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MAPLESOFT

Maple wird von Ulysse Nardin verwendet, um die Laufzeit von neuen Uhren zu verlängern. Claude Bourgeois, ein beratender Ingenieur und früherer Forscher am Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique (CSEM), nutzt Maple , um eine Antriebsfeder aus Co

Materialien zu modellieren und zu optimieren, die mit der Tiefen-Ätz-Technik aus Silizium hergestellt wird. Der Einsatz von Composite-Materialien verdoppelt die Laufzeit von Uhren, d. h. zum Beispiel die Betriebszeit, wenn sie nicht getragen werden.

Maple wird von Ulysse Nardin verwendet, um die Laufzeit von neuen Uhren zu verlängern. Claude Bourgeois, ein beratender Ingenieur und früherer Forscher am Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique (CSEM), nutzt Maple , um eine Antriebsfeder aus Composite
Der Schweizer Uhrenhersteller Ulysse Nardin ist ein Pionier in der innovativen Verwendung von neuen Technologien und Materialien in Armbanduhren. Das Unternehmen führte die erste Silizium-Diamant-Tonnenfeder in einer Armbanduhr ein und arbeitet ständig an der Produktion neuer hochentwickelter Uhren mit Spitzendesign. Maple, die symbolische und mathematische Berechnungssoftware von Maplesoft, ist ein Schlüsselinstrument im Forschungsprozess bei Ulysse Nardin.

Die Architektur von mechanischen Taschenuhren und Armbanduhren hat lange Zeit auf demselben Prinzip basiert. Eine Blattfeder, die die Tonnenfeder oder Hauptfeder darstellt, wurde in einer tonnenförmigen Trommel aufgewickelt. Der äußere Teil der Feder drückt gegen die Innenwand der Trommel und wird starr oder an einem elastischen Teil befestigt. Das innere Ende der Feder ist an einem Tonnendorn befestigt. Durch das Festhalten der Trommel und drehen des Tonnendorns wird die Feder um den Dorn gewickelt und potentielle Energie im System gespeichert. Die Trommel im inneren, auch Tonne genannt, ist die Quelle der Kraft, die die Uhr antreibt.

Da die Abmessungen der Feder und der Trommel von dem geringen verfügbaren Volumen in den Uhren begrenzt sind, ist die in der Tonne gespeicherte mechanische Energie auch beschränkt. Die Gangreserve der Uhr, das heißt, die Laufzeit der Uhr ohne Benutzereingriff, hängt von dieser gespeicherten Energie ab. In den meisten Fällen beträgt die Gangreserve einer Uhr etwa 48 Stunden.

Wenn die Dichte der gespeicherten Energie (die gespeicherte Energie pro Volumen) maximiert werden kann, wird auch die Gangreserve der Uhr gesteigert. Aus diesem Grund betreibt Ulysse Nardin die Entwicklung einer Tonnenfeder aus Composite-Materialien, die eine Elastizität und Widerstandsfähigkeit gegen Stöße aufweist, die weit über denen, der besten bekannten Stähle liegt.

Die Federn haben einen Siliziumkern, der aus monokristallinen Siliziumscheiben hergestellt wird. Die Oberfläche dieses Siliziumkerns wird dann mit einer Lage polykristallinem Diamant beschichtet. Verglichen mit Stahl, zeigen Silizium und Diamant weniger Materialermüdung. Außerdem wird erwartet, dass eine mit Hilfe dieser Technik erstellte Hauptfeder eine viel größere Steife, gespeicherte Energie und Widerstandsfähigkeit gegen Stöße hat. Bei gegebenen Abmessungen ist es jetzt möglich, die Gangreserve zu verdoppeln. Dies ist vor allem bei kleinen Uhren ein Vorteil, bei denen der verfügbare Platz für die Tonne beschränkt ist.

Ein anderer Vorteil entsteht durch die Verwendung der Siliziumtiefenätztechnik. Dies ist ein fotolithografischer Prozess, der die Produktion komplexer Geometrien ermöglicht. Die Forschung bei Ulysse Nardin ist auf dem Weg, eine Tonnenfeder mit einer variablen Windung zu produzieren, die ein konstantes Drehmoment bietet. Wenn das an das Uhrwerk übertragene Drehmoment konstant ist, wird auch die Amplitude der Schwingung konstant sein. Eine konstante Schwingung erlaubt die Ganggenauigkeit der Uhr zu optimieren.

Das Uhrendesign erfordern die Produktion von Federn, die mehr als einen halben Meter lang sind aus einer Siliziumscheibe mit einem Durchmesser von nicht mehr als 15,4 cm. Dies begrenzt die Abmessungen der entspannten Feder (des Rohlings). Daher muss ein Rohling entwickelt werden, der mit den Abmessungen der Federn auf dem Chip kompatibel ist. Die Dicke entlang der Feder muss dabei variieren, um ein konstantes Drehmoment zu erhalten. Um dieser Herausforderung zu entsprechen, kontaktierte Ulysse Nardin Claude Bourgeois, der ein Modellierungs- und Optimierungstool auf Basis von Maple entwickelte.

