So funktioniert Präzisionsbearbeitung am Stirling-Motor

Wenn Böhm über die Ideen und die Technik seiner Modelle spricht, spürt man, mit welcher Begeisterung und Leidenschaft er die kleinen Wunderwerke baut. Von Lokomotiven bis hin zum Kaffeemotor bietet sein Unternehmen Böhm Stirling-Technik alles, was das Herz von Sammlern und Technikverliebten höherschlagen lässt. Seine hochwertigen Modelle entstehen jedoch nur mit hochwertigen Fertigungsmitteln.

Das Prinzip hinter dem Stirlingmotor ist alt und im Grundsatz einfach. In Ägypten nutzte man schon vor über 2.000 Jahren die Ausdehnung sich erwärmender Luft, um Tempeltore in Bewegung zu setzen. Auf dem gleichen Prinzip beruht der Heißluftmotor, den der schottische Pastor Robert Stirling 1816 zum Patent anmeldete: Ein mit Spiritus gefüllter Brenner erhitzt die Luft im Inneren eines Zylinders und liefert so Energie für den Motor. Trotz ihres einfachen Aufbaus sind Stirlingmotoren beeindruckende Maschinen.

Die Luft im geschlossenen Arbeitszylinder wird durch die Flamme erhitzt und strömt aufgrund der Ausdehnung am Verdrängerkolben vorbei zur anderen Seite des Zylinders, wo sie den Arbeitskolben nach außen drückt. Weil der Verdrängerkolben mit dem nun rotierenden Schwungrad verbunden ist, bewegt er sich wieder zurück, sodass die Luft hinter dem Verdrängerkolben abkühlt und ein Vakuum erzeugt. Dieses Vakuum sorgt dafür, dass der Arbeitskolben wieder zurückgesaugt wird. Anschließend beginnt der Prozess von vorne, bis die Maschine läuft. Im Laufe der letzten 200 Jahre versuchte sich der Stirling als Antrieb für Schiffe, Automobile und vieles mehr zu etablieren. Als Antriebssystem erreichte er allerdings nie eine konkurrenzfähige Entwicklungsstufe.

Die größeren Stirling-Modelle von Böhm bestehen aus rund 200 Einzelteilen. Die einzelnen Baugruppen setzen sich aus Bauteilen zusammen, welche Böhm aus Aluminium und Messing produziert. Die hohe Fertigungspräzision steht hierbei an erster Stelle. „Wir fertigen die Bauteile in Toleranzfeldern von wenigen µm. Zusammen mit den hohen Oberflächengüten und Präzisionsmikrokugellagern gewährleistet die Präzision eine einwandfreie Funktion sowie sehr geringen Reibungsverluste“, erklärt Hermann Böhm. Die zum Teil sehr filigrane Feinmechanik der Modelle erfreut sich einer hohen Beliebtheit seiner Kunden. Die Stirling-Motoren bietet Böhm als Bausatz oder als fertiges Modell an.

Zahlreiche dieser Präzisionsteile bearbeitet Böhm mit Werkzeugen von Horn. Vor allem das Supermini-System Typ 105 mit seiner universellen Anwendungsbreite spielt hier eine wichtige Rolle. Mit dem Supermini dreht er zum Beispiel Zylinderhülsen, Brenntöpfe, Schwungräder oder Lagerbohrungen. Die Kolbenbohrung einer Zylinderhülse aus Messing, die in mehreren Varianten gefertigt wird und in der der Arbeitskolben läuft, hat zum Beispiel einen Innendurchmesser von 11,5 mm und eine Tiefe von 27,4 mm. Präzise Rundheit und Zylindrizität, ein Toleranzfeld von 5 µm bei einer Rautiefe Rz von 5 µm sind Voraussetzung für Dichtheit und Leichtgängigkeit der kleinen Motoren. Ein Einstich auf Höhe einer Querbohrung verhindert hier auch eine funktionsstörende Gratbildung. 

Ebenso bearbeiten Werkzeuge vom Typ 105 die Axialeinstiche mit unterschiedlichen Durchmessern in den Schwungrädern und Laufrädern, die in zahlreichen Varianten aus Messing gefertigt werden. Der Supermini dient auch dem Ausdrehen des Brennertopfes aus Reinaluminium inklusive eines Einstichs für einen O-Ring. Mit diesem System werden ebenso die vielen präzisen Lagerbohrungen mit 4 mm Durchmesser ausgedreht. „Weitere Werkzeuge von Horn, wie zum Beispiel das System 312, bearbeiten die Außeneinstiche bei den Kühlrippen und die beidseitigen Axialeinstiche der Antriebsräder ebenso wie die runden Einstiche für die Antriebs-O-Ringe“, erzählt der Horn-Außendienstmitarbeiter Johannes Weidner. Die Kühlrippen werden dabei in einem kontinuierlichen Konturzug mit gleichzeitiger Verrundung der Rippen gefertigt.

