Mikrobauteile
Höchste Präzision in Serie

In Karlsruhe wird zurzeit die weltweit erste automatisierte Fertigungsstraße für Mikrobauteile in Betrieb genopmmen. Sie produziert filigrane Zahnräder und Anker für Edeluhren.

KARLSRUHE. Mit bloßem Auge sind die Details der kleinen Bauteile, die die Physiker und Ingenieure der Karlsruher Hightechfirma Microworks inzwischen in Serie fertigen, nicht mehr erkennbar: Die Plexiglasscheibe, die Geschäftsführer Joachim Schulz in der Hand hält, ist mit millimeterkleinen goldenen Zahnrädern, Ankern und Uhrzeiger übersäht. Letztere tragen sogar fälschungssichere Mikroinschriften. Unter der Juwelierslupe taucht auch eine fein ziselierte, goldene Mini-Himmelsscheibe von Nebra auf.

Diese Karlsruher Präzisionsbauteile sind der letzte Schrei in der Zunft der Edeluhrenhersteller, der Haute Horlogerie. Sie erlaubten die Rückkehr von Gold in die Mechaniken von Luxusarmbanduhren, obwohl das Edelmetall dafür eigentlich zu weich ist. Um 1900 mussten die Uhrenkünstler des Erfinders H. Moser & Cie in Schaffhausen die Kleinstteile noch in mühsamer Handarbeit zurechtdengeln, bis das Gold gehärtet war. Das wäre heute selbst für Luxusuhren zu teuer.

Namhafte Schweizer Uhrenhersteller, die Schulz nicht offiziell nennen darf, sind heute die wichtigsten Kunden des Start-up-Unternehmens. Der promovierte Physiker hätte es sich früher kaum träumen lassen, dass er mit einer Technik aus der Großforschung ausgerechnet Uhrenbauteile herstellen würde. Die 2007 aus dem Forschungszentrum Karlsruhe gegründete Firma mit heute vier Mitarbeitern hat für die Bauteile eine spezielle, harte Goldlegierung entwickelt – ein Novum in mechanischen Luxusuhren.

„Zu unserem noch jungen Markt gehören aber auch Zahnräder für Mikrogetriebe“, erklärt Schulz. Diese werden bislang gestanzt, doch Microworks kann diese Minizahnräder inzwischen viel präziser herstellen. Seit einigen Jahren folgt die Feinmechanik dem Miniaturisierungstrend der Elektronik, sogar mit ähnlichen Herstellungsverfahren. Die Karlsruher arbeiten mit einer Methode, die Liga heißt – eine bald dreißig Jahre alte Erfindung des Instituts für Mikrostrukturtechnik (IMT) am Forschungszentrum Karlsruhe.

Liga steht für die drei Prozessschritte Lithografie, Galvanisierung und Abformung. Die Karlsruher schicken zuerst einen Röntgenstrahl durch eine Maske, die Löcher in Form der Bauteile besitzt. Der Strahl brennt diese Formen in eine Plexiglasscheibe ein. Eine Entwicklersubstanz löst die belichteten Stellen anschließend sauber heraus: Fertig sind die Hohlformen, die galvanisch mit Metall gefüllt werden.

Die konkurrenzlos hohe Präzision erreicht Microworks mit einem speziellen Röntgenlicht. Seine Quelle ist das Karlsruher Synchrotron Anka, ein Beschleunigerring für Elektronen. Das sogenannte Synchrotronlicht ist extrem gebündelt und projiziert so die Maske mit enormer Schärfe in das Plexiglas hinein.

Bei den Formen sind die Karlsruher in zwei Dimensionen völlig frei, die Details können kleiner als ein Mikrometer (Millionstel Meter) sein. Allerdings sei das sogenannte Aspektverhältnis noch wichtiger, erklärt Schulz: Nicht nur flache Zahnräder kann das Unternehmen herstellen, sondern auch tiefe Mikrozahnstangen, die in Getrieben höhere Kräfte aushalten. Nur die Kollegen vom Berliner Synchrotron Bessy, mit denen Microworks kooperiert, beherrschen vergleichbare Kunststücke.

Dieses hohe Aspektverhältnis bleibt der billigeren Alternative verschlossen, der Liga-Technik mit Ultraviolettlicht. Diese kommt mit einfacheren Quarzlampen aus, braucht also keinen Anschluss an eine Großforschungsanlage. Mit UV-Liga sind bereits einige kleinere Unternehmen auf dem Markt, zum Beispiel Temicon in Dortmund oder der vor zehn Jahren gegründete Schweizer Pionier Mimotec, der ebenfalls Uhrenhersteller beliefert.

Damit Röntgen-Liga einen breiteren Markt erobern kann, muss das Verfahren billiger werden. Bislang haben die Karlsruher ihre Teile weitgehend in teurer Handarbeit hergestellt, doch nun ist die weltweit erste automatisierte Fertigungsstraße für Liga-Teile aufgebaut: Sie soll demonstrieren, dass Massenfertigung die Herstellungskosten substanziell drücken kann. Der Bundeswirtschaftsminister förderte das 4,5-Millionen-Euro-Projekt; neben dem federführenden Forschungszentrum und der Universität Karlsruhe sind unter anderem Siemens und Jenoptik beteiligt. Die Hightech-Anlage läuft zurzeit nur testweise, gegen Ende des Jahres soll sie voll einsatzfähig sein.

Noch ist der Markt klein. Dieses Jahr will Microworks mit den filigranen Bauteilen über 300 Tausend Euro umsetzen. „Spätestens bis 2011 soll es eine Million sein“, sagt Schulz. In der Industrie müsse die Botschaft erst ankommen, dass mit Liga Mikrostrukturen möglich sind, die normale Werkzeugmaschinen nie hinkriegen, sagt Georg Schwarz. Der Ingenieur von der Universität Karlsruhe hat an der Produktionsanlage mitgearbeitet. Schulz ist optimistisch: „Als wir vor zwanzig Jahren mit der Aufnahme eines Mikrozahnrads auf einem Insektenfühler berühmt wurden, war das eine Spielwiese für Forscher, heute sind wir mit der Technik auf dem Markt.“ Interessante Anwendungsgebiete gibt es viele: Sie reichen von Sensoren bis zu Minipumpen für medizinische Implantate. Uhrwerke dürften dabei nicht die letzte Überraschung gewesen sein.

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