DIE SPIRALFEDER
Die Spirale hat auf dem Unruh einer Uhr die gleiche Funktion wie die Gravitation auf das Pendel einer Uhr. Ihre Aufgabe besteht darin, den Oszillator (Unruh oder Pendel) ständig zum mittleren Punkt seiner Amplitude zurückzuführen: den Ruhepunkt (so benannt, weil dies die Position ist, die der Oszillator einnimmt, wenn er keine Energie mehr erhält und stehen bleibt). Das zentrale Ende der Spirale ist durch eine Virolle (beweglicher Teil) am Unruhachsen befestigt. Das periphere Ende der Spirale ist durch einen Stift (fester Punkt) am Unruhkloben befestigt.
Wenn die Ankerpalette ihre Impuls an die Unruh überträgt, beginnt diese ihre freie Schwingung. Die Spirale dehnt sich aus, bremst die Unruh, bis sie stehen bleibt, und bringt sie zum Ruhepunkt zurück. Die Unruh erhält dann einen Impuls, der eine entgegengesetzte Schwingung startet. Die Spirale zieht sich zusammen und bringt auch die Unruh zum Ruhepunkt zurück.
Die Verantwortung für die Präzision liegt bei der Spirale. Unabhängig davon, ob die Energie der Impulse, die an die Unruh übertragen werden, maximal oder minimal ist, und unabhängig von dem vom Unruh zurückgelegten Winkel (Amplitude) muss jede Schwingung genau die gleiche Dauer haben (Periode). Die aktive Länge der Spirale bestimmt die Genauigkeit der Uhr. Wenn die Spirale zu kurz ist, geht die Uhr vor, wenn sie zu lang ist, geht die Uhr nach. Uhren mit einer Rake ermöglichen eine Änderung der aktiven Länge der Spirale, die in diesem Fall durch die Position der beiden Rakenstifte bestimmt wird. Da sich die Spirale nicht perfekt konzentrisch zur Unruhachse entwickelt, erzeugt sie in vertikalen Positionen schädliche Ungleichgewichtsfehler. Angesichts dieser Feststellung hatten einige Uhrmacher die Idee, die äußere Windung der Spirale zu ändern. Indem man diese anhebt, sie über die horizontale Ebene der Spirale zurückführt und in dieser Position am Unruhkloben befestigt, verbessert man die Konzentrik der Spirale erheblich, wenn sie arbeitet (Breguet-Endkurve, Philips-Endkurve). Zylindrische (helikale), sphärische Spiralen mit doppelter Endkurve ermöglichen eine nahezu konzentrische Entwicklung der Spirale. Ihre komplexe Herstellung und der Platzbedarf, den sie erfordern, beschränken ihren Einsatz in Armbanduhren auf einige Ausnahmeuhren.
Aufgrund der vielen Faktoren, die sich auf ihren reibungslosen Betrieb auswirken, der Präzision und Genauigkeit, die alle Schritte ihrer Herstellung erfordern (vom Gießen der Legierung bis zur endgültigen Einstellung), wird die Spirale zu Recht als das wichtigste, empfindlichste und schwer herzustellende Bauteil betrachtet. Die Spirale ist sicherlich das Bauteil, das bei ihrer Herstellung am meisten Fachkenntnisse und Expertise erfordert.
Obwohl die traditionelle Herstellung von Spiralen aus Stahl (Elinvar) fortbesteht, stammt sie höchstens von etwa zehn Häusern. Das Aufkommen von Silizium ab 2000 führt zu einem explosionsartigen Anstieg seines Marktanteils in der Spiralenproduktion.
Im Jahr 1675 lässt Christian Huygens, der zwanzig Jahre zuvor die Pendeltheorie (Isochronismus) entdeckt hat, wahrscheinlich unterstützt durch die Vorarbeiten von Abbé de Hautefeuille in Frankreich und Dr. Robert Hooke in England, die erste Uhr mit einem Unruh-Spiral-Regulator herstellen. Tragbare Uhren (Reiseuhren), Navigationsuhren (Marinechronometer) und Armbanduhren konnten nun existieren und gaben der mechanischen Uhrmacherkunst die Grundlagen ihrer technischen Prinzipien. Prinzipien, die seitdem durch das Wissen und die technologischen Fortschritte ständig verbessert wurden, aber in ihren Grundlagen bis heute unverändert geblieben sind.
Die Uhrmacher übernehmen Huygens‘ Prinzip und erkennen schnell, dass der Einfluss von Temperaturschwankungen und dem Gleichgewicht (konzentrische Entwicklung der Spirale) signifikant ist. Im Jahr 1766 entwickelt John Harrison ein System zur thermischen Kompensation. Ein Bimetallstreifen steuert die Bewegungen der Rake, um die aktive Länge der Spirale zu korrigieren, wenn sie sich ausdehnt oder zusammenzieht. So renommierte Uhrmacher wie Ferdinand Berthoud, Pierre Le Roy oder A.-L. Breguet verfeinern Harrisons Arbeit oder entwickeln ihre eigenen Lösungen zur thermischen Kompensation (Bimetall-Unruh usw.). Im Jahr 1782 meldet John Arnold ein Patent für eine zylindrische Spirale an. Diese entwickelt sich konzentrisch zur Unruhachse, im Gegensatz zur flachen Spirale von Huygens. Diese Art von Spirale ermöglicht eine außergewöhnliche Chronometrie, insbesondere wenn sie mit einer Ankerhemmung kombiniert wird. Chronometrie, Navigation und folglich die Exploration profitieren von dieser wahren Revolution. Die zylindrische Spirale erfordert viel mehr Herstellungsschritte und Fachkenntnisse als eine flache Spirale und benötigt einen Raum, der die Dicke eines Uhrwerks erheblich beeinträchtigen kann. Daher beschränkt sich ihre Verwendung in getragenen Uhren auf einige Ausnahmeuhren.
