Edelsteine – optimal verwertet

Smaragde, Rubine und Co. funkeln und strahlen unterschiedlich intensiv – je nach Schliff der Farbsteine. Eine Maschine schleift die Steine optimal und arbeitet bis zu 30 Prozent mehr Edelstein aus dem Rohling heraus als bei manueller Bearbeitung. Beim Schleifen – das bisher ausschließlich in Handarbeit erfolgt – bleibt von dem wertvollen Rohstein jedoch nur wenig übrig: Bis zu 70 Prozent rieseln als Staub herab, nur gut 30 Prozent funkeln später als Schmuckstück im Licht.

»Als der Auftraggeber, Markus Wild, zu uns kam, waren wir verblüfft und gar nicht sicher, ob sich in der Mathematik eine Lösung für das sehr komplexe Problem der Volumenoptimierung von Farbsteinen finden lässt«, erinnert sich Dr. Anton Winterfeld. Eine Diplom- und Doktorarbeit sowie viele Konstruktionszeichnungen später sind die Wissenschaftler des ITWM in der Lage, optimale Schliffe zu berechnen und in einer Maschine umzusetzen.

Seit Anfang 2008 bewährt sich das neue Verfahren in der Praxis und hat manchen Schleifer geschlagen, wenn es darum ging, möglichst viel Karat aus einem Stein herauszuholen – der dann auch noch perfekt geschliffen ist. Für die Entwicklung von GemOpt, einem neuen Industrieprozess zur volumenoptimalen Verwertung von Farbsteinen, erhalten Dr. Anton Winter-feld und sein Kollege Dr. Peter Klein einen der Joseph-von-Fraunhofer-Preise 2009.  

Traditionelles Handwerk und innovative Mathematik

Anders als bei Diamanten gibt es für farbige Edelsteine unzählige Kombinationen von Schliffformen, -proportionen und Facettenmustern. Richtig gewählt sorgt das Zusammenspiel für das Feuer im Stein, sein Leuchten. Manchmal reichen wenige Facetten aus, um einen Stein zu beleben, manchmal sind es mehrere hundert. Aufgabe war, dem scheinbar Unendlichen Grenzen zu setzen und das optimale Volumen zu berechnen. Der mathematische Ansatz, der schließlich zur Lösung führte, stammt aus dem Gebiet der allgemeinen semiinfiniten Optimierung – eine neuartige Algorithmik, die bis dato nur in der Theorie definiert war.

Das Team am ITWM hat diesen Ansatz weiterentwickelt und für die konkrete Fragestellung umgesetzt. Das Ergebnis ist auch wissenschaftlich eine herausragende Leistung. Der zweite wesentliche Teil von GemOpt ist die Prozesssteuerung, die Dr. Peter Klein erarbeitet hat. Dafür hat er sehr genau erkundet, wie sich die Rohsteine beim Bearbeiten verhalten und seine Erkenntnisse in die Steuerung der Maschine übertragen. Die Anlage läuft vollautomatisch. Als erstes wird der Stein vermessen. Aus den Rohsteindaten berechnet der Computer optimale Einbettungen, Proportionen und Facettenmuster für verschiedene Grundformen. Der Kunde entscheidet sich dann für einen der Lösungsvorschläge und die Maschine beginnt mit dem Schliff.

Die Prozesssteuerung ist fein austariert, damit die Maschine die Steine beim Schleifen nicht zerbricht. Nahtlos geht es mit dem Polieren weiter. Die 17 Achsen sorgen dafür, dass der Stein sich auf jeder beliebigen Bahn bewegen kann. Die Anlage schleift die Facetten auf zehn Mikrometer genau – die Steine werden also perfekt geometrisch. Weiterer Vorteil: Mit der Maschine lassen sich identische Steine herstellen – ideal für Colliers. Bis zu 30 Prozent mehr Gewicht ermöglicht das Schleifen mit der Maschine. Damit erzielt ein Stein einen deutlich höheren Preis.

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