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Dienstag, 23. Januar 2018

Feinmechanik

Reibungslose Revolution

Von Ilona Hörath | 3. Juni 2016 | Ausgabe 22

Ein mechanisches Uhrwerk muss mehrmals die Woche aufgezogen werden. Sechs Wochen am Stück läuft nun ein Prototyp mit Siliziumkomponenten – fast ohne Reibung und ohne das klassische Ticktack einer Uhr.

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Foto: Parmigiani Fleurier

Reibungsloser Ablauf: Das Uhrwerk verliert kaum Energie durch Reibung – dafür läuft es umso länger.

Vier wesentliche Abläufe sind es, die seit Jahrhunderten die traditionelle Funktionsweise von Maschinen, aber auch von mechanischen Uhrwerken auszeichnen: Energie wird erzeugt, dann gespeichert, übertragen und reguliert. Wer Uhrmachergeschichte schreiben will, muss an dem einen oder anderen der vier „Schräubchen“ drehen, um Innovationen hervorzubringen. Mit seiner kürzlich vorgestellten Konzeptuhr „Senfine“ (ital.: ohne Ende) hat die erst 1996 gegründete Luxusuhrenmanufaktur Parmigiani Fleurier mit traditionellen Prinzipien der Uhrenkonstruktion gebrochen.

Worin die uhrmacherische Herausforderung der Senfine liegt, weiß der gelernte Uhrmacher und Direktor der Abteilung Uhrwerkskonstruktion, Takahiro Hamaguchi: „Es ist nach 200 Jahren der erste Versuch, den Oszillator und die Hemmung einer Uhr neu zu erfinden.“ Oder anders gesagt: Flexible Strukturen sowohl bei der Hemmung als auch bei der oszillierenden Unruh ersetzen die traditionelle Schweizer Ankerhemmung.

Foto: Parmigiani Fleurier

„Es ist nach 200 Jahren der erste Versuch, den Oszillator und die Hemmung einer Uhr neu zu erfinden.“ Takahiro Hamaguchi, Uhrmacher und Direktor der Abteilung Uhrwerkskonstruktion bei Parmigiani Fleurier.

Doch der Reihe nach. Üblicherweise regelt die Gangregelung einer Uhr, in welcher Geschwindigkeit das Räderwerk abläuft. Die Aufgabe von Unruh und Spirale ist dabei, die Energie kontrolliert abzugeben.

Viele Uhrmacher haben sich den Kopf darüber zerbrochen: Wie ist ein Uhrwerk zu entwerfen, damit es läuft, ohne dass man es mehrmals in der Woche aufziehen muss? Hauptverantwortlich für den Energieverlust in einem Uhrwerk ist die Reibung.

Das Zusammenspiel des Dreiecks Anker, Hemmungsrad und Unruh belaste die Gangreserve in herkömmlichen mechanischen Uhren stark, erklärt Hamaguchi weiter. „Das bahnbrechende Moment der Senfine ist die außergewöhnliche Energieeffizienz des Regulierorgans“, sagt er. Herkömmliche Uhrwerke verlieren zwischen 15 % und 40 % der Kraft durch Reibung, das der Senfine gerade mal 5 %.

Als der erste Prototyp der Gangregelung 2014 nach sechs Jahren intensiver Forschung vorgestellt wurde, betrug die Gangreserve 45 Tage: Man drehte an der Aufzugskrone also alle sechs Wochen. „In Zukunft könnte es ausreichen, wenn man die Uhr vier- bis fünfmal pro Jahr aufzieht“, sagt Takahiro Hamaguchi.

Der Grund: Bei der Konzeptuhr findet der Kontakt zwischen Hemmung und Unruh permanent statt. In dem komplett neu entwickelten Gangregler werden „alle energieverbrauchenden Faktoren eines herkömmlichen Regulierorgans zugunsten eines völlig reibungslosen elastischen Systems beseitigt“.

