Кремний, относительно новый в изготовлении часов материал, который начали использовать только несколько лет тому назад, продолжает демонстрировать свой потенциал. Впервые он привлек всеобщее внимание в 2005 году, когда Patek Philippe изготовил спусковое колесо из монокристаллического кремния (разработанное совместно с различными исследовательскими центрами, среди которых Ecole Polytechnique Fédérale в Лозанне, Institut de Microtechnique в университете Невшателя, Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique (COMLAB laboratory).
Это очень прочный — 1100 ед. по Виккерсу — материал (для сравнения: у стали 700 ед. по Виккерсу), устойчивый к коррозии, антимагнитный, легкий, с низкой плотностью (2,33г/см против 8 г/см стали). Задачей этого материала было также решить проблему трения, ведь одна из главных задач в изготовлении механических часов — исключить необходимость смазки. Среди физических свойств кремния — совершенная поверхность, не требующая смазки. Это особенно важно для одной из наиболее чувствительных частей ходового механизма — спуска.

Новые формы
Кроме всех вышеперечисленных преимуществ, при изготовлении кремниевых компонентов используются особые приемы (похожие на процесс фотолитографии), что позволяет изготовителю часов основательно переосмыслить формы этих деталей.




Процесс DRIE
Процесс производства кремниевых деталей DRIE (Deep Reactive Ion Etching) не имеет ничего общего с традиционными методами, потому что этот тип производства подразумевает полностью “фотографический” способ.
Картинка участка, который должен быть изготовлен, проектируется на цельный кремниевый диск размерами 100 мм в диаметре на 0,5 мм толщины. Из пластины этого размера можно изготовить 250 колес. Пластина изготовлена из трех разных основ или слоев из кремния. После того как “фото” было сделано, световой глянцевый слой смывается, и на пластине остается несветовая часть. Неглянцевая часть вытравливается плазмой до следующего уровня. Кремниевые колеса освобождаются от изотопов вытравки. Готовые детали остается только почистить. Они выглядят как обычные колеса, но не требуют балансировки, центрирования или полировки.
Процесс DRIE позволяет реализовать необычные формы при очень маленьких размерах и с большой точностью. Допустимая погрешность — половина того значения, которое допускается в традиционном производстве.


В 2006 году Patek Philippe предложил вторую инновацию — балансовую пружину Spiromax®, изготовленную из Silinvar®. Выполненная при использовании процесса вакуумного окисления, она позволяет компенсировать изменения температуры. Этот запатентованный, изготовленный на основе кремния материал — результат исследований, профинансированных Swatch Group и Rolex. Идеальная концентрическая форма (симметрично растяжение и сжатие балансовой пружины по отношению к центру) позволила сделать ее не приподнятой, а лишь слегка утолщенной к внешнему краю.





Новая геометрия, включающая внутренний баланс и дополнительный фиксатор, предлагает еще одно преимущество — совершенные изосинхронные колебания, не зависящие от изменений температуры, присутствия магнитного поля, ходовой позиции. Общая толщина спирали спускового механизма в три раза тоньше, чем самокомпенсирующей спирали Breguet. Таким образом, появляется возможность изготовления ультратонких стрелок.
Patek Philippe, продолжившая исследования геометрии кремниевых компонентов, в этом году представила свежую инновацию — спусковой механизм Pulsomax®. Принцип Pulsomax® подобен традиционному швейцарскому спусковому механизму, за одним исключением — задачей улучшить внешней вид, оптимизируя функциональность при использовании новой, эксклюзивной геометрии. Новый процесс плазменного травления DRIE позволил изготовить компоненты из Silinvar® для второго горизонтального уровня. Для нового балансира больше не нужны паллеты. Они были заменены собственно балансиром с измененным геометрическим дизайном (каждая из двух паллет имеет свою определенную форму). Балансир взаимодействует со спусковым колесом, изготовленным из Silinvar®, с 16-ю зубцами вместо традиционных 20-ти.
Результатом работы, проведенной Patek Philippe, стало то, что новый рычаг передает балансиру большую мощность, оптимизируя эффективность улучшением изосинхронности. (Patek Philippe говорит об улучшении эффективности на 30%, это значит, что те часы, завода которых раньше хватало на 48 часов, теперь будут работать 62.) Другим преимуществом является заметное улучшение внешнего вида, управления, надежности хода, отсутствие необходимости смазки на протяжении долгого периода времени.

