Силиконовые часы

Что связывает роскошные бюсты голливудских красавиц и часовые механизмы? В основе силикона для имплантатов и в исходном материале для производства деталей высокотехнологичных часов лежит один и тот же элемент – кремний. 

Что связывает роскошные бюсты голливудских красавиц и часовые механизмы? В основе силикона для имплантатов и в исходном материале для производства деталей высокотехнологичных часов лежит один и тот же элемент – кремний.

Все слышали о кремниевой долине, однако при слове «силикон» фантазия некоторых граждан дает трещины, и, вместо главного в мире центра по разработке электронных компонентов рисует совсем непотребные картины. Виной всему тонкости перевода, равно как и в случае с цирконами и цирконием, который мы описывали в одном из предыдущих номеров. В таблице Менделеева химический элемент кремний фигурирует под номером 14 и аббревиатурой Si – сокращением от Silicium (лат.) или Silicon (анг.). Начинает проклевываться связь кремния с силиконом? Да, в основе пресловутого состава лежит именно кремний, равно как присутствует он и в процессорах, микросхемах и прочих полупроводниковых приборах. А еще его добавляют как легирующий элемент в чугун и сталь, так как он повышает механическую прочность. Кремний является необходимым компонентом многих специальных сплавов для атомной и электронной промышленности.

Предостережем вас еще от одной ошибки. Кремний - это самостоятельный химический элемент и его не следует путать с кремнем, который является минеральным образованием. В чистом виде кремний встречается достаточно редко и по внешнему виду больше похож на черное стекло.
Не будет преувеличением сказать, что наш герой лежит в основе всех компьютерных технологий. Однако нам он интересен совсем в другой плоскости: если производителей электронных компонентов привлекли его свойства полупроводника, то часовщиков заинтересовали преимущественно физические характеристики материала.

Кремний в полтора раза тверже стали, стоек к химическим и температурным воздействиям (температура его плавления 1415 С^о), абсолютно равнодушен к магнитному полю, устойчив к истиранию и коррозии. А это значит, что детали из кремния позволяют сделать часовой механизм более легким, не нуждающимся в смазке, надежным и долговечным. Прежде всего это относится к наиболее критичному узлу механизма – спуску.

С момента изобретения часов к спуску предъявлялись самые высокие требования. Этот узел – самый «быстрый» в механизме: за год баланс часов совершает в два раза больше движений, чем двигатель среднестатистической легковушки. При этом спуск находится на самом конце колесной передачи, и малейшие потери энергии при трении между его деталями способны привести к остановке часов. В отличие от двигателя автомобиля, все детали которого совершают вращательные движения, зубья спускового колеса скользят по палетам вилки. Именно это движение и толкает анкер, но оно создает трение между деталями, а, значит, вызывает их износ и понижает КПД механизма. Часовщики пытались понизить трение путем расчета оптимальной геометрии деталей и подбора материалов. Так родились различные конструкции спуска, в том числе признанный оптимальным швейцарский анкерный спуск, а на концах вилки появились рубиновые палеты. Однако все эти решения не избавляют от износа и необходимости регулярной смазки трущихся поверхностей. Для владельца часов это означает постепенное ухудшение характеристик и обязательное посещение мастерской каждые 2-3 года.

Кто на новенького?

В качестве новатора и первопроходца в части использования кремния в часовом спуске в 2004 году выступил Patek Philippe. По словам Жасмины Стил, директора по международным коммуникациями компании, над внедрением технологии, не требующей регулярной смазки узлов, работали более 15 лет, и она была одно из приоритетных направлений. Также мисс Стилл заявила, что благодаря использованию кремния, достигнута невиданная раньше точность изготовления деталей. Ее поддержал и г-н Жан-Фредерик Дюфур, находившийся на момент заявления на посту главы марки Zenith: « Это превосходный материал, невозможно изготовить деталь точнее, чем при производстве ее из кремния, ведь она не вырезана на станке, а напечатана – это фантастика!»

По пути Patek Philippe немедленно последовала Breguet, примерно в то же время продемонстрировала свои наработки в кремниевых технологиях Franck Muller Group. А еще один гранд часового искусства Ulysse Nardin обошел конкурентов, выпустив механизм, где детали спуска были изготовлены из очень похожего на кремний по свойствам углерода. Свой материал в Ulysse Nardin назвали синтетическим алмазом (cultivated diamond). Следом подтянулся Frederique Constant, показав часы с кремниевым спусковым колесом и балансом.

Почем колеса?

