Studer S33: Mannlose Rundschleifprozesse von Kleinserien

Komplettansicht der S33, auf der u.a. die Kugelumlaufspindel mannarm gefertigt werden. Im Vordergrund die Humard-Automationslösung. Programmiert werden die Schleifprozesse direkt an der Maschine.

Die über 400 Mitarbeiter starke MPS ist ein Hidden-Champion der besonderen Art. Bereits 1969 entwickelte das Unternehmen RMB (Roulements Miniatures Bienne SA) – aus dem die MPS hervorgegangen ist – Komponenten für die Apollo-Mission. Mit 250 Mitarbeitenden ist Biel der grösste Standort der MPS-Gruppe und verfügt u.a. über 140 Dreh-, Fräs-, Schleif-, Polier- und Erodiermaschinen. Manuel Nercide, zum damaligen Zeitpunkt dortiger Plant Manager und inzwischen Operations Director bei MPSm, fasst zusammen: „Unser Technologiespektrum ist vielseitig. Wenn man es auf einen Nenner bringen will, dann ist es das Fertigen und Montieren komplexer elektromechanischer Baugruppen in engsten Toleranzen für Hochpräzisionsanwendungen in High-End-Bereichen.“

Blick in die S33 mit Schleifspindelstock, der hier über zwei Außenrundschleifscheiben verfügt. Modular wäre noch eine Innenschleifspindel zusätzlich integrierbar.

Manuel Nercide
Operations Director bei MPS

„Unser Technologiespektrum ist vielseitig, wenn man es auf einen Nenner bringen will, dann ist es das Fertigen und Montieren komplexer elektromechanischer Baugruppen in engsten Toleranzen für Hochpräzisionsanwendungen in High-End-Bereichen.“

Konsequente Investitionen in Schleifmaschinen

Michael Bazzan, Production Manager bei MPS, ergänzt: „Mit sieben Studer-Schleifmaschinen verfügen wir aktuell über eine hohe Schleifkapazität, um Hochpräzisionskomponenten zu produzieren. Die Schleifmaschinen sind auf unser variierendes Losgrößen-Spektrum abgestimmt, das von der Einzelteilfertigung bis zu 25.000 Stück pro Jahr reicht.“ Entsprechend dem Losgrößenspektrum sind derzeit drei der sieben Studer-Maschinen mit einem automatischen Beladesystem ausgerüstet. Im Folgenden wird sich auf die Studer S33 zur Fertigung von Kugelumlaufspindeln und auf eine Studer S21 im Bereich einer flexiblen Fertigungszelle (Flex Cell) fokussiert.

Die Studer S21verrichtet in der flexiblen Fertigungszelle (Flex Cell) zuverlässig ihren Dienst. Hier wird eine Prototypen-Komponente (Pumpen-Rotor aus Aluminium) präzisionsgeschliffen.

Flexible Fertigungszelle für Prototypenfertigung

„Die Flex Cell wurde kürzlich in die Rundschleifproduktion als autarke Fertigungseinheit integriert, um Schleifprozesse von Prototypen und Neuentwicklungen einzurichten, ohne in die Produktion eingreifen zu müssen. Wir sind dank dieser flexiblen Fertigungszelle erheblich schneller von der Entwicklung bis zum fertigen Bauteil. Entscheidend bei der Studer S21 war, dass sie sich sehr schnell umrüsten und flexibel auf unterschiedliche Bauteile einrichten lässt. Auch Exzenterschleifprozesse sind mit der S21 realisierbar. Diesbezüglich ist die Studer S21 perfekt auf unsere Anforderungen ausgelegt“, erklärt Didier Noirjean, Flex Cell Manager bei MPS. Geht es bei der Flex Cell hauptsächlich um Prototypen, werden auf den weiteren sechs Studer-Maschinen Serienteile bearbeitet. Hierzu gehören Kugelumlaufspindeln in Hochpräzisionsausführung.

Für die Rund-um-die-Uhr-Bearbeitung: Per 3-achsigem Linearroboter werden die Rohteile und fertig bearbeiteten Kugelumlaufspindeln gehandelt.

