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DIE SPIRALE

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Abbildung 1

Explosionsdarstellung des Regulierorgans

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Abbildung 2

Plan einer flachen Spirale

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1. Allgemeine Beschreibung

Die Spirale ist eine metallische Klinge oder eine Klinge aus Silizium, oder sogar aus Kohlenstoff-Nanoröhren, mit rechteckigem Querschnitt. Sie ist spiralförmig um sich selbst gewickelt und zählt im Allgemeinen zwischen 12 und 15 Windungen (Abbildung 2). In Verbindung mit der Unruh bildet sie das Regulierorgan der mechanischen Uhren.

2. Rolle der Spirale

Die Spirale hat dieselbe Funktion bei der Unruh einer Uhr, wie die Schwerkraft auf das Pendel einer Grossuhr. Ihre Aufgabe ist es, den Oszillator (Unruh oder Pendel) ständig zum Mittelpunkt jeder seiner Halbschwingungen zurückzuführen: den toten Punkt (so genannt, weil dies die Position ist, die der Oszillator einnimmt, wenn er keine Energie mehr erhält und stehen bleibt). Das mittlere Ende der Spirale wird an der Unruhwelle mittels einer Spiralrolle (Virole) (beweglicher Teil) befestigt. Das äussere Ende der Spirale wird am Unruhkloben mittels eines Spiralklötzchens (Fixpunkt) befestigt.

Wenn der Anker überträgt seinen Impuls auf die Unruh, diese beginnt ihre freie Halbschwingung. Die Spirale entwickelt sich in Kontraktion, bremst die Unruh bis zum Stillstand und führt sie zum toten Punkt zurück. Die Unruh erhält dann einen Impuls, der eine entgegengesetzte Halbschwingung einleitet. Die Spirale entwickelt sich dann in Extension und führt die Unruh ebenfalls zum toten Punkt zurück.

Der Spirale kommt die Verantwortung für die Präzision zu. Ob die auf die Unruh übertragene Energie der Impulse maximal oder minimal ist und unabhängig vom Winkel, den die Unruh durchläuft (Amplitude), muss jede Halbschwingung genau die gleiche Dauer haben (Periode). Das ist der Isochronismus. Die aktive Länge der Spirale bestimmt die Präzision der Regulierung der Uhr. Wenn die Spirale zu kurz ist, geht die Uhr vor, wenn sie zu lang ist, geht die Uhr nach.

3. Konstruktionen und Materialien

Die mit einem Rücker ausgestatteten Uhren ermöglichen es, die aktive Länge der Spirale zu verändern, die in diesem Fall durch die Position der beiden Rückerstifte. Da die Spirale sich nicht perfekt konzentrisch zur Unruhwelle entwickelt, erzeugt sie in den vertikalen Lagen nachteilige Gleichgewichtsfehler. Aufgrund dieser Feststellung kamen manche Uhrmacher auf die Idee, die äußere Windung der Spirale zu verändern. Indem sie diese anheben und über die horizontale Ebene der Spirale zurückführen. Indem sie sie in dieser Position am Unruhkloben, verbessert man die Konzentrizität der Spirale beim Arbeiten erheblich (Breguet-Endkurve, Philips-Endkurve). Zylindrische (Schrauben-) Spiralen, sphärische Spiralen mit doppelter Endkurve ermöglichen eine nahezu konzentrische Entwicklung der Spirale. Ihre komplexe Herstellung und der von ihnen benötigte Platzbedarf beschränken ihre Anwendung in Armbanduhren auf einige wenige Ausnahmeuhren (Abbildung 3).

Abbildung 3

Modell einer Chronometerhemmung mit zylindrischer Spirale

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Traditionell werden Spiralen aus einer Legierung namens Elinvar. Diese Legierung, 1920 von Charles-Édouard Guillaume erfunden, besitzt den Vorteil eines ausgezeichneten Elastizitätsmoduls, eines geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einer relativen Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Einfluss magnetischer Felder (im Vergleich zu herkömmlichen Stahllegierungen). Die Herstellung von Spiralen aus Elinvar erfordert grosses Know-how und höchste Präzision. So beherrschen nur etwa zehn Häuser diese Fertigung (siehe Register industrielle Methode weiter unten).

