Gedreht und geschraubt

Wenn man ein Uhrwerk beschreibt, sind Schrauben meist nicht einmal einer Erwähnung wert. Dabei sind sie es, die alles zusammenhalten. Aus diesem Grund erfordert ihre Herstellung nicht weniger Sorgfalt als prominentere Komponenten.

Größenvergleich: Man mag sie mit bloßem Auge für einen Krümel halten, aber Werkschrauben besitzen einen exakten Schlitz und hochpräzise Gewinde

Wenn man all die Teile einzeln betrachtet, die in einem Uhrwerk zum vollendeten Zusammenspiel vereint werden, dann gehören sie zu den Allerkleinsten: Schrauben stehen ganz am Ende einer langen Reihe weit bedeutenderer Teile. Bisweilen so winzig wie ein Metallbröselchen, können sie sich ganz schön widerspenstig geben. Fast jeder Uhrmacher kann aus seiner Anfängerzeit berichten, wie blitzschnell Schrauben aus dem Griff der Pinzette schnellen und durch die Luft fliegen, um unter Werktischen oder Schränken auf Nimmerwiedersehen zu verschwinden.

Die Herstellung solcher Winzlinge benötigt wahrscheinlich auch nicht besonders viel Platz – könnte man meinen. Weit gefehlt: Wer die Firma Elwin in Belprahon, einem kleinen Schweizer Bauerndorf im Juralängstal von Moutier im Kanton Bern besucht, kommt in ein stattliches, neuerbautes Fabrikgebäude mit großer Halle, das erst im Juni 2010 bezogen wurde. 1980 im benachbarten Moutier gegründet, gehört die Firma Elwin seit 2001 der Sandoz-Familienstiftung und ist damit Teil des Kompetenzzentrums für Uhrmacherkunst rund um die Luxusuhrenmarke Parmigiani Fleurier.

Standort: Die Firma Elwin stellt in diesem im Juni 2010 bezogenen modernen Bau in Belprahon hochwertige Präzisionsdrehteile her

Bis zur Übernahme durch die Sandoz-Familienstiftung – Firmeninhaber Jean-Marie Spozio verkaufte, da es keinen Betriebsnachfolger gab – konzentrierte sich Elwin auf die Entwicklung und Fertigung von Drehautomaten und Maschinen für die Uhrenindustrie. Sehr früh gelang die Aufrüstung von Drehmaschinen mit Computersteuerungen. Ab 1995 begann man zweigleisig zu agieren und mit den eigenen Drehautomaten Uhrwerkkomponenten herzustellen. Parallel erfolgte noch die Entwicklung eines besonders anspruchsvollen Drehautomaten, doch mittlerweile firmiert man als Spezialist für die Décolletage (das bedeutet Drehteilfertigung) hochpräziser Kleinteile für die Uhrenindustrie.

Idee und Umsetzung: Anhand solcher, von Uhrenfirmen vorgegebener Skizzen, werden kleinste Teile gefertigt

Das Drehen ist ein zerspanendes Fertigungsverfahren für Metalle und Kunststoff. Früher wurde manuell auf einer Drehbank gedreht, Ende des 19. Jahrhunderts wurden dann die ersten Drehmaschinen entwickelt. Heute erfolgt die Fertigung meist automatisiert auf einem Drehautomat. Werden die Werkzeugbewegungen durch ein Computerprogramm in einer Steuerung gesteuert, heißen sie CNC-Drehmaschinen. Im Gegensatz zum Fräsen rotiert beim Drehen nicht das Werkzeug, sondern das Werkstück – bei der Schraubenherstellung sind es bis zu drei Meter lange Metallstangen von maximal 7 Millimetern Durchmesser. Beim Drehen wird also die Hauptschnittbewegung durch die Rotation des Werkstücks ausgeführt. Das Werkzeug wird am drehenden Werkstück mit Hilfe eines Werkzeugschlittens entlangbewegt, um Material abzutragen. Hergestellt werden meist runde Werkstücke, im einfachsten Fall zylindrische oder plane, zur Drehachse rechtwinklige Flächen. Möglich sind aber durchaus auch komplexere Formen wie Kegel- oder Kugelflächen.

Beim klassischen Drehen werden hauptsächlich runde Teile bearbeitet. So auch bei Elwin: Das Unternehmen fertigt für die Haute Horlogerie Achsen, Stifte, Pfeiler, Chatons, Triebe, Unruhachsen und Schrauben bis hin zu einem Durchmesser von unvorstellbar kleinen acht Hundertstel Millimetern.