Es dauert bis 1919, dass Charles-Edouard Guillaume, der das Invar fünfundzwanzig Jahre zuvor erfunden hat, das Elinvar (elastisch und invariabel) entwickelt. Dies wird die Spiralen mit seinem geringen Ausdehnungskoeffizienten, einem idealen Elastizitätsmodul und einer geringen Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern revolutionieren. Zusammen mit seinen Arbeiten zum Invar brachte Guillaume der Physik 1920 den Nobelpreis ein und ist immer noch die Legierung, die in der traditionellen Herstellung von Spiralen verwendet wird.
Seit 2000 hat die Anwendung der fotolithographischen Siliziumproduktionstechnologien die Welt der Spiralen revolutioniert. Ihre Herstellung erfordert teure Hochtechnologien, aber ihr Verfahren ist einfach zu beherrschen. Dies ermöglicht eine qualitativ hochwertige Produktion in großen Mengen. Schließlich weist das Material (Silizium) eine ausgezeichnete Elastizität auf, ist nicht magnetisch und widersteht Verschleiß und Korrosion bemerkenswert gut. Diese Produktionsmethode erlebt seitdem einen ständig wachsenden Aufschwung.
Diese Methode verwendet auch heute noch die von Guillaume erfundene Elinvar-Legierung als Material. Diese komplexe Legierung wird hauptsächlich von der Uhrmacherkunst und in geringen Mengen verwendet. Einige wenige Hersteller bieten sie zu einem erheblichen Preis an. Die Legierungshersteller liefern Elinvar in einem Draht von etwa 0,8-1 mm Durchmesser. Die ersten Herstellungsschritte einer Spirale bestehen darin, diesen Draht zu ziehen, um seinen Durchmesser zu reduzieren. Der Draht wird durch aufeinander folgende Matrizen gezogen, die allmählich kleiner werden. Der Drahtdurchmesser nimmt ab, und seine Länge nimmt zu. Es wird also kein Material (bearbeitet) während dieser Operationen entfernt. Sobald der berechnete Drahtdurchmesser erreicht ist, werden verschiedene Walzschritte durchgeführt. Das Prinzip ist dasselbe wie beim Ziehen, aber diesmal wird der Draht zwischen Walzen gezogen, bis er die gewünschte rechteckige Form hat. Sobald die Abmessungen der Form erreicht sind, können die Blätter auf ihre nahezu endgültige Länge geschnitten werden. Dann wird die Form der Feder gegeben, indem mehrere Blätter in Trommeln (Straps) gewickelt werden, die verschiedenen extrem empfindlichen Wärmebehandlungen unterzogen werden. Die Federn erstarrt so in ihrer endgültigen Form und erhalten ihre elastischen Eigenschaften. Die Federlänge wird dann verfeinert (Innen- und Außenschneiden), die äußere Kurve wird geformt und ihre Virole wird innen und ihr Stift außen befestigt. Dann wird ihre Elastizitätsmodul mit einem hochpräzisen Instrument gemessen, mit dem auch die Trägheit der Unruh gemessen wird. Dieser Schritt ermöglicht eine ideale Paarung von Unruh und Spirale für optimale Chronometrie. Schließlich kann die Spirale auf die Achse ihrer Unruh gesetzt werden, und die zahlreichen manuellen Schritte, wie Zentrieren, Flachlegen, Ausbalancieren und Einstellen, können durchgeführt werden. Diese Schritte können nur von Hand durchgeführt werden und erfordern eine außergewöhnliche Geschicklichkeit.
Nur etwa zehn Häuser beherrschen diese Produktionsmethode. Viele Uhrmacher und Marken sind daher gezwungen, sich von ihnen zu beliefern.
Im Jahr 2000 in der Uhrmacherkunst aufgetaucht, hat Silizium buchstäblich die Produktion vieler Komponenten und insbesondere der Spirale revolutioniert. Obwohl die Produktions technologie komplex ist, erfordert die Produktion viel weniger Fachkenntnisse und erfordert oft nur einen automatisierten Schritt. Diese Methode wird für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen verwendet. Der Ansatz besteht darin, eine Siliziumplatte mit einer bestimmten Dicke (in der Regel die des fertigen Bauteils) durch photolithographische Verfahren zu schneiden (zu gravieren). Diese Methode ermöglicht die Herstellung der komplexesten Profile mit einer Präzision im Mikrometerbereich. Abhängig von der Größe der herzustellenden Komponenten können mehrere hundert Teile gleichzeitig auf derselben Substratplatte hergestellt werden. Die komplexesten Profile können ohne die Unannehmlichkeiten eines Fräswerkzeugs oder sogar eines Drahterosionsgeräts erreicht werden. Da dieses Verfahren keine mechanischen Belastungen erzeugt, ist es möglich, sehr feine Komponenten (Federn usw.) herzustellen oder sie zu durchbrechen, um das Gewicht zu reduzieren. Silizium ist ein Material, das eine höhere Härte als Stahl aufweist, ein hervorragendes Elastizitätsmodul hat und nicht magnetisch ist. Die Fortschritte in dieser Technologie und ihr Erfolg machen sie immer attraktiver in Bezug auf die Produktionskosten und tendieren dazu, sich für die Herstellung vieler Komponenten zu verbreiten (insbesondere für die Hemmung und das Regulatororgan).