Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Rollen, beispielsweise zur Verwendung in Mikrorolltischen und eine Rolle für ein Rollenlager eine Mikrorolltisches mit einem Rollenkörper mit Durchmesser kleiner 3 mm, mit endständigen Rollenstirnflächen und in die Rollenstirnflächen mündende Rollenfacetten und ein Verfahren zur Herstellung von Rollen mit Durchmessern d kleiner mm zur Verwendung in Mikrorolltischen.

Stand der Technik

Lineartische zur präzisen linearen Bewegung unterschiedlicher Objekte sind seit längerem bekannt und auch in diesem technischen Gebiet ist die Miniaturisierung stark auf dem Vormarsch. Es sind entsprechend mittlerweile Miniaturlineartische oder Mikrorolltische im Handel erhältlich, die in den unterschiedlichsten Anwendungsgebieten, beispielsweise in der Robotik, für lineare Bewegungen sorgen können. Ein Oberteil und ein Unterteil, in der Regel aus Stahl oder Gusseisen, werden linear relativ zueinander geführt bewegt, wobei beide Teile auf einer Vielzahl von Rollen, üblicherweise in zugehörigen Rollenkäfigen gelagert sind. Derartige Mikrorolltische werden in Herstellungsverfahren von integrierten Schaltkreisen bzw. bei der Leiterplattenbestückung, beim Spleissen von Glasfaserkabeln oder auch der Medizin eingesetzt und dienen zur hochgenauen Positionierung von Gegenständen im Mikrometerbereich.

Reibung, Laufgenauigkeit und Laufruhe sind die wichtigen Parameter für derartige Mikrorolltische. Der Einsatz kann in Vakuumkammern

ERSATZBLATTER (REGEL 26) erfolgen, oder mit zusätzlicher Schmierung des Laufmechanismus an Luft. Problematisch ist bislang die Herstellung ausreichend genauer Rollen oder auch Nadeln der Mikrorolltische, welche minimale Reibung und maximale Laufruhe der damit hergestellten Mikrorolltische gewährleistet. Dazu müssen die Rollen nahezu ideal zylindrisch in ihrer Längsrichtung sein. Die Oberflächenrauigkeit sollte deutlich unter einem Mikrometer liegen, besonders bevorzugt kleiner 0.5 pm. Auch die beidseitig angeordneten Rollenstirnflächen jeder Rolle müssen parallel zueinander verlaufen und falls Rollenfacetten mit entsprechenden schrägen Flächen an jeder Rolle anzuordnen sind, sollten diese symmetrisch ausgeführt sein. Der Winkel zwischen der Mantelfläche der Rollen und der endständigen Rollenstirnflächen sollte bevorzugt 90° betragen.

Bei den bislang bekannten Herstellungsverfahren haben die Rollenhersteller mit teilweise 80% Ausschuss zu kämpfen. Hier hat man es mit Rollendurchmessern unter 3 mm zu tun, weshalb die Nachbehandlung der Rollen extrem schwierig ist. Bislang werden Stücke aus Stahl von einer Drahtrolle gedreht, welche dann Roh-Nadeln bilden, und anschliessend werden diese Stücke gehärtet, geschliffen, geläppt und poliert. Dann werden von diesen Roh-Nadeln, mit Durchmessern kleiner 3 mm einzelne Roh-Rollen mit Längen von weniger als 3 mm abgeschnitten. Anschliessend werden diese Roh-Rollen weiterbearbeitet, wobei die Stirnflächen plan geschliffen werden und Rollenfacetten beidseitig endständig in die Ränder der Roh-Rollen eingebracht werden müssen.