Anfang der 2000er Jahre aufgekommen, bieten die Spiralen aus Silizium den Vorteil eines besseren Elastizitätsmoduls als Stahl und sind vollständig unmagnetisch. Ihre Herstellungskosten sind gering und ihre Fertigungstechnologie ermöglicht bisher unbekannte Profile. Allerdings sind sie sehr spröde und jede Korrektur ihrer Form ist unmöglich (siehe Register Hi-Tech-Methode weiter unten). Die Verwendung von Spiralen aus Silizium tendiert heute dazu, sich zu verallgemeinern.

4. Eigenschaften und Berechnungen

Abbildung 4

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5. Geschichte

Im Jahr 1675 lässt Christian Huygens, der zwanzig Jahre zuvor die Theorie des Pendels entdeckt hatte (Isochronismus), wahrscheinlich unterstützt durch die Vorarbeiten von Abbé de Hautefeuille in Frankreich und Dr. Robert Hooke in England, die erste durch eine Unruh-Spirale regulierte Uhr herstellen. Tragbare Uhren (Reiseuhren), Navigationsuhren (Marinechronometer) und Armbanduhren konnten von diesem Zeitpunkt an existieren und der mechanischen Uhrmacherei die Grundlagen ihrer technischen Prinzipien geben. Prinzipien, die seither durch Wissen und technologische Entwicklungen ständig verbessert wurden, deren Grundlagen jedoch bis heute unverändert geblieben sind.

Die Uhrmacher übernehmen das Prinzip von Huygens und werden sich rasch bewusst, dass der Einfluss der thermischen Schwankungen und des Gleichgewichts (konzentrische Entwicklung der Spirale) erheblich ist. 1766 ersinnt John Harrison ein System zur thermischen Kompensation. Eine bimetallische Klinge steuert die Bewegungen des Rückers, um die aktive Länge der Spirale zu korrigieren, wenn diese sich ausdehnt oder zusammenzieht. So angesehene Uhrmacher wie Ferdinand Berthoud, Pierre Le Roy oder A.-L. Breguet werden die Arbeiten von Harrison verfeinern oder eigene Lösungen zur thermischen Kompensation ersinnen (bimetallische Unruh usw.). 1782 meldet John Arnold das Patent für eine zylindrische Spirale an. Diese entwickelt sich konzentrisch um die Unruhwelle, im Gegensatz zur flachen Spirale von Huygens. Diese Art von Spirale ermöglicht eine aussergewöhnliche Ganggenauigkeit, insbesondere in Verbindung mit einer Chronometerhemmung. Die Chronometrie, die Navigation und somit die Erforschung werden von dieser wahren Revolution profitieren. Die zylindrische Spirale erfordert wesentlich mehr Fertigungsschritte und Fachwissen als eine flache Spirale und benötigt ein Volumen, das die Dicke eines Uhrwerks erheblich beeinträchtigen kann. Deshalb beschränkt sich ihr Einsatz in getragenen Uhren auf einige Ausnahmeuhren.

Erst 1919 entwickelte Charles-Édouard Guillaume, der fünfundzwanzig Jahre zuvor das Invar erfunden hatte, das Elinvar (elastisch und unveränderlich). Diese Legierung sollte die Spiralen revolutionieren, dank ihres niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, eines idealen Elastizitätsmoduls und einer geringen Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern. Sie brachte Guillaume 1920 mit seinen Arbeiten über das Invar den Nobelpreis für Physik ein und ist bis heute die in der traditionellen Herstellung von Spiralen verwendete Legierung.

Seit dem Jahr 2000 ermöglicht die Anwendung der Herstellungstechnologie DRIE aus Silizium hat die Welt der Spiralen revolutioniert. Ihre Herstellungsmethode erfordert kostspielige Hochtechnologien, doch ihr Prozess ist einfach zu meistern. Sie ermöglicht eine qualitativ hochwertige Produktion in großen Mengen. Zudem weist der Werkstoff (Silizium) eine ausgezeichnete Elastizität auf, ist unmagnetisch und widersteht bemerkenswert gut Verschleiß und Korrosion. Diese Produktionsmethode erlebt seither einen stetig anhaltenden Aufschwung.

