Кремнёвское время
«Новичок» в часовом деле, кремний, приковал к себе внимание специалистов и любителей часов. Что это за зверь и почему часовщики не могут обойтись традиционными материалами?
«Новичок» в часовом деле, кремний, приковал к себе внимание специалистов и любителей часов. Что это за зверь и почему часовщики не могут обойтись традиционными материалами?
Один из самых любопытных и загадочных новых для часового дела материалов – silicium, он же кремний. Дебютировал он 4 года тому назад, и поскольку в качестве инноватора выступил Patek Philippe, кремний немедленно и автоматически был объявлен самым перспективным, а заодно и самым престижным материалом. Однако после того как вслед за Patek Philippe детали спуска из кремния поспешили сделать почти все остальные великие, в этом году вдруг наступила пауза.
Пока компании взяли таймаут, самое время подвести промежуточные итоги кремниевого дебюта и выяснить, ради чего стараются часовщики, почему триумфальное шествие кремния слегка затормозилось и насколько перспективен этот новый для нас материал. На взгляд обывателя, вкладываться в развитие часового дела – особенно в совершенствование механических часов – дело невыгодное, если вовсе не бессмысленное. Вкладываешь миллионы, а в итоге часы стали ходить на пару секунд в сутки точнее, ну или удалось снизить коэффициент трения контактирующих деталей аж на целых 0,05%. С ума сойти!
Да кому это нужно, если, к примеру, часы IWC 140-летней давности и без всяких кремниевых деталлей до сих пор ходят с ежесуточным отклонением в пределах 5 секунд, не говоря уже о кварцевых Seiko, которые вот уже 10 лет отмеряют время с ошибкой не более одной секунды в месяц. Зачем же тогда что-то изобретать? Чтобы сделать и без того недешевые швейцарские часы еще более дорогими и «развести» клиентов на деньги?.. Такой взгляд именно что обывательский. Часовой бизнес – один из самых расчетливых в мире. Часовщики считают каждый цент, вкладываемый ими в часы.
Считают все: мощность используемого механизма (чтобы нагрузить его по максимуму дополнительными устройствами), толщину сапфирового стекла, покрытия корпуса и даже люминесцентного слоя на стрелках. И никто из них никогда не станет выбрасывать на ветер миллионы ради голого престижа: уж слишком он эфемерен. Но при этом никто на Земле так не печется о будущем своих товаров, а значит и бизнеса, как часовщики.
Вряд ли можно назвать еще одну отрасль, где люди привыкли мыслить не годовым планом, а вековыми категориями. Так что же за волшебные перспективы сулит кремний, приковавший к себе такое внимание? Кресало для времени Кремний (Silicium) – химический элемент IV группы периодической системы Менделеева с атомным номером 14. Чистый кремний представляет собой минерал темно-серого цвета с металлическим блеском плотностью 2,328 г/ см3. Кремний в полтора раза тверже стали, стоек к химическим и температурным воздействиям (температура его плавления 1415 Со), а абсолютно равно- душен к воздействию магнитного поля. 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.
Кремний – один из самых распространенных химических элементов: на него приходится более четверти массы земной коры. Правда, в чистом виде он не встречается. Зато в различных соединениях мы сталкиваемся с ним каждый день: речной песок, кварц, он же кремнезем – все это диоксид кремния SiO2. Эпитетом «Кремень!» испокон веков награждали крепких телом и духом людей.
Именно твердость кремня позволила людям долгое время использовать его в качестве источника огня. Вплоть до середины XIX века огнестрельные ружья были оснащены кремневым замком, в котором воспламенение заряда производилось при помощи искр, высекаемых камнем при ударе об огнивную пластинку. Но и такие непохожие на кремень вещи, как оконное стекло и канцелярский клей – все это тоже кремний.
