edelstahldraht oder mittlerweile auch aus keramischem Zirkonoxid-Granulat. Die extrem harte und verschleißfeste Keramik hat inzwischen in vielen derartigen Rotorlagern Einzug gehalten, weil Stahlkugeln regelmäßiger Schmierung bedürfen. Die Fertigung verläuft jedoch bei beiden Materialien ähnlich:

Der körnige Rohstoff wird zunächst auf Schleifscheiben mit präzise geformten Rillen bearbeitet. Es ist ein vielstufiger Prozess mit immer feiner schleifenden Scheiben. Je nach Größe kann es bis zu mehreren Wochen dauern, bis Drahtstückchen oder Keramikgranulat die perfekte Kugelform erreicht haben. Die maximale Abweichung bei Durchmesser, Rundheit und Rauheit der Oberfläche liegt dann im Nanometerbereich.

Geprüft auf Herz und Nieren

Im Jahr verlassen 35 bis 40 Millionen Kugeln das Werk in Biel, von denen die kleinsten einen Durchmesser von lediglich 0,14 Millimetern haben. Sie alle durchlaufen eine mehrstufige Endkontrolle. Bild: MPS

Im Jahr verlassen 35 bis 40 Millionen Kugeln das Werk in Biel, von denen die kleinsten einen Durchmesser von lediglich 0,14 Millimetern haben. Sie alle durchlaufen eine mehrstufige Endkontrolle.

Im Jahr verlassen 35 bis 40 Millionen Kugeln und Kügelchen das Werk in Biel, von denen die kleinsten einen Durchmesser von lediglich 0,14 Millimetern haben. Sie alle durchlaufen eine mehrstufige Endkontrolle. Der letzte Schritt ist dabei die Sichtprüfung unter dem Mikroskop. „Obwohl wir in unserer Qualitätskontrolle die beste verfügbare Messtechnik verwenden, ist dieser Schritt unverzichtbar“, betont Véronique Athané Ryser, Leiterin der Fertigung in Biel. Dabei lassen die Fachkräfte eine Charge Kugeln in einer kleinen Schale hin und her rollen. Ihre geschulten Augen entdecken dabei eventuell verbleibende Abweichungen und Auffälligkeiten.

Um diese Kugeln als zentrale Komponenten entstehen dann zahlreiche verschiedene Lager und Systeme in kleinen Dimensionen. Das kleinste Kugellager hat beispielsweise einen Außendurchmesser von lediglich 1,28 Millimetern. Auch das Lagergehäuse wird im eigenen Haus gefertigt. Schließlich sind hier Qualität und Präzision ebenfalls obligatorisch. Schlussendlich werden dann die Einzelteile des Gehäuses und die Kugeln in Handarbeit von hochspezialisierten Mitarbeitern zusammengefügt.

Von der Uhr in den Körper: Arzneimittelpumpen

Miniatur-Präzisionslager werden zum Beispiel für die spiel- und schmierfreier Lagerungen in Gyroskopen mit Drehgeschwindigkeiten von fast 5.000 Umdrehungen/Minute eingesetzt. Das abgebildete System ermöglicht erhebliche Energieeinsparungen bei nahezu unbegrenzter Lebensdauer. Bild: MPS

Miniatur-Präzisionslager werden zum Beispiel für die spiel- und schmierfreier Lagerungen in Gyroskopen mit Drehgeschwindigkeiten von fast 5.000 Umdrehungen/Minute eingesetzt. Das abgebildete System ermöglicht erhebliche Energieeinsparungen bei nahezu unbegrenzter Lebensdauer.

Die kleinen Kugellager aus der Schweiz haben sich mittlerweile viele weitere Anwendungsbereiche erschlossen. MPS integriert beispielsweise Keramik-Lager in den Pumpenkopf für Arzneimittelpumpen. „Keramik verhält sich im menschlichen Körper neutral. Ein Lager, das ohne Schmierung auskommt und keine potentiell schädlichen Metallionen absondert, kann also chirurgisch implantiert werden.“ erläutert die Produktionsleiterin. Außerdem gibt es praktisch keinen Verschleiß, dementsprechend lang halten die Lager. Die implantierbare Arzneipumpe, die so entstehen konnte, wurde inzwischen mehr als 250.000 Menschen eingepflanzt. Sie wird vor allem bei chronischen Schmerzen genutzt. Die Patienten können dank automatischer und präzise dosierter Gabe des Schmerzmittels wieder ein weitgehend normales Leben führen.

Neben den Uhrenherstellern und der Medizintechnik gehören die Sicherheitstechnik und die Industrie im Allgemeinen zu den Abnehmern ähnlicher Systeme. Dazu gehören z.B. eine Hochgeschwindigkeitsspindel für die Glasbearbeitung, ein Kugeldifferenzial für ein Fokussierungssystem, ein linearer Messkopf, unterschiedliche Kugelrollspindeln, ein Stellantrieb für Raketenleitwerke sowie ein Hexapod zur sicheren Positionierung von Fixierungsschrauben in der Wirbelsäule. Die gemeinsamen Nenner sind – neben dem Hightech-Kugellager, das die meisten Systeme enthalten – höchste Präzision, Qualität und Zuverlässigkeit, wie man sie auch von den feinsten Schweizer Uhren kennt.

Über die MPS Micro Precision Systems AG
Die MPS Micro Precision Systems AG wurde 1936 unter dem Namen RMB im schweizerischen Biel gegründet und gehört seit 2003 zur FAULHABER Group. Sie produziert feinmechanische Präzisionskugellager und Präzisionssysteme, unter anderem für die Uhrenindustrie, die Medizintechnik sowie für die Luft- und Raumfahrt. Kugellager von RMB sind bereits mit der Apollo-Mission zum Mond geflogen. MPS stellt die kleinsten Kugellager her, die auf dem Markt erhältlich sind.

Alle Bilder: MPS

Dipl Ing. (BA) Andreas Seegen

Leiter Marketing bei FAULHABER

Ellen-Christine Reiff

Ellen-Christine Reiff

Studium der deutschen Philologie, danach tätig bei Theater und Fernsehen, seit 1986 freie Journalistin beim Redaktionsbüro Stutensee mit Schwerpunkt Optoelektronik, elektrische Antriebstechnik, Elektronik und Messtechnik.

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