07/19/2022
 7 Minuten

Innovative Uhrenhemmungen: Von Mikrosystemtechnik und Silizium

Von Tim Breining
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Lange Zeit waren Uhren mit Siliziumkomponenten in der Hemmung limitierten Konzeptuhren vorbehalten, während der normalsterbliche Kunde auf klassisch gefertigte Modelle zurückgreifen musste. Im Verlauf der letzten zwei Jahrzehnte hielten Spiralen aus Silizium Einzug in immer bezahlbareren Kollektionen – und spätestens seit der Einführung bei Tissot wird deutlich: Siliziumhemmungen sind längst im Massenmarkt angekommen. 

Dass die Swatch Group selbst ihre Einsteigermarken mit der vermeintlich exklusiven Technologie ausstattet, dürfte kein Zufall sein. Das Patent für bestimmte Siliziumspiralen, das dem Forschungskonsortium des Instituts CSEM, Rolex, Patek Philippe und der Swatch Group eine gewisse Exklusivität garantierte, wird 20 Jahre alt und steht weltweit kurz vor dem Ablauf. 

So mancher Wettbewerber steht schon längst in den Startlöchern – und es kann als gesichert gelten, dass Siliziumkomponenten nicht nur aufgrund ihrer Eigenschaften, sondern besonders aufgrund der effizienten Fertigungsverfahren zum neuen Standard in der Branche avancieren werden.  

Dabei stellt sich die berechtigte Frage: Was kommt als Nächstes, jetzt, wo die Hemmung mit Siliziumkomponenten der neue Standard ist? Es wäre vermessen, eine gesicherte Prognose abzugeben. Was ich jedoch glaube, ist, dass der nächste Schritt weg führt von der konventionellen Hemmung mit Unruh, Spirale, Anker und Hemmungsrad, hin zu völlig neuartigen Hemmungen, die die Möglichkeiten von Silizium und der Mikrosystemtechnik vollumfänglich nutzen. Ähnlich wie bei der ersten Einführung von Silizium zeichnete sich dieser Trend zunächst im High-End-Bereich ab und hat mittlerweile bereits die Schallmauer von 5.000 EUR unterboten. Werfen wir einen Blick auf die dynamischen Entwicklungen der vergangenen Jahre. 

Flexures – Bausteine der zukünftigen Uhrmacherei? 

Während die Revolution der Uhrenhemmung noch aussteht, sind die Konzepte, die ihr den Weg bereiten könnten, nicht neu. Je nach Sprache werden sie anders bezeichnet: „Elastische Festkörpergelenke“, „Compliant Mechanism“ oder eben „Flexure“. Letztere Bezeichnung scheint sich auch in der Literatur und auf dem Markt ein Stück weit etabliert zu haben, weshalb wir im Sinne der einheitlichen Bezeichnung bei „Flexure“ bleiben werden. 

Darunter versteht man monolithische Komponenten, die lediglich Elastizität nutzen, um Kräfte zu übertragen oder definierte Einschränkung von Bewegungsfreiheitsgraden zu erzielen. Dabei wird allein die Geometrie und Elastizität des Materials ausgenutzt, um diese Ziele zu erreichen, anstatt aus mehreren Bauteilen wie Federn, Führungen und Lagern eine Baugruppe zusammenzusetzen. Was formell recht kompliziert klingt, lässt sich anhand von Alltagsbeispielen erläutern. Ein klassisches Beispiel für einen solchen Mechanismus ist ein Nagelknipser, der meist aus gestanzten Blechteilen besteht und nur durch deren Elastizität die Schneidbewegung ausführt, ganz ohne separate Federn oder eine Achse. Ein anderes Beispiel sind Verschlussklemmen für Lebensmittel: Das Einrasten ist über die Materialelastizität des Plastiks realisiert – ebenso die Beweglichkeit im offenen Zustand, die durch das extrem dünne Verbindungsstück zwischen den zwei Hälften zustande kommt. 