Из всего перечисленного часовщиков в кремнии заинтересовали прежде всего твердость (1100 виккерсов против 700 у стали), устойчивость к истиранию, коррозии, температурным воздействиям и магнитному полю, а также его относительная легкость. Это значит, что теоретически детали из кремния позволят сделать часовой механизм более легким, не нуждающимся в смазке, надежным и долговечным. Но куда больше часовщиков вдохновил богатейший опыт электронщиков, которые используют идеальный полупроводник – кремний – в производстве транзисторов, термисторов и фотоэлементов.
За последние полвека были созданы эффективные технологии, позволяющие в огромных количествах выпускать сложнейшие детали, размеры и точности которых человеку даже трудно представить. Причем себестоимость производства год от года снижается. А что будет, если с таким же размахом наладить производство деталей механизма?
Перед часовым бизнесом откроются самые захватывающие перспективы! Во-первых, с помощью методов фотолитографии и гальванопластики (для простоты назовем их фотомануфактурой) можно наладить массовое производство сверхточных деталей, например, элементов спуска. Чтобы изготовить спусковое колесо из металла традиционным способом требуются специальные сплавы, более десятка различных операций, в том числе требующих значительной доли квалифицированного ручного труда, и в итоге далеко не все детали выходят годными. А с помощью нового способа из одной только пластины получается (в зависимости от ее размера) от 50 до 750 деталей, не требующих никакой дополнительной обработки!
Новая технология позволяет сделать за один проход сложнейшую по форме деталь, изготовление которой традиционными методами металлообработки очень трудоемко или вообще невозможно. Во-вторых, если качество металлических деталей зависит от свойств материала и требуется входной контроль металла, то новые технологии гарантируют абсолютную однородность деталей и идентичность их свойств. Испытания требуются лишь единожды – на экспериментальной стадии.
Сокращение сроков испытаний и значительное упрощение процесса контроля качества деталей существенно ускоряют производственный цикл. В-третьих, все эти 750 деталей делает один фотомануфактурный реактор – по сути, один станок. Чтобы перейти на выпуск другой детали не нужно готовить сложную оснастку - достаточно лишь заменить фотошаблон. А это означает, опять же, стремительное сокращение производственного цикла и заметное его удешевление. Почему я так часто упоминаю ускорение производственного цикла? Часы становятся все более разнообразными, и новые технологии позволяют стремительно обновлять модельный ряд.
Если сейчас запуск в производство нового механизма порой занимает до двух лет, то при новом способе производства этот срок можно сократить вплоть до двух месяцев, а в перспективе и недель. Более того, на каждом цикле можно выпускать совершенно разные часы, при этом их себестоимость останется недостижимо низкой по сравнению с сегодняшними методами!
Таким образом, внедрение фотомануфактурной технологии решает глобальную производственную задачу под названием «массовый выпуск индивидуальных, не похожих между собой товаров». Ну что теперь скажете? Стоило Patek Philippe, Breguet, Ulysse Nardin, Franck Muller и Frederique Constant вкладывать миллионы в разработку новой технологии? То-то!.. Думаю, даже стоит удивиться тому, что электронщики опередили часовщиков на 30 лет. Ну или тому, что часовщики использовали кварц, он же диоксид кремния, несколько однобоко, и вместо того чтобы внедрять этот материал в часовую механику, фактически создали продукт, едва не угробивший механические часы.
Травля ионов
А теперь самое время поговорить о технологии производства часовых деталей из кремния. Часовщики назвали эту технологию «методом глубокого ионного травления» Deep Reactive Ion Etching (DRIE), или попросту «фотомануфактурой», так как этот метод состоит из двух стадий – фотолитографии и гальванопластики.
Для начала заготовка для производства полупроводников (похожий на бутылку кусок кремния) распиливается с помощью алмазной пилы на тонкие круглые пластины толщиной 0,5 мм. Эти пластины имеют разный диаметр – от дюйма (2,54 см) до 12 (примерно 30 см). Из 10-сантиметрового диска можно сделать, например, 250 спусковых колес. Затем на пластину наносят три слоя: слой негативного фоторезиста, слой позитивного фоторезиста и разделительный слой. Фоторезист – это материал, который изменяет свои свойства при попадании на него лучей ультрафиолета: позитивный фоторезист твердеет, негативный – разрушается.