Ulysse Nardin — первопроходец



Patek Philippe — не единственный бренд, имеющий разработки в области кремния. Ulysse Nardin стала настоящим первопроходцем в 2000 году, когда выпустила первый прототип Dual Direct Escapement из кремния. В 2002 году бренд изготовил первую балансовую пружину и спусковой механизм из искусственного алмаза, используя процесс плазменного травления.
В этом случае травление выполнялось не на монокристаллической кремниевой пластине, а на поликристаллической алмазной пластине. Ulysse Nardin впервые представила эти инновации в 2005 году в продукте под названием Freаk 28 800 Diamond Heart, снабженном дуплексным ходом прямого действия Dual Ulysse Escapement из алмаза. Спусковой механизм Ulysse Nardin был разработан Людвиг Ойцлин. 10 лет исследований привели к тому, что он был представлен на ярмарке в Базеле в 2001 году. Ойцлин объясняет: “Спусковой механизм Freak совершает полный оборот вокруг своей оси за 60 минут (карусель). Происходит эпициклоидное вращение, за исключением заводного барабана, расположенного с обратной стороны часов, который обеспечивает запас хода на 8 дней”.
Время засекается при помощи безеля с обратной стороны часов, а устанавливается при помощи безеля на передней панели. Основной задачей было сделать спуск проще и надежнее. Это удалось благодаря абсолютно симметричному спусковому механизму: два колеса передают импульс к центру. С теоретической точки зрения это можно сравнить со сложными углами спусковых рычагов. Конструкция облегчена, увеличена надежность. Уменьшено трение, вследствие чего исчезает необходимость смазки. Мы использовали материал на основе кремния, т. к. нуждались в его прочности и легком весе, для того чтобы снизить инерцию”.
В этом году после большого количества исследований Ulysse Nardin презентовала еще более инновационную концепцию Innovision, часы, которые включают в себя 10 инноваций на основе кремниевых технологий. При изготовлении спускового механизма Freak применение кремния было необходимо для того, чтобы уменьшить инерцию и устранить необходимость смазки. Спусковой механизм новой модели фундаментально отличается от созданного Patek Philippe, чьи исследования были сосредоточены на спусковом механизме швейцарского типа. Он мог бы быть реализован и в обычных материалах, хотя тогда выглядел бы намного хуже.





Innovision от Ulysse Nardin
Innovision от Ulysse Nardin — это часовой прототип, в котором объединились десять инновационных технологий, большинство из которых основаны на технологиях DRIE и LIGA (см. ниже) и включают:

Все эти инновационные детали крепятся к барабану на шарикоподшипниках, которые не требуют смазки, и кремниевому спуску Dual Ulysse. Согласно Ulysse Nardin, задача этой системы — максимально снизить потребность в смазке, извлечь выгоду из преимуществ процесса, демонстрирующего потенциал двустороннего и двухуровневого спуска, а также и далее работать над максимальной интеграцией технологий DRIE и LIGA.

Constant Escapement от Girard-Perregaux
В обычных материалах нельзя было бы реализовать Constant Escapement — наиболее продвинутый пример использования силикона, представленный в этом году на SIHH. Без применения особых свойств кремния появление этой модели на рынке было бы невозможно. Эластичность микроструктуры кремния при высокой твердости позволила изготовителям часов выйти за рамки механического производства часов, что ранее было невозможно.
Сейчас Constant Escapement все еще остается тестовой моделью, но Girard-Perregaux намеревается поставить ее производство на коммерческую основу в течение двух лет. Давайте детальнее рассмотрим, как работает это странное создание.





Его рождение было удивительным, как и многих других открытий, которым мы обязаны удаче. Николя Деон, менеджер по исследованиям и развитию Girard-Perregaux, путешествовал поездом и играл с билетом, сгибал и разгибал его между пальцами, как вдруг к нему пришла идея создать спусковой механизм без балансовой пружины, а с тонкой пластиной, которая бы легко меняла состояние натяжения. Это напоминает игрушку, с которой вы играли в детстве. Когда согнутая металлическая полоска меняла позицию, то действовала как пружина, и игрушка перемещалась вперед. Единственным материалом, который можно было использовать для осуществления идеи Деона, был кремний. Исследовательские департаменты Girard-Perregaux и Sowind Group (которой принадлежит Girard-Perregaux) были мобилизованы для осуществления этого проекта.



Диаграмма 1: швейцарский спусковой механизм: амплитуда колебаний со временем затухает

Диаграмма 2: постоянный механизм спуска: постоянная амплитуда

Диаграмма 3: стабильный баланс амплитуды механизма с постоянным спуском в несколько раз интенсивнее по сравнению со стандартным или швейцарским спусками