Doch wieso sind derartige Mechanismen gerade jetzt für Uhren interessant, wo wir sie doch seit Ewigkeiten im Alltag kennen? Ganz einfach: Es liegt an den fertigungstechnischen Möglichkeiten der Mikrosystemtechnik. Diese ermöglichen es, in einem einzigen Arbeitsschritt am Computer gestaltete Komponenten in großer Zahl und mit nahezu perfekter Geometrie herzustellen. Angesichts der Anforderungen an die Präzision uhrmacherischer Komponenten war an die konventionelle, serienmäßige Herstellung winziger Komponenten mit Gelenkfedern, die nur wenige Tausendstel Millimeter dick sind, nicht zu denken. Für die gängigen, subtraktiven Fertigungsverfahren wie Drehen und Fräsen wären solche filigranen Strukturen ohnehin nicht geeignet.  

Mittlerweile belegen erste bezahlbare, in Serie gefertigte Uhren, dass sich mit solchen Konzepten nicht nur Teilezahlen, Nachbearbeitung und Regulierungsaufwand minimieren lassen. Auch chronometrische Performance und Gangreserve dieser Zeitmesser haben das Potenzial, konventionelle Uhren, die auf die klassische Konfiguration von Unruh mit Spiralfeder, Anker und Hemmungsrad setzen, zu deklassieren. Selbst solche, die bereits mit Siliziumkomponenten arbeiten.    

Die vergessene Pionierleistung von Parmigiani Fleurier 

Das Institut CSEM – alles andere als ein unbeschriebenes Blatt, was Silizium und Mikrosystemtechnik angeht – ist nicht nur innerhalb großer Forschungskonsortien tätig. In Kooperation mit der eher kleinen, aber feinen Marke Parmigiani Fleurier präsentierte man 2016 eine Hemmung, die nach deren Erfinder Pierre Genequand ganz pragmatisch Genequand-Hemmung genannt wurde. 

Diese Hemmung kombiniert zwei bereits etablierte Konzepte und vereint sie zu einer innovativen, wegweisenden Konstruktion. Eines davon ist ein reibungsoptimiertes Hemmungskonzept des legendären Uhrmachers John Harrison, dessen Grasshopper-Hemmung als Vorbild für die Funktionsweise der Genequand-Hemmung diente. Das zweite Konzept ist das der elastischen Flexure-Mechanismen, das uns in diesem Artikel immer wieder begleiten wird. 

Genequand adaptierte die Grasshopper-Hemmung von Harrison so, dass reibungsbehaftete Achsen durch hauchdünne Blattfedern ersetzt werden, die in die monolithische Schwungmasse integriert sind. An dieser ist ebenfalls der „Anker“ montiert, welcher auch elastische Blattfedern statt unerwünschter, reibungsbehafteter Lager nutzt. Theoretisch verbleibt somit nur noch die innere Reibung im Material sowie etwaige Luftwiderstände, die die Schwingung des Oszillators zwischen den Impulsübertragungen dämpfen. 

Die prinzipbedingt schon reibungsarme Kraftübertragung, die die hauptsächliche Motivation hinter der Grasshopper-Hemmung war, wurde durch die Siliziumkomponenten abermals verbessert. Unterm Strich konnte Parmigiani zur SIHH 2016 in der „Senfine“ getauften Konzeptuhr eine Gangreserve von unglaublichen 70 Tagen realisieren. Der Oszillator wies dabei eine hohe Frequenz von 16 Hertz auf. 

Während die SIHH zwar formell Geschichte ist, doch als Watches & Wonders faktisch weiterlebt, ist der Verbleib von Herrn Genequands und Parmigianis Wunder-Hemmung ungeklärt. Es gibt anekdotische Berichte von der Schwierigkeit der Industrialisierung und Miniaturisierung, aber keine gesicherten Erklärungen. 