Начинается этап фотолитографии. Пластина помещается в специальную ультрафиолетовую установку, а над ней закрепляют фотошаблон – созданный с помощью компьютера рисунок детали. Изображение деталей проецируется на пластину, и засвеченные ультрафиолетом участки негативного фоторезиста удаляются. Получается кремниевая положка и шаблоны деталей из позитивного фоторезиста. Затем наступает этап гальванопластики. Молекулы кремния методом электролиза осаждаются в отпечатке фоторезиста.
После того как молекулы собираются в нужную форму, лишний фоторезист удаляется, и получаются те самые 250 идеальных спусковых колес, абсолютно точных по размеру, идентичных по химическому составу и структуре, не требующих какой-либо обработки. Спусковое колесо приведено в качестве примера не случайно. Именно с него и началось вторжение кремния в часовое дело. Это сложное по форме колесо – одна из самых важных деталей механизма.
Если сравнить узел балансспираль с человеческим сердцем, то спираль баланса – это миокард, а спусковое (оно же анкерное) колесо – скорее всего, сердечный клапан. Его зубья должны быть строго идентичны, чтобы передаваемый на баланс импульс не менялся во времени. Спусковое колесо контактирует со скользящими по его зубьям палетами анкера (именно удары палет по колесу мы слышим как тиканье часов).
Если это колесо изготовлено из обычной латуни, оно нуждается в смазке. Масло на спусковом колесе со временем густеет и высыхает, в результате сила трения возрастает, часы начинают тикать тише, и на балансовое колесо поступает все меньше энергии. Вот почему часы с обычным спуском из традиционных материалов нуждаются в чистке и смазке хотя бы раз в 4 года. В этом смысле спусковое колесо из кремния, сделанное по методу фотомануфактуры, – просто идеально!
• Оно не нуждается в смазке и колесо баланса будет вращаться легко и свободно на протяжении всего срока службы часов.
• Кремниевое спусковое колесо вдвое легче обычного, обладает меньшей инерцией и поэтому потребляет гораздо меньше энергии.
• Снижение силы трения и инерци- онных потерь увеличивает запас хода механизма, или же эту энергию можно использовать, нагрузив механизм дополнительными функциями.
Вот какие выгоды дает одно только анкерное колесо из кремния! А что будет, если и все остальные детали спуска сделать из кремния? Подумать страшно! Силиконовые дебри…
После успешных испытаний спускового колеса из кремния некоторые компании решили немедленно продолжить эксперименты. И на этот раз в авангарде опять оказался Patek Philippe. В 2005 году компания представила Annual Calendar Ref. 5250 с кремниевым колесом, в следующем году вышла модель с референсом 5350, где к кремниевому спусковому колесу добавился волосок из материала под называнием силинвар (Silinvar), созданный также на основе кремния.
В течение года силинваровая спираль работала без нареканий, и Patek Philippe заявила о том, что с помощью кремниевого волоска, витки которого расширяются и сжимаются, сохраняя почти идеально концентрическую форму, удалось добиться значительной оптимизации хода и улучшения изохронизма. Правда, при этом компания упорно отказывалась выпускать в продажу часы, говоря, что серия Advanced Research («Передовые исследования») – исключительно экспериментальная, и распространила модели «годичного календаря» только среди работников Patek Philippe.
По пути Patek Philippe немедленно последовала ведомая главой Swatch Group Николасом Хайеком-старшим Breguet, которая синхронно репродуцировала все инновации из программы «Передовых исследований». В этой связи удивляла осторожность Rolex. Ведь этот гигант мирового часового бизнеса наряду с Patek Philippe, Swatch Group и Ulysse Nardin был четвертым участником альянса ASRH (Association Suisse pour la Recherche Horlogere – Швейцарская ассоциация по часовым исследованиям), который был создан с целью профинансировать «кремниевые эксперименты».
