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La Revolución del Silicio

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enero 2009


Por Pierre Maillard

Da la sensación de que aumentan las informaciones acerca del uso del silicio en relojería. Como material es muy prometedor, debido a sus propiedades intrínsecas, las cualidades de su superficie y sus capacidades para operar sin engrase. El silicio tiene otro de sus puntos fuertes en la capacidad para adoptar formas complejas, entre ellas los nuevos tipos de escape. El Escape Constant de Girard-Perregaux es el más reciente ejemplo de las grandes posibilidades de este material en relojería. Desde Europa Star vamos a tratar de describirles en que consiste esta “revolución del silicio”.

Aún siendo un material relativamente recién llegado a la relojería, no por ello deja de demostrar día a día su potencial de utilización. Apareció bajo los focos en 2005 de la mano de Patek Philippe en la forma de la rueda de escape monocristalina, desarrollada en común con varios centros de investigación entre los que se contaba la Escuela Politécnica Federal de Lausana, el Instituto de Microtécnica de la universidad de Neuchâtel, el Centro Suizo de Electrónica y de Microtécnica y el Laboratorio COMLAB. Se eligió inicialmente este material extremadamente duro (1100 Vickers contra los 700 del acero), resistente a la corrosión, antimagnético, ligero y de baja densidad (2,33 g/cc frente a los 8 g/cc del acero) por sus propiedades tribológicas, siendo uno de los principales objetivos de la relojería mecánica la eliminación de la necesidad de lubricación. El silicio, por sus propiedades físicas y la superficie ideal que presenta, no precisa lubricante. Y esto se convierte en primordial en una de las piezas más delicadas de un movimiento: el escape.

Nuevas formas

Más allá de esta ventaja importantísima, las técnicas empleadas en la obtención de componentes de silicio, similares a las utilizadas en fotolitografía (véase el recuadro sobre el DRIE), permiten además que el diseñador replantee totalmente la forma de las piezas.

La Revolución del Silicio El proceso DRIE El proceso DRIE (Incisión Profunda mediante Ión Reactivo) de fabricación de componentes de silicio no tiene nada que ver con los métodos tradicionales de manufacturado como el mecanizado, taladrado, etc. Estas piezas se fabrican enteramente mediante técnicas fotográficas y químicas. La imagen de la pieza a producir se proyecta sobre una oblea de silicio de 100 mm de diámetro y medio mm de grosor. En una oblea de estas medidas caben unas 250 piezas. Está compuesta de tres capas diferentes, siendo el sustrato intermedio una capa de separación. Durante el revelado de la “foto” el substrato lacado expuesto se hace disolver, despareciendo, restando las partes que no han sido expuestas. Las partes carentes de lacado se troquelan con plasma hasta el sustrato intermedio y posteriormente se liberan las piezas de silicio mediante troquelado isotrópico. Las piezas resultantes de este proceso solo necesitan que se les limpie la superficie. Todas ellas son idénticas y pueden usarse tal cual están ya que no precisan pulidos, equilibrados ni centrados. El procedimiento DRIE de Ión Reactivo permite la realización de formas inusuales en tamaños muy pequeños y con enorme precisión. Las tolerancias quedan reducidas a la mitad con respecto a las técnicas tradicionales.

En 2006, Patek Philippe presentó una segunda innovación: el muelle espiral del volante Spiromax fabricado con Silinvar. Obtenido mediante un proceso de oxidación en vacío que permite las compensaciones por variaciones de temperatura, este material patentado, derivado del silicio, es el fruto de una investigación financiada en colaboración con el grupo Swatch y Rolex. Su forma, perfectamente concéntrica (expansiones y contracciones simétricas de la espiral con relación a su centro), ha sido posible porque su curvatura final no está girada hacia arriba sino que presenta un tramo final de mayor grosor.