Die Idee, hochwertige Stirling-Motoren zu bauen, kam Hermann Böhm beim Durchblättern einer Fachzeitschrift. „Ich suchte nach einem Geschenk, mit dem ich unsere Kunden zu Weihnachten überraschen konnte. Die Motoren weckte meine Neugier, und kurz darauf fing ich an, selbst ein Modell zu entwickeln“, so Böhm. Nach anfänglichen Schwierigkeiten brachte er seinen ersten Stirlingmotor zum Laufen. Da seine Kunden sehr begeistert waren, reifte die Idee, hochwertige Stirlingmotoren in Serie zu bauen. Dem ersten Modell von Böhm Stirling-Technik folgten noch viele weitere Varianten bis hin zum leistungsstarken HB34-Max Tattoo mit vier Antriebszylindern und 2.400 g Gewicht. Neben den einfachen Motoren baut Böhm auch aufwändige Automodelle, Lokomotiven, Windmühlen und Riesenräder.

Angetrieben mit Stirling-Power, erfreuen sie die Augen der Betrachter und begeistern jeden Technikliebhaber. Sie zieren als technische Schmuckstücke Schreibtische und Vitrinen. Sie sind auch bewegte Hauptdarsteller in manch geselligen Runde. Vor allem der Kaffee-Stirling: Auf eine heiße Kaffeetasse gestellt, fängt er an zu laufen und zeigt anschaulich und transparent sein physikalisches Funktionsprinzip – bis der Kaffee kalt ist. Mit seinem Gespür für die filigrane Präzision und Mechanik gründete Hermann Böhm im Jahr 1989 sein Unternehmen Böhm Präzision in einer Doppelgarage in fränkischen Veitsbronn. Zwei Jahre später folgte die Umsiedlung an den heutigen Firmensitz nach Neustadt an der Aisch. Als Lohnfertiger liefert sein Unternehmen Präzisionsbauteile unter anderen an die Medizintechnik-Industrie. Im Jahr 1995 gründete er dann das Tochterunternehmen Böhm Stirling-Technik GmbH.

„Wir sind mit der Leistung der Werkzeugsysteme von Horn sehr zufrieden. Die zuverlässige hohe Präzision sowie die hohen erreichbaren Oberflächengüten waren ausschlaggebend, warum wir seit Jahren auf die Werkzeuge setzen“, erzählt der Maschinenbediener Heinrich Rempel. Bei der Bearbeitung von Messing und Aluminium sind die Standzeiten der Werkzeuge erwartungsgemäß sehr hoch. „Die größte Gefahr für die Werkzeugschneiden sind Handhabungsfehler beim Einrichten oder Auswechseln der Schneidplatten“, so Rempel.

Die Schneidplatte des Systems Supermini Typ 105 benötigt nur einen Werkzeugträger für weit über 1.000 Varianten an Schneideinsätzen. Das gilt gleichermaßen für linke wie rechte Ausführungen. Die Hartmetall-Schneideinsätze sind in beschichteter und unbeschichteter Ausführung in unterschiedlichen Sorten auf jeden Anwendungsfall bis zur Hartbearbeitung bis 66 HRC verfügbar. Die patentierte Tropfenform des Querschnitts wirkt schwingungsdämpfend und ermöglicht eine hohe Wiederholgenauigkeit beim Wechsel der Schneidplatte. Innere Kühlmittelzufuhr bis an die Schneide erhöht Standzeiten, verbessert Schnittbedingungen und Späneabfuhr. Die Klemmung der Schneidplatte über eine oder zwei Klemmschrauben sorgen für sichere und stabile Klemmung. Darüber hinaus bietet Horn die Werkzeuge mit Stirnspannelementen für die stirnseitige Klemmung. Dies ermöglicht beispielsweise das einfache Wechseln der Schneidplatte, ohne den Halter ausbauen zu müssen. Mehr über die Werkzeuge und das Supermini-Werkzeugsystem erklärt Horn auf der Website.