Rolex медлил, а вместо кремниевых инноваций предпочел запустить вполне традиционную спираль баланса из сплава Parachrome. Ролексовскую осторожность сочли нерешительностью и свойственным женевцам консерватизмом. Ходили слухи о том, что собственную кремниевую программу активно и давно ведет также Jaeger-LeCoultre, а то, что мануфактура из Ле-Сентье также медлит с революционными часами, объясняли ее принадлежностью к Richemont Luxury Group, которую, дескать, куда больше интересуют роскошная внешность, а не Спусковое колесо из кремния инновационная сущность часов.
Зато практически одновременно продемонстрировала свои наработки в кремниевых технологиях Franck Muller Group. Правда, мастера из Женто не стали экспериментировать со спуском и спиралью, а использовали фотоману- фактуру для изготовления особо мелких и сложных деталей в своих рекордных многоосных турбийонах-репетирах. Специалисты компании говорят, что без новых технологий некоторые модели вообще никогда не появились бы на свет.
А еще один гранд часового искусства Ulysse Nardin даже опередил всех, выпустив механизм, где детали спуска были изготовлены не только из кремния, но и из очень похожего на него 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.
В общем, казалось, что спустя год- два не иметь в модельном ряду моделей, созданных по новым технологиям, станет среди швейцарских часовых производителей моветоном. Однако в 2007-м триумфальное шествие кремния вдруг застопорилось. Разумеется, первым паузу вновь взял Patek Philippe, не представивший на BaselWorld ни одной «профильной» новинки. Одновременно притормозили и все остальные участники «кремниевого похода». Казалось, будто, лишившись вожака, все растерялись, в нерешительности уступая бремя лидерства друг другу.
А вскоре сторожевой отряд, который ушел дальше всех по кремниевому пути, в лице Ulysse Nardin неожиданно признал, что зашел слишком уж далеко. Но может именно благодаря этому они сумели первыми обнаружить проблемы с «идеальным» материалом. Дело в том, что индифферентный к воздействию электромагнитного поля полупроводник кремний способен сам вырабатывать электричество. Неизбежные при колебаниях изгибы спирали вызывают пьезоэлектрический эффект, и витки начинают отталкиваться друг от друга, внося сумятицу в колебания баланса и резко ухудшая точность часов.
Похоже, с тем же эффектом столкнулись разработчики экспериментальных часов с кремниевым спуском в Breguet, которые также приостановили программу. Тут-то специалисты внезапно начали понимать, почему не торопились Rolex и Jaeger-LeCoultre. Всеобщего скепсиса не смог развеять даже представленный в прошлом году третий концепт патековской программы Advanced Research – Annual Calendar Ref. 5450, где из кремния изготовлены не только спусковое колесо и волосок, но и анкер.
Годом раньше публика встретила бы сенсационные часы восторженным визгом и бурными овациями, однако премьера модели с инновационным спуском Pulsomax прошла со сдержанным любопытством и даже некоторым недоверием. Более того, когда в нынешнем Базеле Patek Philippe вновь не представил очередную ступень своей программы «Передовых исследований», главы крупных компаний начали с ехидцей провоцировать журналистов: «Зайдете на Patek, не забудьте спросить господина Штерна, почему они в этом году не представили часы с кремниевым спуском. Неужели что-то случилось?»
В этих условиях даже обычно основательная компания Jaeger-LeCoultre, не показывающая публике модели, в будущем которых не уверена, выпустив концепт Master Compressor Extreme LAB с элементами спуска из кремния, также не решилась пустить его в продажу. «Эти часы – прежде всего полигон для исследований, – говорил продакт-директор Стефан Бельмон. – В них слишком много нового, нуждающегося в тщательной и долгой проверке».
Кисет для кремня Часовые производители впали в уныние и принялись искать способы избавления от статического электричества на кремниевых спиралях. Тем громче и оптимистичней прозвучали в этом году заявления того же Jaeger-LeCoultre и Ulysse Nardin, что им удалось решить эту проблему.