Ulrich Weyermann
Gebietskaufmann bei Studer

„Alle sieben Studer-Maschinen bringen Tag für Tag genau die von MPS verlangte Präzision und Prozesssicherheit. Eine 24/7-Produktion mit dem von uns geforderten IT-02-Toleranzfeldern ist letztlich nur dank der extrem hohen Wiederholgenauigkeit unserer Studer-Schleifmaschinen möglich.“

Kernkompetenz Kugelumlaufspindeln

Die kleinsten Kugelumlaufspindeln verfügen über Kugeldurchmesser von 0,8 mm. Alle Komponenten werden von MPS in Eigenregie entwickelt und hergestellt, inklusive der Kugeln. Die größeren Serien der Gewindespindeln mit gotischem Gewinde werden auf einer voll automatisierten Studer S33 gefertigt. Nercide meint weiters: „Wir sind mit diesen Präzisions-Gewindespindeln u.a. in der Forschung und Entwicklung unterwegs. Die von MPS Microsystems entwickelte Expertise in der extrem sanften und präzisen Positionierung von Linsengruppen versetzt das Unternehmen in die Lage, leistungsstarke Ausrichtungssysteme für optische Komponenten wie Zoom- und Laserstrahlfokussiersysteme anbieten zu können.“

Die MPS-Hochpräzisions-Kugelumlaufspindeln werden weltweit nachgefragt und verrichten ihren Dienst unter anderem in Hochleistungs-Mikroskopen und Teleskopsystemen, um Linsen exakt zu positionieren.

Auf Kundenwunsch angepasste Systeme

MPS Microsystems Miniatur-Kugelumlaufspindeln – oder Kugelgewindespindeln – werden ausschließlich aus Edelstahl gefertigt und über Doppelmuttern positioniert, die eine Feineinstellung des Axialspiels ermöglichen. Diese oft nach Maß gefertigten Spindeln garantieren durch die hohe Präzision ihrer geschliffenen Gewinde eine nahezu reibungslose Bewegung. Apropos Maßanfertigung: Es ist eine große Auswahl an kundenspezifischen Optionen für die Kugelumlaufspindel verfügbar.

„Solche Anwendungen fordern höchste Präzision und Positioniergenauigkeit – 100 % spielfrei. Und genau hier haben unsere Spindelsysteme ihre Stärken. Wir schleifen ein sogenanntes gotisches Gewindeprofil in engsten Toleranzfeldern, dadurch können wir das Radial- und Flankenspiel auf null reduzieren“, ergänzt Julien Grosjean, Screw Grinding Manager.

Solche elektromechanischen Komponenten werden bei der MPS in Biel produziert und fertig montiert. Sie kommen bei Rückenoperation zum Einsatz, um chirurgische Instrumente hochpräzise zu positionieren.

Michael Bazzan
Production Manager bei MPS

„Mit sieben Schleifmaschinen von Studer verfügen wir aktuell über eine hohe Schleifkapazität, um Hochpräzisionskomponenten zu produzieren. “

Gotisches Gewinde: aus dem Vollen Schleifen

Die gotische Gewindeform wird direkt aus dem Vollen der gehärteten Rohlinge geschliffen. Für diese gotischen Gewindeformen wurde gemeinsam mit Studer ein Makro entwickelt. Mit diesem Makro lassen sich die Schleifparameter sehr schnell auf die jeweiligen Gewindespindeln anpassen. Ulrich Weyermann, Gebiets-Verkaufsleiter bei der Fritz Studer AG, sagt hierzu: „Bei der hier eingesetzten Studer S33 handelt es sich um eine Außenrundschleifmaschine mit Revolver-Schleifspindelstock. Konkret verfügt der hier genutzte Schleifspindelstock über zwei Außenschleifscheiben. Eine der beiden Scheiben wird für die Gewindeprofilierung genutzt, die zweite Scheibe generell für das Außenrundschleifen. “

V.l.: Das MPS-Team vor dem Studer-Schleifmaschinenpark: Didier Noirjean (Flex Cell Manager), Michael Bazzan (Production Manager), Julien Grosjean (Screw Grinding Manager), Manuel Nercide (Plant Manager) - alle MPS und Ulrich Weyermann (Gebiets-Verkaufsleiter Fritz Studer AG).