Mikroskopisch: Elwin fertigt Kleinteile, deren genaue Funktion erst unter der Lupe zu sehen ist. Hier eine Schraube

Materialien dafür sind Messing, Gold, Neusilber, Stahl, Inox und Kupfer, das in Form von 1,5 bis 7 Millimeter dicken Stangen angeliefert wird. Aus einer solchen, drei Meter langen Stange können bis zu 1.500 Teile gefertigt werden. In der großen Halle von Elwin kommen drei verschiedene Generationen Drehautomaten zum Einsatz. Ganz hinten, von den Büros am weitesten entfernt, finden sich die ältesten Gerätschaften – rund 50 Jahre alt. Dabei handelt es sich um kurvengesteuerte Drehmaschinen, wie sie bis in die 1980er-Jahre, vor der Verfügbarkeit von leistungsfähigen Rechnern, in der Industrieproduktion üblich waren. Ihr Funktionsprinzip: In der Maschine befindet sich eine Steuerwelle mit mehreren austauschbaren kleinen Nockenscheiben, die abgetastet werden. Dadurch gibt ihre Form die Bewegungsrichtung eines Werkzeugschlittens vor. Alle anderen Informationen wie Vorschub der Werkstoffstangen werden ebenfalls über verstellbare Nockenscheiben – auch Kurvenscheiben genannt – vorgegeben.

Blick in die Fertigungshalle: Hier kommen drei Generationen von Drehmaschinen zum Einsatz – bis hin zu modernsten, selbst entwickelten Automaten (vorne im Bild)

Wenn eine Maschine auf die Herstellung eines anderen Teils umgestellt wird, bedeutet dies hohen Arbeitsaufwand: Die Steuerwelle muss ausgebaut und die neuen Nocken- beziehungsweise Kurvenscheiben eingebaut und eingepasst werden. “Das dauert etwa drei bis vier Tage”, erklärt Daniel Cavallin, Direktor der Firma Elwin. Auch die Herstellung der Kurvenscheiben – alle komplett heißen Kurvensatz – ist sehr aufwändig und kostet etwa tausend Schweizer Franken: Zunächst muss die Form der einzelnen Scheiben errechnet werden, dann werden sie von einem spezialisierten Zulieferer mittels Fräsen gefertigt. “Wenn alles eingerichtet ist, ist das Produzieren auf diesen Maschinen günstiger und schneller. Sie können in kürzerer Zeit mehr Teile herstellen als andere Maschinen. Wegen des hohen Aufwands lohnt sich das allerdings erst ab Stückzahlen von mindestens 10.000″, erklärt Cavallin.

Leistungsstark und effektiv: Alte Drehmaschinen lohnen sich bei der Herstellung sehr großer Stückzahlen. Die Steuerung erfolgt durch Kurvenscheiben (links unten)

Trotz dieser Vorteile: Bei den Drehmaschinen handelt es sich laut Cavallin um eine aussterbende Spezies: Sie werden nicht mehr hergestellt, Ersatzteile sind rar und auch die erfahrenen Mitarbeiter, die für ihre Einrichtung nötig sind, werden irgendwann nicht mehr zur Verfügung stehen. “Diese Maschinen werden vielleicht noch zehn bis 15 Jahre eingesetzt werden können. Wenn sie dann nicht mehr laufen, werden die Preise unweigerlich nach oben gehen.”

Fertigung: Für jedes herzustellende Teil muss ein Fertigungsprogramm geschrieben werden, das die Automaten dann umsetzen

Denn die Herstellung auf den beiden jüngeren Maschinen-Generationen ist teurer. Da wären die gängigen CNC-Drehmaschinen zu nennen und schließlich die Präzisionsdrehautomaten. Die technische Konstruktion dieser Maschinen, die Elwin als eine der großen Innovationen im Bereich des Automatendrehens für die Uhrenindustrie bezeichnet, beruht auf einer Elwin-Konstruktion, die mittlerweile von der Firma Humard Automation SA übernommen und weltweit vertrieben wird. Diese moderne Maschine erlaubt das Drehen kleiner Teile in höchster Präzision und sowohl in kleinen als auch in großen Stückzahlen.

Und damit sind wir bei der Schrauben-Fertigung angelangt: In einer der riesigen Maschinen sind gerade Weißgoldschrauben in Arbeit, winzige Regulierschrauben für einen Unruhreif. An einem einzigen Schräubchen arbeitet die Maschine volle 110 Sekunden. Viel ist davon allerdings nicht zu sehen: Ein Ölstrahl ist direkt auf das Werkstück gerichtet, das abwechselnd von verschiedenen Werkzeugen bearbeitet wird. Dafür stehen zehn Basiswerkzeuge zur Verfügung. Fünf von diesen sind vertikal angeordnet, zwei auf einer Schwenkeinheit.