Auf dieser minimalen Skala von maximal 3mm Durchmesser der fertigen Rollen, ist es bis heute schwer möglich die Facettierung und die Endveredelung der Stirnflächen an den Rollen reproduzierbar durchzuführen. Die resultierenden Stirnflächen der Rollen müssen parallel zueinander ausgerichtet sein und die Facetten in den Randbereichen sollten symmetrisch, bei allen Rollen gleich sein und

ERSATZBLATTER (REGEL 26) definierte Winkel aufweisen. Diese Rollenform konnte der Stand der Technik bislang nicht liefern bzw. nur mit einer hohen Ausschussrate, was die Produktion langwierig und teuer macht. Entsprechend musste ein neues Herstellungsverfahren gefunden werden.

Darstellung der Erfindung

Die oben beschriebenen aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile, sollen durch das vorliegende Verfahren beseitigt werden und entsprechend verbesserte Rollen die Probleme lösen.

Es werden reproduzierbar herstellbare Rollen mit erhöhter Präzision der Abmessungen, der Stirnflächen und der Facettenflächen erreicht.

Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt ein Verfahren zur Herstellung von Rollen mit Durchmessern kleiner 3mm zur Verwendung in Mikrorolltischen zu schaffen, welches die vereinfachte Herstellung der Rollen, mit höherer Präzision und verringertem Ausschuss erreicht.

Variationen von Merkmalskombinationen bzw. geringfügige Anpassungen der Erfindung sind in der Detailbeschreibung zu finden, in den Figuren abgebildet und in die abhängigen Patentansprüche aufgenommen worden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Das Herstellungsverfahren und die damit erstellten Rollen werden nachstehend detailliert im Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen beschrieben. Notwendige Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus dieser nachfolgenden

ERSATZBLATTER (REGEL 26) Beschreibung, wobei eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung und einige Zusatzmerkmale oder optionale Merkmale im Detail aufgeführt sind. Figur 1 zeigt eine Aufsicht auf eine Roh-Nadel mit maximal 3 mm Durchmesser, vor der Weiterbehandlung, während Figur 2 eine Profilnadel nach diversen Bearbeitungsschritten in einer Aufsicht zeigt. Figur 3a zeigt eine schematische Seitenansicht einer Nadellagervorrichtung mit zwei darin eingesteckten Profilnadeln,

Figur 3b zeigt die Nadellagervorrichtung mit aufgestecktem Rohr bevorzugt aus einem transparenten oder transluzenten Material, während

Figur 3c eine schematische Schnittansicht der

Nadellagervorrichtung mit aufgestecktem Rohr nach der Befüllung mit einem aushärtenden Gussmaterial zeigt

Figur 3d zeigt den Schneidprozess des gemäss Figur 3c erzeugten Giesskörpers mit eingelassenen Profilnadeln schematisch, wobei Scheiben resultieren.

Figur 3e zeigt eine Aufsicht auf eine geschnittene Scheibe mit einer Mehrzahl von unbehandelten Rollen, während

Figur 3f eine Schnittansicht durch eine Scheibe während eines Schleif- bzw. Läppprozesses zeigt.

Figur 3g zeigt das Ausstossen der Rollen aus einer Scheibe in einer schematischen Seitenansicht.

Figur 4 zeigt eine schematische Ansicht einer fertigen Rolle mit endständigen parallelen Rollenstirnflächen und Rollenfacetten.

ERSATZBLATTER (REGEL 26) Beschreibung

Ziel ist es hier aus einer Roh-Nadel 1 mit einem Durchmesser d, bei späterer Verwendung in Mikrorolltischen insbesondere von maximal 10mm, eher bevorzugt von maximal 3mm, mittels verschiedener Verfahrensschritte eine Profilnadel 2 zu schaffen. Schlussendlich wird aus jeder Profilnadel 2 durch weitere Verfahrensschritte eine Mehrzahl von Rollen 8 pro Profilnadel 2 hergestellt. Wenn die Rollen 8 für den Einsatz in Mikrorolltischen verwendet weisen, weisen diese üblicherweise in Längsrichtung und Querrichtung maximal eine Grösse von 3mm auf. In der Praxis von Mikrorolltischen liegen die üblichen Durchmesser oft auch quer zur Längsrichtung L eher kleiner 2 mm, meist bevorzugt bei 1.5 mm, was die Handhabung und Nachbearbeitung erschwert. Mit dem hier vorgestellten Verfahren sind aber im Prinzip Rollen 8 mit beliebig grossen Durchmessern d herstellbar, bevorzugt aber kleiner 10mm, da sich dann die Einfachhit der Verfahrensschritte besonders zeigt. Das Material der Roh-Nadel 1 ist allgemein Stahl, rostfreier Stahl oder Keramik, in unterschiedlichen Ausführungen.