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En esta nueva geometría se incluye un anclaje integral del eje del volante y el pitón y ofrece una ventaja adicional: genera vibraciones perfectamente isócronas independientemente de las variaciones térmicas, los campos magnéticos o la postura del movimiento. Su grosor es tres veces menor que el de una espiral tipo Breguet y, por tanto, permite construir movimientos de mucho menor grosor. Patek Philippe ha seguido en su línea de investigación de las geometrías de los componentes de silicio y así este año presentó otra novedad: el escape Pulsomax, cuyo principio operativo es similar al tradicional escape suizo de levas excepto en el hecho de que su finalidad es la de mejorar las prestaciones a base de optimizar la funcionalidad mediante una nueva y exclusiva geometría. Fabricado mediante la utilización del proceso de troquelado DRIE de plasma que permite el mecanizado de componentes con un segundo plano horizontal, el nuevo escape ya no precisa de las tradicionales paletas de rubí, que han sido sustituidas por las propias levas de geometría rediseñada, cada una de las dos con un perfil diferenciado. Estas levas engranan con la nueva rueda de escape en Silinvar que se ha rediseñado con 16 dientes en lugar de los 20 habituales. El resultado, según los relojeros de Patek Philippe, es que las nuevas levas transmiten mayor cantidad de potencia al volante, consiguiendo mejorar el isocronismo y mejorando la eficacia del sistema en un 30 por ciento, lo que equivale a decir que una reserva de marcha de 48 horas se convierte en una de 62 horas. Entre las ventajas mesurables cabe citar el aumento de las prestaciones, de la regulación y la fiabilidad del movimiento y, sobre todo, de la supresión de la necesidad de lubricación incluso a largo plazo.

Ulysse Nardin, pionero en la materia

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Patek Philippe no es la única manufactura que ha investigado en el ámbito del silicio. El verdadero pionero fue Ulysse Nardin cuando en el año 2000 presentó el primer prototipo en silicio de su escape dual directo. En el 2002 la marca fabricó el primer muelle de volante y el primer escape en diamante artificial, obtenido mediante el empleo de los mismos procesos de grabado por ión reactivo, solo que en este caso la proyección no se realizaba sobra una oblea monocristalina de silicio sino sobre una oblea policristalina de diamante sintético. Ulysse Nardin presentó estas novedades por primera vez en el año 2005 en un producto denominado Freak 28.800 V/h Diamond Heart que equipaba el escape dual Ulysse de dia-mante. Ludwig Oechslin desarrolló el escape Freak por cuenta de Ulysse Nardin y, tras diez años de investigaciones, lo presentaron en la feria de Basilea de 2001. Como el propio Oechslin explica, “el escape Freak es un carrusel en el que todo el movimiento hace una rotación en una hora, donde todo es epicicloidal a excepción del barrilete que ocupa toda la parte posterior del reloj y le proporciona una reserva de energía de ocho días. El resorte es tensado mediante un bisel en la trasera y el ajuste de la hora se hace mediante otro bisel en el frontal. El objetivo era hacer un escape que fuera más simple y más fiable que el típico escape de paletas y lo conseguimos gracias a un escape totalmente simétrico donde las dos ruedas ejercen idéntica impulsión a la pequeña pieza central. Desde un punto de vista teórico es mucho más sencillo en comparación con la complejidad requerida en los ángulos de un escape de levas convencional. También se mejoran la facilidad de construcción y la fiabilidad. La fricción se ve reducida hasta el punto de que no precisa de lubricación. Utilizamos un derivado del silicio para el escape ya que buscábamos un material ligero y robusto al mismo tiempo para poder reducir la inercia.” Este año, tras grandes esfuerzos en investigación y desarrollo, Ulysse Nardin presentó un sistema más innovador aún, el Innovision: un reloj que incorpora diez innovaciones, casi todas ellas basadas en nuevos usos del silicio. Sea cual fuere el valor del uso intensivo del silicio, en el caso del escape del Freak resulta de capital importancia por razones de inercia y carencia de lubricante. Este escape se diferencia del desarrollado por Patek Philippe ya que este último se centra en el escape suizo de levas. Cabe decir que, aunque el mecanismo del Freak se podía haber desarrollado utilizando materiales más convencionales, el nivel de prestaciones habría sido sensiblemente inferior.