Auch wenn der mit dem Senfine-Konzept eingeschlagene Weg wirtschaftlich oder zum damaligen Zeitpunkt fertigungstechnisch nicht gangbar war, kann dieser Vorstoß nur als revolutionär bezeichnet werden. Die immer erschwinglicheren, vergleichbaren Konzepte der Konkurrenten, die langsam, aber sicher am Markt ankommen, sind der beste Beweis.  

Zenith Defy Lab – Innovation in Kleinserie 

Für Zenith war das Jahr 2017 ein äußerst wichtiges, denn die Marke stellte damals die neue Defy-Kollektion vor. Das Hauptaugenmerk der Presse lag auf der Defy 21, die mit zwei Hemmungen und dem 50-Hertz-Chronographen als das Signature Piece der Kollektion gelten darf. Flankiert wurden die Defy-21-Modelle von solchen mit den klassischen El-Primero-Kalibern – und der Defy Lab.

Zenith Defy El Primero 21
Zenith Defy El Primero 21

Denn neben der permanenten Kollektion stellte man auch eine bahnbrechende Neuentwicklung aus der Entwicklungsabteilung um Guy Sémon vor, dessen Team sich bereits für zahlreiche technische Finessen innerhalb von LVMHs Uhrensparte verantwortlich zeigte. 

Die Defy Lab kam im Stil der neuen Defy-Kollektion daher – und auf einige Meter Entfernung könnte man sie leicht mit den skelettierten Varianten der Defy 21 verwechseln. Währenddessen schlug im extraleichten Gehäuse aus „Aeronith“, einer Art Aluminiumschaum mit Kunststoffanteilen, ein völlig anderes Kaliber. 

Der Blick in die Defy Lab offenbart erneut eine geometrisch hochkomplexe Schwungmasse, deren dünne Federelemente sie als Flexure-Mechanismus erkennen lassen. Die Verwandtschaft mit klassischen Hemmungen endet bei der Defy Lab beim Hemmungsrad. Sämtliche ca. 30 danach folgenden Komponenten sind durch den monolithischen „Zenith-Oszillator“ ersetzt. Bei beeindruckenden 15 Hertz kommt die Uhr auf eine Gangreserve von 60 Stunden. Noch beeindruckender ist die von Zenith genannte chronometrische Performance der Defy Lab, für die eine tägliche Gangabweichung von nur 0,3 Sekunden berichtet wurde.  

Doch ganz allein konnte man dieses Projekt bei LVMH nicht stemmen: Der Oszillator wurde zusammen mit der Firma Flexous, einer Ausgründung der Universität Delft, realisiert. Wie der Name schon andeutet, wurde auch dort an Flexure-Mechanismen geforscht. Wer sich auf der Homepage von Flexous umschaut, findet in der Zielsetzung des Start-ups die bekannten Vorteile wieder, die sich mit den elastischen Komponenten in Uhren verwirklichen lassen: längere Laufzeiten, weniger Bauteile, dünnere Uhren und der Wegfall von Schmierstoffen. 

2019 wurde die Technologie der Defy Lab schließlich der Kundschaft zugänglich gemacht, nun unter dem Namen Defy Inventor. Diese Modelle sind noch bei diversen Händlern gelistet und ein Exemplar war zum Zeitpunkt des Verfassens dieses Artikels auch bei Chrono24 verfügbar. Auf Zeniths Homepage hingegen ist die Sektion zum Modell verwaist, und seit der Ankündigung 2019 hat man sich auf andere Spielarten von Defy, El Primero und Co. fokussiert. 

Zenith Defy Inventor, released in 2019
Die Zenith Defy Inventor, veröffentlicht 2019

Ob es am Aufwand, der Unwirtschaftlichkeit oder schlicht am Desinteresse liegt, lässt sich als Außenstehender nicht beurteilen. Es wäre nicht das erste Mal, dass eine geniale Kreation von Guy Sémons Entwicklerteam wieder in der Schublade verschwindet. Dabei denke ich an die Carbon-Nanotube-Unruhspirale, die im Autavia Isograph echte Innovation im Mittelpreissegment versprach. Leider währte dies nicht lange: Nach einem großen Produktrückruf verschwand der Hinweis auf die Carbonspirale und das Uhrwerk wurde durch ein solches mit konventioneller Spirale ersetzt. Der Presse war zu entnehmen, dass sich die Industrialisierung der Spirale für ein beliebtes Modell wie den Isograph schlicht als zu schwierig herausstellte. 