Von der Roh-Nadel 1 geht es über einen Profilschleifvorgang zur Profilnadel 2. Optional sind Rundschleif-, Schleif-, Polier- und/oder Läppschritte an der kommerziell erhältlichen Roh-Nadel 1 auszuführen. Dabei wird eine Mehrzahl von Einstichen 21 mit einem Schleifstein einer Schleifmaschine entlang der Längsrichtung L der Roh-Nadel 1 verteilt angeordnet. Die Einstiche 21 bilden verjüngte Bereiche in der Profilnadel 2. Zwischen den Einstichen 21 werden Nadelabschnitte 20 geformt. Bevorzugt erfolgen 90° Einstiche 21 in einem Winkel von 90° zur Längsachse L der Roh-Nadel 1, wobei der Schleifstein derart in das Material der Roh-Nadel 1 eintaucht, dass die Nadelabschnitte 20, welche Basis für die später resultierenden Rollen 8 sind, zusammenhängend als Teil der resultierenden Profilnadel 2, jeweils von zwei Einstichen 21 in Längsrichtung L begrenzt ausgebildet werden. Auch wird jeder Nadelabschnitt 20 bzw. jede Rolle 8 in Längsrichtung L beidseitig von

ERSATZBLATTER (REGEL 26) jeweils endständig angeordneten Rollenfacetten begrenzt, aufgrund der verwendeten Schleifscheibe.

Die Rollenfacetten werden von einer umlaufenden schräg zur Längsachse L verlaufenden Rollenfacettenfläche gebildet, was in Figur 4 im Detail gezeigt ist.

Nach der Profilierung der Profilnadeln 2 werden diese rundgeläppt und poliert, derart, dass der Durchmesser und die Oberfläche der später gewünschten einzelnen Rolle 8 entspricht. Der Fachmann kennt passende Verfahren zur Oberflächenbehandlung derartiger Profilnadeln 2 auf Mass.

Mehrere präparierte Profilnadeln 2 werden in eine Nadellagervorrichtung 3, umfassend einen oberen Nadelöffnungskranz 30, ein Standrohr 31 und einen unteren Nadelöffnungskranz 33, eingesteckt. Alle Profilnadeln 2 sind zueinander parallel verlaufend eingesteckt, wobei die jeweiligen Einstiche 21 auf derselben Höhe entlang der Längsachse L zu liegen kommen.

Hier sind dazu mindestens im oberen Nadelöffnungskranz 30 mehrere Nadelöffnungen 32 ausgespart, sodass die Profilnadeln 2 ausgerichtet aufrecht in der Nadellagervorrichtung 3 stehen. Hier sind 18 Profilnadeln 2 entlang einer Kreisbahn eingesteckt, wobei es natürlich mehr oder weniger sein könnten.

Um die Mehrzahl von Profilnadeln 2 später in eine Gussmasse einzugiessen, wird ein Rohr 4 über die Nadellagervorrichtung 3 mit eingesteckten Profilnadeln 2 gestülpt, was in Figur 3b geschehen ist.

Die Nadellagervorrichtung 3 kann einen optionalen Halterand am unteren Nadelöffnungskranz 33 vorsehen, damit das Rohr 4 zusätzlich Halt findet. Das Rohr 4 dichtet einen Raum um die Nadellagervorrichtung

ERSATZBLATTER (REGEL 26) 3 mit eingesteckten Profilnadeln 2 ab, wobei der obere Bereich des Rohrs 4, dem unteren Nadelöffnungskranz 33 entgegengesetzt, mindestens teilweise offen bleibt.

