Entwicklung der Herstellung von Mikrogetrieben

Sehen wir uns den Herstellungsprozess winziger Zahnräder an. 1973 brach in Japan die Ölkrise aus. Die Regierung forderte Unternehmen im ganzen Land auf, ihren Energieverbrauch zu senken. Motoo Matsuura, Geschäftsführer der Japan Shuken Co., Ltd., eines kleinen Zahnradherstellers in der Präfektur Aichi, erkannte in dieser Krise neue Geschäftsmöglichkeiten: Energieeinsparung würde zum Trend werden. Er war der Ansicht, dass alle Produkte immer kleiner werden würden. Um die Größe der Produkte zu verringern, mussten zunächst die Komponenten der Produkte verkleinert werden.

Zu dieser Zeit wog das kleinste in der japanischen Branche herstellbare Metallzahnrad etwa ein Hundertstel Gramm und wurde häufig in Uhren verwendet. Motoo Matsuura kaufte mehr als 50 Uhren von Seiko und Citizen und zerlegte sie eine nach der anderen, um zu prüfen, ob sie durch Kunststoffzahnräder ersetzt werden konnten, damit kleinere Zahnräder hergestellt werden konnten.

1986 gelang es Shuken schließlich, ein extrem kleines Gummizahnrad mit einem Gewicht von einem Tausendstel Gramm zu entwickeln. Ricoh, Casio und andere Uhrenhersteller kamen von sich aus auf Shuken zu und unterzeichneten Kooperationsvereinbarungen mit der Shuken Co., Ltd. Motoo Matsuura war damit nicht zufrieden. Schon bald entwickelte Shuken erfolgreich ein Zahnrad mit einem Gewicht von einem Zehntausendstel Gramm. Einige japanische Handwerker sagten, dass es ein echter Erfolg wäre, wenn Shuken ein Zahnrad mit einem Gewicht von einem Hunderttausendstel Gramm herstellen könnte. „Gut, dann springen wir noch einmal und produzieren ein Hunderttausendstel Gramm“, nahm Matsuura Motoo die Herausforderung an.

Im Mai 1988 wurde das Zahnrad mit einem Gewicht von einem Hunderttausendstel Gramm geboren. Die berühmte Schweizer Swatch Watch Group, der britische Automobilzulieferer EMI und andere Unternehmen unterzeichneten Vereinbarungen mit Shuken und erteilten Bestellungen. Da es keinen Wettbewerber gab, ließ Shuken den Käufern grundsätzlich keinen Spielraum für Preisverhandlungen. Danach wurden die Zahnräder mit einem Gewicht von einem Hunderttausendstel Gramm nach und nach in Miniaturkameras, Videokameras sowie speziellen Mobiltelefonen und Computern eingesetzt. Anschließend wurden sie von Regierungen verschiedener Länder in großen Mengen gekauft und in kleinen Aufklärungsflugzeugen verwendet, um das Gewicht der Flugzeuge zu reduzieren und ihre Bedienung zu erleichtern.

Im August 2002 stellte Shuken ein Zahnrad mit einem Gewicht von einem Millionstel Gramm her. Es wird als Pulverzahnrad bezeichnet und hat einen Durchmesser von 0,15 mm sowie eine maximale Breite von 0,08 mm. Die gesamte Fläche des Zahnrads entspricht ungefähr der Querschnittsfläche eines Haares. Doch selbst dieses winzige Zahnrad verfügt über 5 gleichmäßig verteilte kleine Zähne und kann wie ein gewöhnliches Zahnrad arbeiten. Die Herstellung von 4 solchen Zahnrädern auf einmal dauert nur 3,5 Sekunden. Wie Matsuura erwartet hatte, wird dieses Pulverzahnrad inzwischen von Ärzten in mehreren führenden Krankenhäusern der Vereinigten Staaten am vorderen Ende künstlicher Faserblutgefäße eingesetzt, um die Hirngefäße von Patienten mit Hirninfarkt zu reinigen. Damit ist es zu einem wichtigen medizinischen Gerät zur Lebensrettung geworden.

Die Entwicklung der Herstellung von Mikrozahnrädern ist damit noch nicht abgeschlossen. In der sich ständig weiterentwickelnden praktischen Gesellschaft.

Herstellungsverfahren für Mikrozahnräder

Bei Antriebsmotoren wurden Mikromotoren mit einem Rotordurchmesser von 0,5 mm und einem Außendurchmesser von mehreren Millimetern hergestellt. Aufgrund der hohen Drehzahl und des geringen Drehmoments dieses Mikromotors ist jedoch zwischen Motor und Last (Aktuator) ein Mikrogetriebe mit einem Übersetzungsverhältnis von mehreren Hundert erforderlich, damit seine Leistung vollständig genutzt werden kann. Unter den verschiedenen Übertragungsmechanismen wird die Zahnradübertragung am häufigsten verwendet. Um das Getriebe zu miniaturisieren, muss daher auch das Zahnrad verkleinert werden.