Пластина тоньше человеческого волоса
Полоса или пластина, которая тоньше человеческого волоса. Прямоугольное поперечное сечение толщиной в 20 мкм и шириной 1/10 мм, длина — приблизительно 20 мм. Пластина, которая служит вместо импульсного рычага, является частью трехчастной эллиптической детали, изготовленной из монокристаллического кремния при помощи плазменного травления. Она выполняет функции спусковой пружины.
Эта пружина функционирует как микроаккумулятор энергии. Каждый раз, когда генератор коле6аний вибрирует, он сберегает и затем высвобождает небольшое количество энергии — меньше одного мДж. Эта энергия сохраняется в спусковом механизме, который скручивается и из стабильного состояния переходит в самостабилизирующее, которое по определению имеет больший энергетический запас. Переход из первого состояния во второе высвобождает энергию, которая служит для обеспечения стабильного баланса амплитуды до того момента, пока запас энергии не закончится.
Эта “константная” энергия передается на колеса спускового механизма импульсным рычагом, который имеет два разных плеча. Один несет закрепляющую рамку, другой — две пары импульсных камней, между которыми располагается тонкая пластинка спускового механизма. Импульсный рычаг изготовлен из чистого никеля при использовании технологии LIGA. Два колеса спуска имеют 6 зубцов, они также служат для уменьшения трения и изготовлены из кремния, но их можно было сделать и из какого-то традиционного металла. Спусковой рычаг заряжает пластину (она также изготовлена из чистого никеля и покрыта позолотой) энергией.




Процесс LIGA
LIGA (немецкая аббревиатура от “литография”, “гальванопокрытие” и “формовка”, lithography, electroplating, moulding) — это технический и микропроизводственный камбэк в начало 1980-х, когда комбинировались фотолитография и гальванопокрытие. Первое применялось в медицине. Эта смешанная технология используется сейчас для производства высококачественных микродеталей с идеально обработанными поверхностями. LIGA также позволяет пересмотреть формы и функции некоторых деталей. В сотрудничестве с фирмами Sigatec и Mimotec Ulysse Nardin переработала различные детали для своих инновационных часов комбинированием технологий DRIE и LIGA, получив “двуматериальные” детали из кремния и никеля.


Согласно исследованиям Girard-Perregaux, новый тип спускового механизма обеспечивает постоянные энергетические импульсы, которые обеспечивают постоянную амплитуду и ход. (Возвращаясь к примеру прыгающей игрушки: нажатие на металлическую полосу с большей или меньшей силой не меняет амплитуду прыжка, которая зависит лишь от перемещения полосы из одной позиции в другую). Constant Escapement, как и традиционный спуск, совершает два колебания за один полуоборот балансового колеса.
Конечная цель Girard-Perregaux — постепенно интегрировать инновацию в производство часов. Для дальнейшей разработки и тестирования необходимо приблизительно два года, пока спусковой механизм полностью не подтвердит необходимость коммерциализации производства. С эстетической точки зрения также открываются новые горизонты: не только в оформлении циферблата, в котором большая часть спускового механизма будет открыта для обозрения, но и в других внешних характеристиках.
Идеально плоские поверхности, которые теперь создаются из кремния, сложно было создать в традиционном часовом деле.
В дополнение, предлагаются очень необычные переливающиеся цвета — от бирюзового до пурпурного, зависит от угла зрения. Эффект создается благодаря использованию в покрывающем слое диоксида кремния. Разве у кого-то могут быть сомнения, что силикон — это один из новых рубежей в современном часовом искусстве?




Frédérique Constant и ее Tourbillon Manufacture с кремниевым колесом спуска
В прошлом году Frédérique Constant представила одну из своих моделей Heart Beat, оснащенную кремниевым колесом спуска. В этом году женевский бренд представил новый турбийон собственного дизайна, в котором интегрировано такое же колесо спуска из силикона. Принципиальное преимущество этой инновации — в большей точности турбийона из-за меньшего веса колес и снижения трения. Frédérique Constant подчеркивает, что может добиться амплитуды в более чем 300 градусов между вертикальной и горизонтальной позициями. Более того, частота колебаний баланса этого турбийона — 4 Гц или 28 800 пк/час.




Extreme LAB: другой путь
Extreme LAB от Jaeger-LeCoultre — первые часы, в которых смазка не используется вовсе. Марка достигла этого, комбинируя различные материалы и способы обработки поверхностей. В этих часах, однако, только колесо спуска изготовлено из кремния. А что касается других деталей, марка использует новые формы и целые серии инновационных материалов:

• камни были заменены подшипниками из нитрида углерода;
• болты и опоры изготовлены из листовой стали и обработаны молибденовым бисульфидом;
• верх паллет сделан из черного монокристаллического бриллианта;
• детали заводного и установочного механизма обработаны никелем “тефлон” (Nickel PTFE);
• ровный ход балансира был достигнут благодаря керамической опоре;
• балансир имеет оригинальную форму и состоит из двух отдельных элементов: опоры из углеволокна и иридиево-платиновых сегментов — из самого тяжелого из существующих материалов (не токсичен);
• баланс из иридия-платины;
• каретка турбийона из магниевого сплава.
  
  
  Источник: журнал Europa Star сентябрь-октябрь 2008