In einem Giessvorgang wird als Gussmasse Harz, insbesondere Kunstharz in das Rohr 4 von oben durch eine obere Rohrstirnfläche eingefüllt. Hier ist eine Nadelöffnung 32 im oberen Nadelöffnungskranz 30 frei geblieben, damit der Kunstharz den kompletten Innenraum des Rohrs 4 füllen kann. Figur 3c zeigt das gefüllte Rohr 4, wobei die in einer genau definierten Position miteingegossenen Profilnadeln 2 hervorgehoben wurden. Ein Giesskörper 5 mit eingegossener Nadellagervorrichtung 3 und Profilnadeln 2 ist erreicht. Bevorzugt kann eine transparente oder transluzente Gussmasse verwendet werden und ein ebensolches Rohr 4, damit der Giesskörper 5 mindestens teilweise durchsichtig ist und die eingegossene Nadellagervorrichtung 3 samt Profilnadeln 2 von aussen erkennbar ist. Der spätere Schneidprozess kann aber auch bei nicht transparentem Rohr 4 bzw. Gussmasse kontrolliert durchgeführt werden.

Nach abwarten der Aushärtung des Kunstharzes, wird ein Schneidprozess des Giesskörpers 5 angeschlossen. In der Praxis wurde der Giesskörper 5 auf einen Spanndorn geschraubt und auf einer Schleifmaschine bzw. Trennmaschine in Scheiben 6 geschnitten, wie in Figur 3d schematisch gezeigt. Die Trennung bzw. das „in Scheiben Schneiden" kann auch anders erfolgen.

Aufgrund der Transparenz bzw. Transluzenz mit mindestens 20% Lichtdurchlässigkeit, kann der Schneidprozess exakt entlang der Rollenstirnflächen durch den Giesskörper 5 erfolgen. Die Trennung der Scheiben 6 wird genau in die Einstiche 21 der Profilnadeln 2 gesetzt, damit beidseitig der resultierenden Rollen 8 innerhalb der Scheibe 6 Facettenflächen stehen bleiben und Rollenstirnflächen 81 erzeugt werden. Es resultieren Scheiben 6 mit jeweils mehreren Rollen 8.

ERSATZBLATTER (REGEL 26) Wie in Figur 3e erkennbar sind die Rollen 8 in der Scheibe 6 gehalten und die Scheibe 6 lässt sich beidseitig bearbeiten. Dazu wird die Scheibe 6 mit eingegossenen Rollen 8 in eine Schleifmaschine, Poliermaschine und/oder Läppmaschine eingelegt und entsprechend bearbeitet. Ziel ist es eine möglichst exakte Planheit der Rollenstirnflächen 81 zu erreichen und die Oberflächenrauigkeit zu verringern.

Figur 3f zeigt das Planläppen der Rollenstirnflächen 81 schematisch in einer Läppvorrichtung 9. Aufgrund der höheren Festigkeit der Rollen 8 im Vergleich zum Rest der Scheibe 6 werden die Rollenstirnflächen 81 und die Rollenfacetten 80 bearbeitet.

Nach erfolgter Oberflächenveredelung werden die Rollen 8 mit ihren winzigen Abmessungen mit einem Ausstosswerkzeug 7 aus der Scheibe 6 entfernt. Das Ausstosswerkzeug 7 weist bevorzugt eine Mehrzahl von Stempeldornen 70 auf, welche der Anzahl Rollen 8 in der Scheibe 6 entspricht, sodass durch einen Stossvorgang alle Rollen 8 in ein Auffangbehältnis ausgestossen werden.

In der Regel schliessen sich optionale Reinigungsschritte der Rollen 8 an, wobei polare Reinigungsmittel, Azeton, Alkohol, Säuren oder Basen verwendbar sind.