Dieser kurze Exkurs illustriert das Spannungsfeld, in dem sich Marken mit derartigen Innovationen bewegen, eindrucksvoll. Ob die ambitionierte Technologie von Lab und Inventor eine Zukunft bei Zenith oder im Hause LVMH haben wird, weiß zum aktuellen Zeitpunkt niemand.  

Frédérique Constant Slimline Monolithic – Durchbruch in der Serienfertigung?

Die wohl am ehesten als massenmarkttauglich zu bezeichnende Uhr mit wegweisendem Hemmungskonzept stammt von Frédérique Constant. Die Slimline Monolithic wurde zusammen mit der Firma Flexous realisiert, die auch für den Oszillator der Zenith Defy Lab verantwortlich war, was die konzeptionelle Ähnlichkeit der beiden Hemmungen erklärt. 

The Frederique Constant Slimline Monolithic
Die Slimline Monolithic aus dem Hause Frédérique Constant

Zwar nimmt der in der Slimline Monolithic verbaute Oszillator nicht den gesamten Gehäusedurchmesser ein, wie es bei der Zenith Defy Lab der Fall ist, doch im Zifferblattausschnitt der sonst eher konservativ gestalteten Uhr sticht er umso mehr ins Auge. Erwartungsgemäß schwingt der Oszillator mit seinen kompakten Abmaßen deutlich schneller als jener von Zenith oder Parmigiani – und zwar mit 40 Hertz.  

Würden wir eine solch unerhörte Frequenz bei einer klassischen Uhr umsetzen, wäre mit der Reduktion der Gangreserve auf Stunden oder gar Minuten zu rechnen. Nicht so bei der Slimline Monolithic, die gegenüber der Zenith sogar eine Schippe drauflegt: Sie bietet 80 Stunden Gangreserve. Eine Feinregulierung ist über zwei justierbare, exzentrische Massen möglich.  

Von monatelangen Gangreserven, wie sie einstmals von Parmigiani angekündigt wurden, ist man noch etwas entfernt. Auch die chronometrische Performance ist mit -4/+6 Sekunden pro Tag eher Mittelmaß. Zweifelsohne steckt in der Technologie mehr Potenzial, wie die Konkurrenz bereits demonstrierte. Doch zwischen Konzepten oder Kleinserien und der Massenfertigung liegt so mancher Stolperstein, weshalb man die Leistung von Frédérique Constant und Flexous keinesfalls unterschätzen sollte. 

Offiziell sind die Modelle der Kollektion limitiert, doch bei teils hohen dreistelligen Produktionszahlen darf durchaus von einer Serienfertigung gesprochen werden. Zu einem möglichen Einzug in die permanente Kollektion hält man sich bei Frédérique Constant noch bedeckt und möchte die Resonanz auf die erste, limitierte Charge abwarten. 

Ich verfüge nicht über hellseherische Kräfte, aber wenn man sich an der ursprünglichen Kritik an Silizium in der Uhrmacherei orientiert und dann realisiert, wie omnipräsent seine Anwendung nun ist, prophezeie ich auch den Flexure-Hemmungen eine rosige Zukunft. Die klassischen Ankerhemmungen werden bis auf weiteres dominant bleiben, aber die Nische der innovativen Alternativen wird wachsen. Die Frage ist nur: Wer wagt den nächsten Schritt? 


Über den Autor

Tim Breining

Etwa 2014, während meines Ingenieurstudiums, begann ich mich für Uhren zu interessieren. Mit der Zeit wurde aus der anfänglichen Neugier eine Leidenschaft. Da …

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