Erste Anwendungen von Silizium in der Uhrenherstellung

Silizium ist ein sehr hartes Material, das sich nicht leicht bearbeiten lässt. Es hat eine hohe Reibungszahl und niedrige Trägheit. Bei komplexen Teilen kann mit auf das Silizium abgestimmten Bearbeitungstechniken eine höhere Genauigkeit als mit Stahl erreicht werden. Die ersten Anwendungen des Siliziums waren feste oder bewegliche, nicht verformbare Teile, wie Lager, Hemmung, Ritzel und Hemmungsräder.

Die Elastizität von Silizium wird nun auch im Herzen der Uhr bei der spiralförmigen Feder verwendet. Um die hohe thermoelastische Drift von Silizium zu kompensieren, empfahl Claude Bourgeois die thermische Oxidation der Oberfläche. Heute verwendet Ulysse Nardin in Partnerschaft mit Sigatec diese Technik, um eigene temperaturkompensierte Spiralfedern zu produzieren. Sigatec, ein Unternehmen mit Sitz in Sion/Schweiz, hat die Fähigkeit Siliziumteile im industriellen Maßstab herzustellen.

Diese Anwendungen verlangten neue Modellierungstools, um die neuen aktiven Strukturen zu modellieren, analysieren und optimieren, die in der traditionellen Uhrenherstellung immer noch nicht verbreitet waren. Maple wurde verwendet, um die Feder aus oxidiertem Silizium zu modellieren und zu optimieren. Das entwickelte Modell kombinierte die thermische Drift bis zur dritten Ordnung und die Anisotropie von Silizium. Differentialgleichungen, die die Federn bei großen Verformungen charakterisierten, wurden integriert und die Abweichung der Unruh vom Gleichlauf bei verschiedenen Amplituden berücksichtigt. Die Form der thermischen Kurve der Spiralfeder, welche die Kontrolle der Abweichung vom Gleichlauf ermöglichte, wurde von einer konvergenten iterativen Berechnung unter Variation der geometrischen Parameter optimiert.

Maple macht es leicht, die kritischen Parameter in Bezug auf die benötigte Funktion und die Abbildungen der Leistung des Systems zu identifizieren. Es unterstützt auch die Einführung von analytischen Makromodellen, die nützliche Elemente für die Analyse und Entwicklung neuer Konzepte sind.

Ulysse Nardin Freak Kaliber

Die erste Uhr, bei der die neuen Tonnenfeder mit Siliziumkern zum Einsatz kommt, ist das Freak-Kaliber von Ulysse Nardin. Es hat einen großen Vorzug: seine Tonne wird unterhalb des restlichen Uhrwerks angeordnet. Dadurch steht ein großes Volumen zur Verfügung, da fast der ganze Durchmesser der Uhr genutzt werden kann. Als Ergebnis beträgt die Gangreserve dieser Uhr mehr als sieben Tage. Nur ein Handaufzug mit dem verdeckten Ring an der Unterseite der Uhr pro Woche ist notwendig. Ein weiteres Merkmal dieses Modells ist der Stundenzeiger, der direkt auf der Tonnentrommel befestigt ist. Die Trommel rotiert einmal in zwölf Stunden. Darüber hinaus hat diese Uhr ein Karussell-Tourbillon, das sie sehr genau macht.


Die Herstellung von Komponenten aus Silizium und Diamant


Durch die Entschlossenheit, Neuerungen einzuführen, hat das Unternehmen Ulysse Nardin heute hochwertige Fertigungseinrichtungen, die von den technologischen Weiterentwicklungen profitieren. Sigatec wurde als Joint Venture zwischen Ulysse Nardin und der in Sion ansässigen Gesellschaft Mimotec SA, einem Hersteller von Mikroteilen aus Nickel, gebildet. Diamaze Microtechnology SA, mit Sitz in Chaux-de-Fonds/Schweiz, produziert dünne oder dicke Beschichtungen aus polykristallinem Diamant. Dies ist das Unternehmen, das den Siliziumkern mit Diamant bedeckt, um die Diamanttonnenfedern zu produzieren. Eine harte Feder mit weichem Kern ist das Ergebnis.

Andere Maple-Anwendungen

Während seiner Tätigkeit bei CSEM, entwickelte Claude Bourgeois viele andere Simulationsanwendungen mit Maple. Diese Anwendungen schlossen sowohl die anisotrope Elastizität, die Piezoelektrizität und den Elektromagnetismus als auch gasförmige und flüssige Mikrofluide, im Besonderen während der Entwicklung von aus Quarz hergestellten Hochleistungsresonatoren, dann Silizium-aktiviert von AlN, und viele Arten von MEMS-Sensoren und -Aktoren ein.

Internetadressen:

Maplesoft: www.maplesoft.com
Ulysse Nardin SA: www.ulysse-nardin.com
Sigatec SA: www.sigatec.ch
Diamaze Microtechnology SA: www.diamaze.ch

Kontakt Ulysse Nardin:
Stéphane Von Gunten
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Laboratory & Technologies manager
ULYSSE NARDIN SA
Rue des Crêtets 138
CH-2300 La Chaux-de-Fonds
SWITZERLAND

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