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El Innovision de Ulysse Nardin El Innovision de Ulysse Nardin es un prototipo de reloj que incorpora diez innovaciones tecnológicas, muchas de ellas basadas en procesos DRIE o LIGA y que son:
- Cojinetes de silicio (al reemplazar los rubíes ya no hay necesidad de lubricación)
- Puente del escape en silicio (precisión en el taladrado de orificios y fricción reducida)
- Puente de silicio y níquel (precisión, bajo rozamiento y robustez)
- Amortiguador de silicio (gracias a la elasticidad del silicio)
- Resorte espiral de silicio (dominio de las técnicas de producción)
- Clavija y platillo realizadas en un único componente mediante proceso DRIE
- La horquilla y el dardo realizadas en un único componente mediante proceso DRIE
- La rueda de escape y su piñón hechos de una pieza a dos niveles A estas innovaciones cabría añadir el barrilete con cojinetes sin lubricación y el escape de silicio Dual Ulysse. Según Ulysse Nardin, el objetivo de estas aplicaciones es el de eliminar completamente la necesidad de lubricación, beneficiarse de la precisión del sistema DRIE, demostrar el potencial de la técnica de doble cara y dos niveles y obtener las máximas ventajas combinando las técnicas DRIE y LIGA

El escape Constant de Girard-Perregaux

Este no es el caso del escape Constant – el desarrollo más avanzado hasta el momento en la tecnología del silicio – que fue presentado por Girard-Perregaux en el SIHH de este año. Sin las características intrínsecas del silicio, especialmente en cuanto a elasticidad, este invento no habría podido ver la luz del día. Sus propiedades les permiten a las microestructuras de silicio mantenerse flexibles a pesar de su dureza y ha permitido a los relojeros explorar nuevos territorios en la relojería mecánica que ni tan siquiera se pensaba que existían hasta hace muy poco.De momento, el escape Constant es solo un ejemplar de pruebas que Girard-Perregaux espera poder comercializar en algún modelo que sería presentado dentro de un par de años. Veremos ahora como funciona esta extraña criatura.

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Su concepción fue muy interesante, tal y como ocurre a menudo con los inventos geniales y que en parte se deben a un giro caprichoso del azar. Nicolas Dehon, Director de I+D de Girard- Perregaux, mientras estaba efectuando un viaje por ferrocarril, jugueteaba distraídamente con su billete, arqueándolo entre sus dedos cuando, repentinamente, se le ocurrió la idea de que podía crearse un escape que no requiriera un resorte en espiral sino más bien una fina lámina que pasara alternativamente de un estado de tensión a otro, como el billete que se arqueaba hacia adentro o hacia afuera con la presión alternativa de sus dedos. Otro ejemplo que nos ayuda a visualizar el concepto es el de la ranita saltarina con que jugábamos de niños que tenía una lengüeta en la parte inferior que, al ser presionada, acumulaba una energía que, al ser liberada la presión, impulsaba la ranita de un salto hacia adelante. El único material que pudo encontrarse que se adaptara a las ideas de Dehon fue el silicio, así que se movilizó a todo el departamento de I+D de Girard-Perregaux y al del grupo Sowind al cual pertenece.

La Revolución del Silicio Diagrama 1: Escape tradicional suizo: la amplitud disminuye con el tiempo

Diagrama 2: Escape Constant: la amplitud se mantiene constante con el tiempo

Diagrama 3: El rango de variación de amplitud es cuatro veces menor en un movimiento con escape Constant que en un movimiento con escape tradicional

Una lámina tan fina como un cabello

La lámina en cuestión es más fina que un cabello humano y de sección rectangular, con un grosor de 20 micrómetros, una anchura de 1/10 de mm y una longitud de apenas 20 mm. La lámina es parte de un conjunto de tres piezas, de forma elíptica, fabricada a partir de silicio monocristalino mediante procedimientos DRIE, que lo soporta al mismo tiempo que a la leva de impulso. Esta unidad por sí sola sustituye al muelle del escape. Este resorte funciona como un microacumulador de energía. “A cada vibración del oscilador, retiene y después libera una mínima cantidad de energía, menos de un milijulio. Esta energía se almacena en el resorte del escape que muta de un estado estable a un estado metaestable que, por definición, acumula mayor cantidad de energía que en el estado estable originario. La transición entre el primer estado y el segundo estado libera la energía necesaria para mantener la amplitud del volante constante hasta el agotamiento de la reserva de marcha,” nos manifiesta un portavoz de la marca. Esta energía “constante” se transmite a las ruedas de escape a través de la leva de impulsión que tiene dos brazos diferenciados: en uno lleva el dardo (1) y el otro sujeta dos pares de agujas de rubí (2) que guían el finísimo resorte del escape. Esta leva de impulsión está fabricada en níquel puro obtenido mediante tecnología LIGA (véase recuadro). Las dos ruedas del escape tienen seis dientes alabeados y son de silicio por cuestiones de fricción. Por lo que respecta a la leva que recarga la lámina de energía se ha fabricado en níquel puro con un baño dorado.