6. Traditionelle Herstellung einer Spirale (Stahl)

Diese Methode verwendet als Werkstoff bis heute noch die Legierung Elinvar erfunden von Ch.-E. Guillaume. Diese in der Herstellung komplexe Legierung wird hauptsächlich von der Uhrmacherei und in verschwindend geringer Menge verwendet. Eine Handvoll Hersteller bietet sie zu einem erheblichen Preis an. Die Hersteller der Legierung (Gießereien) liefern das Elinvar als Draht mit einem Durchmesser von etwa 0,8-1 mm. Die ersten Fertigungsschritte einer Spirale bestehen darin, diesen Draht zu ziehen, um seinen Durchmesser zu verringern. Der Draht wird durch aufeinanderfolgende, allmählich kleinere Ziehsteine gezogen. Der Durchmesser des Drahtes verringert sich und seine Länge nimmt zu. Während dieser Vorgänge wird also kein Material entfernt (bearbeitet). Sobald der berechnete Durchmesser des Drahtes erreicht ist, erfolgen verschiedene Schritte der Walzung. Das Prinzip ist dasselbe wie beim Drahtziehen, jedoch wird der Draht dieses Mal zwischen Walzen gezogen, bis er den gewünschten rechteckigen Querschnitt erhält. Sobald die Abmessungen des Querschnitts erreicht sind, können die Klingen auf ihre fast endgültige Länge geschnitten werden. Anschließend wird die Form der Feder gegeben, indem mehrere Klingen auf Trommeln (Estrapaden) aufgewickelt werden, die verschiedenen Wärmebehandlungen extrem sensiblen Vorgänge. Die Federn erhalten so ihre endgültige Form und ihre elastische Eigenschaft. Die Länge der Spirale wird anschliessend verfeinert (innerer und äusserer Schnitt), man formt die äussere Kurve und befestigt ihre Spiralrolle (Virole) innen und ihr Spiralklötzchen aussen. Anschliessend wird sein Elastizitätsmodul mit einem hochpräzisen Instrument gemessen, mit dem auch die Trägheit der Unruhen gemessen wird. Dieser Schritt ermöglicht eine ideale Paarung Unruh-Spirale für eine optimale Chronometrie. Schliesslich kann die Spirale auf die Unruhwelle aufgezogen werden, und die zahlreichen manuellen Schritte des Zentrierens, Planlegens, Auswuchtens und Regulierens können durchgeführt werden. Diese Schritte können nur von Hand ausgeführt werden und erfordern eine aussergewöhnliche Fingerfertigkeit.

Ob Marken oder Zulieferer, nur etwa ein Dutzend Häuser beherrschen diese Produktionsmethode. Viele Uhrmacher und Marken sind daher gezwungen, sich bei ihnen zu versorgen.

7. High-Tech-Herstellung einer Spirale (Silizium)

Bereits im Jahr 2000 in der Uhrmacherei aufgetaucht, hat das Silizium die Herstellung zahlreicher Komponenten und insbesondere der Spirale buchstäblich revolutioniert. Wenn die Produktionstechnologie (DRIE) ist komplex, die Produktionskosten sind gering und ermöglichen eine dauerhafte Wiederholbarkeit sowie absolute Präzision. Diese Methode wird für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen verwendet. Das Prinzip besteht darin, eine Siliziumplatte von gegebener Dicke (in der Regel die des fertigen Bauteils) mittels photolithographischem Verfahren zu schneiden (zu ätzen). Diese Methode ermöglicht die Realisierung der komplexesten Profile mit einer Präzision bis zum Mikron. Je nach Größe der herzustellenden Bauteile können mehrere hundert Teile gleichzeitig auf derselben Scheibe (Wafer) hergestellt werden. Die komplexesten Profile können ohne den Nachteil der Radien eines Fräswerkzeugs oder sogar des Drahts einer Maschine zur Elektroerosion erzielt werden. Da dieses Verfahren keine mechanische Belastung ausübt, ist es möglich, sehr feine Bauteile (Federn usw.) herzustellen oder sie zu durchbrechen, um ihr Gewicht zu begrenzen. Silizium ist ein Werkstoff mit einer höheren Härte als Stahl, einen ausgezeichneten Elastizitätsmodul aufweist und unmagnetisch ist. Die Fortschritte dieser Technologie und ihr Erfolg machen sie in Bezug auf Produktionskosten immer attraktiver und tendieren dazu, sich für die Herstellung zahlreicher Bauteile zu verallgemeinern (insbesondere für die Hemmung und das Regulierorgan).