Обе компании независимо друг от друга пришли к выводу, что кремниевые детали – особенно волосок – ни в коем случае нельзя оставлять такими, какими они выходят из фотомануфактурного реактора. Они нуждаются в обязательном покрытии, тогда все проблемы с электричеством исчезают. Jaeger-LeCoultre настолько уверен в верном решении проблемы, что показал нынешней зимой в Женеве в своей новой коллекции Master Grande Tradition часы с турбийоном и вечным календарем Tourbillon a Quantieme Perpetuel Ref. Q500142A с автоматическим калибром JLC 987 с полностью кремниевым спуском. Однако все детали узла балансспираль в этой модели сначала были покрыты тончайшим слоем алмаза, а затем прошли этап плазменной полировки.
Самое интересное, что проблему накопления статического электричества в JaegerLeCoultre решили, можно сказать, случайно. Вообще-то, 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. Во всяком случае, Master Grande Tradition Tourbillon a Quantieme Perpetuel Ref. Q500142A успешно прошли не только знаменитый 1000-часовый тест на выживание Master Control, но еще и дополнительно разработанный специально для этой модели тест под названием «1000 Hours Chrono». Никаких проблем с механизмом выявлено не было. А потому турбийон с вечным календарем немедленно поступил в продажу в количестве 300 экземпляров.
Не терял времени даром, пока остальные грустили, и Ulysse Nardin. Компания продолжила сотрудничество с альянсом ASRH, но при этом параллельно создала совместное предприятие с компанией Mimotec – Sigatec – и запустила новую программу InnoVision. С самого начала эта программа была сфокусирована на решении проблемы с накоплением статического электричества. Однако, как признался мне в владелец Ulysse Nardin Рольф Шнидер, решение проблемы также нашлось чисто случайно. Прочитав в одном из часовых журналов о лидерстве Ulysse Nardin в кремниевых технологиях, один немецкий врач-офтальмолог начал забрасывать компанию электронными письмами. В них он сообщал, что изготовил из кремния инструменты для операционных установок и также столкнулся с проблемой статического электричества. Врач хотел узнать, как эту проблему решают часовщики, и заодно формулировал свои гипотезы по ее решению.
Долгое время письма оставались безответными, пока, наконец, секретариат не скинул их в производственный отдел, где они случайно попались на глаза одному из инженеров, как раз занимавшемуся этой проблемой. Одна из идей доктора показалась ему весьма перспективной и привлекательной. Между специалистами завязалась оживленная переписка, а затем этот доктор был приглашен в Ле-Локль, где совместно с воплощавшей идеи рационализаторов компанией Mimotec был разработан особый материал на основе кремния с добавками опять-таки алмаза (он же карбон) под названием «кремний 1.1.1» и изобретен принципиально новый профиль волоска.
«Новая Sonata Silicium вновь подтвердила исключительную надежность спусков из кремния, – заявил вицепрезидент Ulysse Nardin Пьер Гигакс. – Ведь наш волосок из кремния 1.1.1 с новой формой не только значительно улучшил изохронизм, но и снизила позиционную погрешность, то для наших часов менее важна традиционная регулировка точности в 6 позициях. Ну и, наконец, с помощью нашей программы InnoVision мы наглядно продемонстрировали, что у кремния огромный потенциал не только технологический, но и эстетический». Никаких подробностей о технологических особенностях г-н Шнидер даже в приватной беседе не раскрыл, пообещав, что непременно сделает это, как только его компания запатентует все инновационные решения.
В результате, как будто бы всем скептикам назло, практически во всех окнах стенда Ulysse Nardin на Базельской выставке вращались карусельные турбийоны Freak и модели Sonata Silicium, все детали спуска которых изготовлены из материалов на основе кремния. Вслед за Patek Philippe, Ulysse Nardin в Sonata Silicium применила интегрированную анкерную вилку, сделанную из кремния. Такая вилка не имеет традиционных рубиновых палет, что позволяет избежать трудоемкой операции, которая у часовщиков называется «ладка хода». В знак своей творческой и технологической победы даже циферблат новейшей модели Sonata Silicium был изготовлен из кремния и сохранял натуральный коричневато-серый цвет кремния.