Fertig: In einem Sieb werden die winzigen Schrauben aufgefangen, die an Präzisionsdrehmaschinen entstehen und mit bloßem Auge aussehen wie harmlose Metallspäne

Je nach Material müssen hier sehr teure Diamantwerkzeuge eingesetzt werden – mit ein Grund für die Exklusivität der Elwin-Produkte. Nach der Bearbeitung spült der Ölstrahl die fertigen Schrauben in ein Sieb, was für das bloße Auge so aussieht, als würden dort kleine Metallspäne aufgesammelt.

Vergrößerungsglas: Winzig kleine Schraubgewinde – mit bloßem Auge kaum als solche zu erkennen

Der Fertigung gehen bereits verschiedene Arbeitsschritte voraus. So muss anhand der Skizzen des bestellten Werkstücks ein Computerprogramm mit entsprechenden Bearbeitungsbefehlen erstellt werden. Dieses wird automatisch an die für den Einsatz vorgesehene Maschine geschickt, wo ein Mitarbeiter noch die Einrichtung vornehmen muss. Diese Neuprogrammierung einer Maschine dauert in der Regel einen halben Tag.

Die eigentliche Herstellung der Schrauben ist nur mit Hilfe eines Computer-Simulationsprogramms genau zu visualisieren: Zuerst wird der Kopf ausgeschnitten und die Kante gebrochen. Erst dann wird der Schlitz erstellt, was wiederum nur bei Maschinen möglich ist, die über ein kontrollierbares Stoppsystem verfügen. Dieses Verfahren verlangsamt die Produktion wesentlich, was letztlich zu einem höheren Preis führt.

Zuletzt wird das Gewinde geschnitten. Es befindet sich senkrecht zur Seite des Schraubenkopfes, was sehr wichtig für die gute Festigkeit der Schraube ist. Anders bei einem günstigeren Verfahren mit einem Gewindeschneidkopf, der sich am Beginn quer setzt. Bei Elwin ist sogar der Durchmesser des Gewindeschnitts einstellbar. Insgesamt wird das Werkzeug etwa 20-mal über das Gewinde geführt, bis es die gewünschten Dimensionen und die erforderliche Präzision besitzt und im Durchmesser unvorstellbare 0,3 Millimeter misst. Dass dies auch wirklich so ist, wird von den Mechanikern, die die Maschinen bedienen, immer wieder nachgeprüft: Nur ein paar Schritte weiter befindet sich ein Leuchttisch, zur Verdunklung ist rundum ein Vorhang angebracht. Hier wird das Werkstück unter einen Projektor gelegt und ein hundertfach vergrößerter Umriss auf eine Skizze des Werkstücks projiziert. Auf diese Weise ist genau zu sehen, ob die Toleranzen eingehalten wurden. Die fertigen Teile können nun gereinigt werden. Sie werden in Büchsen eingelegt und erhalten ein Bad in einer alkoholischen Lösung. In dem entsprechenden Automat wird anschließend durch eingeblasene warme Luft getrocknet, was auch letzte Späne entfernt.

Akribie: Spezielle Apparate nehmen die winzig kleinen Werkstücke auf und geben deren Maße zur Qualitätskontrolle automatisch in einen Computer ein

Am Ende der Herstellung erfolgt dann eine weitere Qualitätskontrolle: Die verantwortliche Mitarbeiterin spannt die Werkstücke in spezielle Apparate, welche die Dimensionen automatisch vermessen und an einen Computer einspeisen. Es erfolgen auch manuelle Vermessungen und eine optische Kontrolle, die sicherstellt, dass die Produkte gratfrei sind.

So viel Aufwand hat seinen Preis: Schrauben sind ab 1,50 Schweizer Franken pro Stück zu erhalten. Aber zum Beispiel kostet die schon beschriebene Weißgold-Schraube ganze fünf Schweizer Franken pro Stück. Das Material, das Gold, ist dabei noch gar nicht mit eingerechnet. Auch die Feinarbeiten wie Härten, Polieren oder Bläuen, die nicht von Elwin durchgeführt werden, sind noch nicht berücksichtigt.

Stets auf Genauigkeit bedacht: Daniel Cavallin, Direktor von Elwin, bei der Begutachtung fertiger Uhrwerkkomponenten

Je nach Komplexität kommen in einem Uhrwerk zwischen 40 und 80 Schrauben zum Einsatz. Verständlich, dass sich nur Vertreter der Haute Horlogerie solch hochwertige und teure Einzelteile leisten können. Zu den Kunden von Elwin zählten neben den Tochtergesellschaften der Sandoz-Stiftung – etwa Parmigianis Werkhersteller Vaucher Manufacture – auch die Größen der Uhrmacherei, etwa Patek Philippe, A. Lange & Söhne sowie Chopard.