Infos zum Anwender

Die MPS Micro Precision Systems AG (MPS) ist ein Schweizer Unternehmen, das 1936 unter dem Namen RMB (Roulements Miniatures Bienne SA) gegründet und 2003 in MPS umbenannt wurde. Die Unternehmensgruppe verfügt über Expertisen auf den Gebieten der Linearkugellager und Miniatur-Kugelumlaufspindeln sowie Kompetenzen in Entwicklung, Bearbeitung und Montage elektromechanischer Systeme. Die Märkte, die MPS bedient, sind hauptsächlich die Medizintechnik, darunter insbesondere die Orthopädie, ferner die Uhrenindustrie, die Automation, die Luft- und Raumfahrt sowie Wissenschaft und Optik.

Handlingsystem für mannlose Fertigung

Um die mittelgroßen Serien wirtschaftlich zu fertigen, entwickelte das Unternehmen Humard in Zusammenarbeit mit MPS und Studer ein flexibles Handlingsystem zur automatischen Be- und Entladung der Werkstücke. „Entscheidend bei der Konzeption des Handlingsystems ist es, dass es schnell auf unterschiedliche Werkstückgeometrien angepasst werden kann, weil unsere Losgrößen variabel sind“, betont Bazzan schliesslich.

Die Studer S33 benötigt weniger als eine Viertelstunde für die Komplettbearbeitung einer Gewindespindel mit 8,0 mm Durchmesser und 120 mm Länge. Dabei wird das Gewinde mit der gleichen Schleifscheibe sowohl geschruppt als auch geschlichtet. Während des gesamten Schleifprozesses wird die Schleifscheibe mehrfach im µm-Bereich abgerichtet. Somit können mit einer Schleifscheibe über 1.000 Gewindespindeln in dieser Größenordnung geschliffen werden.

2,0 µm Fertigungstoleranz: Blick auf den Schleifprozess der Gewindespindel mit dem gotischen Gewindeprofil.

Der Abrichtprozess mit mehreren Aufgaben

Der Abrichtprozess der Schleifscheibe nimmt beim Schleifen eine wichtige Funktion ein. Zum einen wird die Form der Schleifscheibe und die Dimension kalibriert sowie drittens die Schnittigkeit der Schleifscheibe definiert. Julien Grosjean betont: „Bei den Gewindespindeln müssen wir typischerweise pro Fertigungsprozess mehrfach abrichten. Zum Abrichten ist sowohl ein Diamant als auch eine Abrichtrolle im Einsatz. Mit der Abrichtrolle kann man die Rauheit der Schleifscheibe relativ spezifisch definieren und somit den Schleifprozess und die Oberflächengüte steuern. Wir haben diesbezüglich viele Tests gemacht, bis wir das ideale Abrichtverfahren für die Schrupp- und Schlichtprozesse eruiert haben.“

Weyermann ergänzt: „Wenn man sich die Komplexität eines Schleifprozesses vergegenwärtigt und welche Dimensionen die Maschinen haben – Stichwort Wärmegang – dann ist das alles andere als selbstverständlich, dass wir in IT-02-Toleranzen mannlos fertigen. Alle sieben Studer-Maschinen bringen Tag für Tag genau die von MPS verlangte Präzision und Prozesssicherheit. Eine 24/7-Produktion mit den von uns geforderten IT-02-Toleranzfeldern ist letztlich nur dank der extrem hohen Wiederholgenauigkeit unserer Studer-Schleifmaschinen möglich.“

Investitionen reduzieren Produktionskosten

Abschließend wirft Nercide einen vergleichenden Blick auf die Vergangenheit: „Vor sieben Jahren machten wir 2.000 bis maximal 5.000 Spindeln, heute produzieren wir 50.000 Spindeln pro Jahr. Wir haben nicht zuletzt dank der Investition in moderne Schleifmaschinen unsere Fertigungskosten kontinuierlich reduziert. Vor sieben Jahren waren wir vier Mal teurer in der Produktion. Investitionen in moderne Produktionsmittel sind aus dieser Sicht entscheidend, um zukunftsfähig zu bleiben. Letztlich muss unsere Produktion den qualitativen und quantitativen Ansprüchen unseres Produktspektrums genügen. Im Rundschleifbereich sind wir diesbezüglich, nicht zuletzt wegen der kontinuierlichen Investitionen, perfekt positioniert.“

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