Dies erreiche man durch elastische Führungen und Konstruktionen „mit praktisch vernachlässigbarer Reibung“ bei Hemmung und Unruh, verrät Parmigiani Fleurier. Kernstück der Erfindung sei aber ein neuer Gangregler, der mit einer Amplitude von nur 16° schwingt. „Denn sie schränkt den Energieverlust durch Reibung stark ein, ganz im Gegensatz zu den 300°, mit der die Unruh eines herkömmlichen Gangreglers dreht.“

Die Energiequelle bleibt ein klassisches Federhaus. Allerdings wurden sowohl Unruh, Spiralfeder wie auch Anker monolithisch, also aus einem Stück, gefertigt. Das ist neu und erlaubt, auf bisher verbaute Drehzapfen und -achsen zu verzichten. Als Material dient Silizium, durch das die mechanischen Bewegungen nicht nur verschleißfrei, sondern auch ohne Verwendung von Schmiermitteln ausgeführt werden können.

Der Senfine-Gangregler ist außerdem „schwebend“ gelagert. Ausgelöst durch den Impuls des Ankers, schwingt er um eine virtuelle Achse – „ohne Reibungspunkte und mit einem fast vernachlässigbaren Reibungskoeffizienten“, so der Hersteller.

Foto: Parmigiani Fleurier

Revolutionär: Der Gangregulator der Konzeptuhr als Explosionszeichnung. Der Teil darüber kompensiert Fehler im Isochronismus und sorgt für immer gleich lange Schwingungen.

Das Ankerrad des Senfine-Gangreglers überträgt zwar wie im klassischen Uhrwerk die Kraft auf die Unruh, doch die Form der Ankerradzähne wurde verändert. Zwei neu konstruierte Blattfedern können so besser eingreifen. „Wenn der Gangregler schwingt, übernehmen diese Blattfedern die Funktion einer Rückholfeder und ersetzen dadurch die Spiralfeder einer herkömmlichen Unruh.“ Dabei entfällt auch das uhrentypische Ticktack-Geräusch.

Das Innovative an dieser einst im frühen 17. Jahrhundert erfundenen und nun weiterentwickelten „Grasshopper-Hemmung“: Das Uhrwerk läuft geschmeidiger ab, die Reibung ist während der Kraftübertragung eliminiert.

Die Konzeptuhr geht zurück auf Pierre Genequand, einen Physiker, der vor seinem Ruhestand beim Schweizer Forschungszentrum für Elektronik und Mikrotechnologie (CSEM) arbeitete. Spezialisiert auf reibungslose, elastische Gelenke und Führungen für die Raumfahrt, entwickelte er dort unter anderem die sogenannte Flextech-Technologie, die auf Silizium basiert. Genequand erkannte das Potenzial dieser Technologie für die Präzisionsmikromechanik von Uhren.

 Im Ruhestand tüftelte er daran weiter und fand mit Parmigiani mit Sitz in Fleurier im Schweizer Jurabogen zwischen Genf und Basel – dem Herzland der Schweizer Uhrmacherei – den Partner, der seine Idee umsetzte.

Bis das Uhrwerk in Serie geht, hat sich Parmigiani noch viel vorgenommen: Um die Stoßempfindlichkeit des Gangreglers zu reduzieren, soll das Uhrwerk mit 16 Hz statt der 4 Hz wie in einer klassischen mechanischen Armbanduhr schlagen – was „spektakulären“ 115 200 Halbschwingungen pro Stunde entspricht. Nach dem uhrmacherischen Grundsatz: Je höher die Anzahl der Halbschwingungen, desto genauer geht die Uhr. Außerdem beschäftigen sich die Parmigiani-Ingenieure mit den thermischen Anforderungen. Zudem gilt es, Fertigungsverfahren, spezielle Werkzeuge für den Senfine-Gangregler und Messinstrumente für die Regulierung zu entwickeln.  

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