Глава Frederique Constant Петер Стас однажды заявил. что на разработку кремниевого баланса, компании пришлось выложить более полумиллионов франков. Уже упомянутый г-н Дюфур не называл точных цифр, но говорил о «миллионах франков» инвестированных в кремниевое будущее Zenith.

Кроме самих мануфактур, в Швейцарии есть и другие производители, специализирующиеся на производстве кремниевых компонентов для самых разных сфер. Например, компания Sigatec производит фильтры такой точности, благодаря которым можно отфильтровать из крови зараженные вирусами частицы. Эта же компания производит и узлы спуска и системы баланс-спираль для всех желающих. Однако желающих не так много, все дело в цене комплектующих, обоснованной колоссальными инвестициями. Так еще один из свободных производителей кремниевых компонентов компания Atokalpa инвестировала в цикл производства спускового узла из кремния 36 миллионов франков, и при этом не имеет возможности производить более 100 000 узлов в год. Как говорится, не нужно быть Грефом, чтоб посчитать…

Напечатайте мне часы

Коль скоро мы вплотную приблизились к техническим аспектам производства продвинутых часовых деталей, следует подробно рассказать о том, как появляются на свет эти невероятно точные и абсолютно одинаковые элементы.

Завораживающее и непонятное слово «фотомануфактура» будоражит фантазию почитателей часового эксклюзива и рисует в воображении что-то не менее масштабное, чем ядерный реактор. В реальности в производстве кремниевых деталей, применяется технология глубокого реактивного ионного травления (DRIE). Для этого контуры анкерного колеса многократно проецируются на круглую кварцевую пластину. Как правило, используются пластины толщиной 0,5 мм разных размеров (от 25,4 мм до 300 мм). Они вырезаются из кремниевого слитка при помощи алмазных лезвий или алмазной проволоки, затем полируются с обеих сторон. Из одной 100-мм пластины можно изготовить до 250 абсолютно идентичных спусковых колес.

Готовая к обработке кремниевая пластина похожа на вафлю и состоит из трех слоев, средний из которых является разделительным. После того, как изображение детали спроецировано на пластину, засвеченный слой удаляется, а незасвеченные детали остаются на пластине. Затем незасвеченный слой протравливается до разделительного слоя, после чего колеса высвобождаются изотропным травлением.
В отличие от традиционного пути, когда колеса или вилки сперва вырубаются из листа металла, а затем подвергаются нескольким видам механической обработки с целью придать им необходимую форму, кремниевые детали не нуждаются ни в центровке, ни в балансировке, ни в полировке. На выходе из реактора все они совершенно одинаковы и имеют точно заданные размеры, поэтому перед сборкой остается только очистить поверхности: Как правило, по технологии DRIE производят колеса, анкерные вилки, спирали баланса.

Не без проблем

Казалось бы, живи и радуйся. А попутно жди, пока кремниевые технологии в часах (со скоростью удешевления кремния в электронике) станут доступны пусть не всем, но большому количеству компаний. Но без загвоздок все же не обошлось. Абсолютно безразличный к воздействию электромагнитного поля полупроводник кремний способен сам вырабатывать электричество. Изгибы спирали при колебаниях вызывают пьезоэлектрический эффект, и витки начинают отталкиваться друг от друга, нарушая работу баланса и снижая точность часов.

Часовые производители столкнулись с новой задачей и начали искать способы избавления от статического электричества на кремниевых спиралях. И совсем скоро пришли к выводу, что кремниевые детали – особенно волосок – нуждаются в обязательном покрытии, тогда все проблемы с электричеством исчезают. Первой проблему решили в Jaeger-LeCoultre, покрыв тончайшим алмазным слоем, а затем подвергнув плазменной полировке все детали узла баланс-спираль. Самое интересное, что проблему накопления статического электричества в JaegerLeCoultre решили, можно сказать, случайно. С помощью этого покрытия и полировки изначально пытались снизить до минимума коэффициент трения между палетами и зубьями анкерного колеса, ведь при контакте деталей из диоксида кремния коэффициент трения составляет 0,16, между сталью и рубином – 0,13, а между алмазом и алмазом – всего лишь 0,08. Но, как выяснилось, вдобавок ко всему алмазное покрытие кремниевых деталей лишает их возможности накапливать статическое электричество.

Сейчас кремниевые технологии отработаны до высокого уровня, а высокотехнологичными антимагнитными волосками и узлами спуска оснащаются часы брендов верхней ценовой категории. Однако есть все основания полагать, что использовать последние технические достижения совсем скоро смогут и производители более доступных часов.

Автор: Дмитрий Лисов
При перепечатке активная ссылка обязательна

Теги: кремний