Немного иначе поступила Swatch Group. Одна из ведущих участниц «кремниевого похода» предпочла использовать новые технологии не в рекламных, а в чисто утилитарных целях. С проблемой статического электричества здесь справились без алмаза: поверхность спирали покрыли тончайшим металлическим напылением. И, без лишнего шума, запустили новую спираль в серию. Причем сперва поставили ее в женские часы. На вопрос: почему в качестве «подопытных кроликов» были выбраны именно дамы – продактдиректор Omega Грегори Кисслинг ответил: «Дело не в том, мужские часы или женские. В женских моделях механизм имеет меньший размер, и значительно сложнее обеспечить хронометровую точность. Поэтому новые спирали были использованы прежде всего на том направлении, где они могли дать наибольший эффект – в механизмах женских часов».
Ну а в этом году кремниевые спирали появились и в мужских часах на базе калибров серии 8500. Из дополнительных преимуществ новых технологий Кисслинг отметил то, что кремниевая спираль может быть сделана любой формы. В частности, если металлическая спираль имеет по всей длине одинаковую толщину, то в случае с кремнием можно обеспечить различную толщину (и соответственно, упругость) в разных участках волоска. А это позволяет решить проблему концевых кривых и повысить изохронизм.
А вот к идее полностью кремниевого спуска в Omega относятся скептически. Все же кремний – материал весьма хрупкий. Тонкая и легкая кремниевая спираль переносит удары даже лучше традиционной металлической: за счет вчетверо меньшей плотности она обладает малой инерцией, и поэтому удары воздействуют на нее не так сильно. К тому же благодаря свойствам материала в таком волоске быстрее гаснут возмущения, вносимые ударом. Но более толстые и тяжелые колеса и анкер боятся ударов, даже таких, которые предусматривает общепринятый тест на противоударность.
В Swatch Group сочли, что 100-процентный кремниевый спуск прекрасно подходит для лимитированных серий, – он избавляет от смазки, повышает точность, – но мало пригоден для активной носки. По объему выпуска Omega в десятки раз превосходит других партнеров по кремниевому альянсу, и надежность конструкции имеет для марки первостепенное значение.
Поэтому в компании решили использовать только наиболее существенную и надежную деталь из кремния – спираль. Но такие часы выпускаются уже десятками тысяч и по цене практически не отличаются от традиционных. «У нас нет цели поразить мир каким- то революционным устройством. Все, что мы делаем, имеет под собой функциональный смысл. Коаксиальный спуск – это не модная штучка, а узел, реально повышающий межсервисный интервал и точность.
Кремниевая спираль также не дань моде – это необходимый элемент, помогающий нам сделать часы точнее», – говорит президент компании Стивен Уркхарт и обещает постепенно перевести на кремний все механические часы. Как видите, «вторая кремниевая волна» в часовом деле оказалась более успешной. Во всяком случае, пока – ведь первые победные реляции звучали 4 года тому назад также весьма оптимистично, а оказалось, что не все так просто.
Пример Ulysse Nardin показывает, что большая часть проблем, связанных с новым материалом, вполне разрешима. А Franck Muller и Omega продемонстрировали, что кремний из экзотического зверька постепенно превращается в очередную рабочую лошадку часовщиков, помогая им делать часы не только точнее, но и сложнее и разнообразнее.
Возможно, именно кремний приведет к новой революции в часовом деле, и очень скоро каждый из нас будет не просто покупать в салоне готовые часы, а заказывать механизм под себя лично, как сейчас шьют костюмы. «Сделайте мне, пожалуйста, потоньше, с репетиром, и чтоб секундная стрелка была у цифры «пять» – это мой день рождения» – «Приходите послезавтра»…
Опубликовано в журнале "Мои Часы" №2-2009