Wälzfräsen
Zahnräder werden normalerweise auf einer Wälzfräsmaschine mit einem Wälzfräser geschnitten. Beim Wälzfräsen von Mikrozahnrädern (kleiner als m0.1) muss die Zahnform des Wälzfräsers mikrobearbeitet werden. Da die Zahnform sehr klein ist, haben neben dem Zahnformfehler des Wälzfräsers auch der Rundlauffehler der Bohrung, der Planlauffehler, die Teilung und andere Fehler des Wälzfräsers großen Einfluss auf die Genauigkeit des Mikrozahnrads. Die Präzision und Steifigkeit der verwendeten Wälzfräsmaschine, der Werkstückspindel, der Werkzeugspindel, des Werkstück-Teilmechanismus und der Werkstückaufnahme sowie die Montagegenauigkeit des Wälzfräsers und des Werkstücks beeinflussen die Fertigungsgenauigkeit von Mikrozahnrädern. Daher muss die gesamte Genauigkeit des Fertigungssystems verbessert werden. Auf dieser Grundlage lassen sich durch die Auswahl leicht zu schneidender Materialien Mikrozahnräder mit demselben Modul und verschiedenen Ausführungen leichter in großen Stückzahlen herstellen.

Spritzgegossene Kunststoffzahnräder
Kunststoffzahnräder, die im Spritzgussverfahren hergestellt werden, werden meist für Zahnräder in Anwendungen mit geringeren Belastungen, etwa in Bürogeräten und Haushaltsgeräten, verwendet, da sie in kurzer Zeit in großen Stückzahlen produziert werden können. In den vergangenen Jahren wurde die Präzision spritzgegossener Zahnräder durch die kontinuierliche Verbesserung der Spritzgusstechnik und der Materialeigenschaften von Spritzgussmaterialien ebenfalls erheblich gesteigert. Sowohl die Präzision der spritzgegossenen Zahnräder als auch die Spritzgusstechnik sind wichtige Faktoren, die das Spritzgussverfahren beeinflussen. Bei der Herstellung der Formen werden hauptsächlich Drahterodieren und Funkenerodieren eingesetzt. Aufgrund des Einflusses von Faktoren wie dem verwendeten Drahtdurchmesser und dem Entladungsspalt der Formelektrode ist die Verbesserung der Präzision von Mikrozahnradformen jedoch begrenzt. Die Form kann auch durch Galvanoformen hergestellt werden. Das beim Galvanoformen verwendete Referenzzahnrad kann durch Schneiden oder Schleifen verbessert werden. Das Referenzzahnrad kann durch Galvanisieren verdickt werden.

Herstellungsverfahren durch Metallsintern
Das durch Hochdruckformen von Metallpulver in der Form sowie anschließendes Sintern und Aushärten bei hoher Temperatur hergestellte Sintermetallzahnrad (Pulvermetallurgie-Zahnrad) weist eine höhere mechanische Festigkeit als Kunststoffzahnräder auf und wird unter Bedingungen mittlerer Belastung eingesetzt. Das Formen mit einer Form eignet sich für die Massenproduktion. Nach dem Formen wird das Zahnrad jedoch bei hoher Temperatur gesintert und verformt sich stark. Um die erforderliche Genauigkeit zu erreichen, muss das Zahnrad daher nach dem Sintern feinbearbeitet werden. Aufgrund der kleinen Zahnform ist die Feinbearbeitung von Mikrozahnrädern relativ schwierig. Außerdem sind die Metallpartikel des Metallpulvers groß, was die Verbesserung der Formgenauigkeit und der Oberflächenqualität begrenzt. Wird bei der Formherstellung das oben bei der Herstellung von Kunststoffzahnrädern erwähnte elektrolytische Bearbeitungsverfahren mit einer Referenzzahnrad-Elektrode eingesetzt, kann die Genauigkeit des bearbeiteten Zahnrads verbessert werden.

Weitere Herstellungsverfahren
Mikrozahnräder können durch Halbleiterfertigung, Fotolithografie oder Laserbearbeitung hergestellt werden. Mit Fotolithografie lassen sich Mikrozahnräder mit einer Größe von mehreren Dutzend Mikrometern probeweise herstellen, und mit Räumnadeln können Innenzahnräder gefertigt werden. In Zukunft wird die Nachfrage nach Mikrozahnrädern steigen, und es werden weiterhin neue Herstellungsverfahren und Technologien für die Massenproduktion entstehen.

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