Die fertigen Rollen 8 weisen Durchmesser d kleiner 3mm auf und einen Rollenkörper mit Durchmesser d, welcher in Längsrichtung L beidseitig von Rollenfacetten 80 umgeben ist, welche in jeweils eine endständige Rollenstirnfläche 81 münden. Der Rollenkörper weist eine Oberflächenrauigkeit und Rundheit der Mantelfläche kleiner gleich 0.4 pm auf. Mit Rundheit ist die Abweichung von einem idealen Kreis als Querschnittsfläche der fertigen Rolle 8 gemeint, welche nicht um mehr als 0.4 pm abweichen soll. Die beiden Rollenstirnflächen 81 sollten möglichst plan und parallel zueinander verlaufend ausgeführt sein. Dies ist nur mit dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren erreichbar.

ERSATZBLATTER (REGEL 26) Die beiden Rollenstirnflächen 81 weisen eine Abweichung von höchstens +/- 1° zueinander auf. Solche Rollen 8 derartiger Baugrösse mit derart parallelen Rollenstirnflächen 81 konnten gemäss Stand der Technik bislang nicht erreicht werden. Die Rollen 8 sollten derart exakt geformt sein, dass bei einer Spiegelung der Rolle 8, die Rollenfacetten 80 aufeinander zu liegen kommen, die Rollenfacetten 80 entsprechend spiegelsymmetrisch zueinander sind.

Die Rollen 8 bilden Teile von Rollenlagern für Mikrorolltische mit bislang unerreichter Präzision, aufgrund ihrer genauen Herstellbarkeit mit genügend glatten Oberflächen, einer Winkligkeit der Mantelflächen zu den Rollenstirnflächen 81 von bevorzugt 90° und parallel bzw. nahezu parallel zueinander verlaufenden Rollenstirnflächen 81.

Um von der Roh-Nadel 1 zur ausreichend rotationssymmetrischen Profilnadel 2 mit extrem glatter Oberfläche zu gelangen, kann der Fachmann mehrere Wege gehen. Hier wurden die Roh-Nadeln 1 im sogenannten Centerless-Verfahren geschliffen, geläppt und noch poliert. Damit sind Rundheiten der Nadeln vor dem Profilierungsschritt, der Einbringung von Einstichen 21, von 0.4m erreicht worden. Wird nach dem centerless-Schleifen noch rundgeläppt, sind noch bessere Resultate der Rundheit zu erreichen.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens werden die Profilnadeln 2 vor dem Einstecken in die Nadellagervorrichtung 3 mit Trennwachs beschichtet, damit der spätere Auslösevorgang der Rollen 8 aus der Scheibe 6 vereinfacht ist. Der Fachmann kennt Trennwachs aus dem Hobbybedarf.

ERSATZBLATTER (REGEL 26) Bezugszeichenliste

1 Roh-Nadel (Stift, unbehandelt, max. 3mm Durchmesser)

2 Profilnadel (geschliffen, rundgeläppt, poliert, mit Einstichen versehen profiliert)

20 Nadelabschnitt (Mehrzahl)

21 Einstich (90° Einstich, Mehrzahl, verjüngte Bereiche)

3 Nadellagervorrichtung (Haltesäule, aufrechte, vertikale Lagerung)

30 oberer Nadelöffnungskranz

31 Standrohr

32 Nadelöffnung

33 unterer Nadelöffnungskranz mit Auflagefläche optionaler Halterand (für Rohr)

4 Rohr (rund, transparent/transluzent, bildet äussere Gussform)

Rohrstirnfläche (steht im Halterand auf unterer Auflagefläche) Gieseinlass (Öffnung oben, oberer Rohrquerschnitt)

5 Giesskörper

6 Scheibe

7 Ausstosswerkzeug/

70 Stempeldornen

8 Rolle

80 Rollenfacette

81 Rollenstirnfläche

9 Läppvorrichtung

ERSATZBLATTER (REGEL 26)