La Revolución del Silicio El proceso LIGA LIGA es un acrónimo alemán de Litografía Galvanoplástica, una técnica de producción que se remonta a principios de los años 80. Combina la fotolitografía con el electromodelado. Al principio se utilizó en medicina pero en nuestros días esta tecnología mixta se utiliza para crear microcomponentes de alta calidad con un excelente acabado superficial, muy indicado para pequeñas piezas en movimiento. Permite la innovación en términos de forma y función de los diversos componentes. En colaboración con las firmas Sigatec y Mimotec, Ulysse Nardin desarrolló varios de los componentes del reloj Innovision, combinando las tecnologías DRIE y LIGA para obtener piezas de dos materiales, níquel y silicio.

Según los estudios facilitados por Girard- Perregaux, este nuevo tipo de escape “produce impulsos de energía constante” y, por tanto, produce “amplitud y frecuencia constantes” independientemente de la cantidad variable de energía que reciba. (En el ejemplo de la ranita de hojalata, que se apriete con mayor o menor fuerza la ranita no hará que salte más o menos ya que el movimiento depende solo de que la lengüeta recupere su posición original.) Esta estabilidad queda reforzada por el hecho de que, al igual que en el escape de levas tradicional, el escape Constant ejerce dos impulsos por oscilación. (Véanse los gráficos). La idea de Girard-Perregaux es la de incorporar paulatinamente esta innovación en sus relojes, obteniendo con ello las mejores prestaciones cronométricas. Les tomará aproximadamente dos años de pruebas antes de que obtenga el visto bueno para la comercialización. También desde el punto de vista de la estética se abren nuevos horizontes, tanto por lo que respecta a las esferas, que podrán ser mucho más abiertas para mostrar el escape, como en lo referente a cuestiones puramente estéticas y visuales. Las superficies extremadamente planas que se obtienen con el uso del silicio no son fáciles de obtener en la relojería más tradicional. Además presentan una gama de tonalidades iridiscentes muy llamativas, que van del azul turquesa al lila oscuro según el ángulo de observación, efecto debido a la capa de óxido que recubre el silicio. Queda claramente patente que el silicio se ha convertido en una de las nuevas fronteras a explorar por la relojería contemporánea.

La Revolución del Silicio El Tourbillon Manufacture de Frédérique Constant con rueda de escape en silicio El pasado año, Frédérique Constant presentó uno de sus modelos Heart Beat equipado con una rueda de escape en silicio. Este año, el fabricante de Ginebra presentó un nuevo tourbillon de diseño propio que integra aquella misma rueda de escape en silicio. La ventaja principal de esta innovación es que aumenta la eficacia del tourbillon gracias a la ligereza de la rueda y a la baja fricción de la misma. En Frédérique Constant nos indican que son capaces de obtener una amplitud de más de 300 grados entre las posiciones horizontal y vertical. La frecuencia de este tourbillon es de 4 Hertz o, lo que es lo mismo, 28,800 vibraciones por hora.

La Revolución del Silicio Extreme LAB, otro acontecimiento El Extreme LAB de Jaeger-LeCoultre es el primer reloj que no requiere de ningún tipo de lubricación. Lo consigue a base de combinar diferentes materiales con distintos tipos de tratamientos superficiales. De todas formas, en este reloj la única pieza de silicio es la rueda de escape. Para los otros componentes han desarrollado nuevas geometrías y toda una serie de materiales de nueva generación:
- Los rubíes han sido reemplazados por recubrimientos de carbonitrito de Easium;
- Los ejes y pivotes son de acero tratado con bisulfito de molibdeno;
- Las superficies de contacto de las paletas son de diamante monocristalino negro;
- Los componentes del mecanismo de armado y puesta en hora van recubiertos de Teflón de níquel;
- El movimiento de la masa oscilante viene facilitado por el uso de cojinetes cerámicos;
- La masa oscilante es de forma original y compuesto de dos elementos distintos, un soporte troquelado de fibra de carbono y la sección de platino iridiado que es el metal no tóxico más pesado;
- El volante ha sido fabricado en platino iridiado;
- La jaula del tourbillon es un mecanizado de una aleación de magnesio