瑞士钟表制造商Ulysse Nardin是腕表创新使用新技术和新材料的先驱。该公司首次在腕表中引入了硅-金刚石复合材料筒状弹簧，并继续以尖端设计为基础，生产尖端的新腕表。Maple是来自Maplesoft的符号和数学计算软件，是Ulysse Nardin研究过程中的一个工具。

机械怀表和腕表的结构一直基于相同的原理。钢板弹簧，也就是桶形弹簧或主弹簧，缠绕在桶形鼓内。弹簧的外部部分压在鼓的内壁上，并被刚性紧固或由弹性部分连接。弹簧的内端固定在木桶上。通过保持滚筒固定，旋转筒杆，很容易理解弹簧缠绕在筒杆上，可以在系统中积累势能。里面有盖的鼓，被称为桶，是驱动手表的主要动力。

由于手表上的小体积限制了弹簧和表鼓的尺寸，因此储存在表筒中的机械能也受到了限制。手表的能量储备，即手表在没有用户交互的情况下“休息”时的运行时间，就取决于这种储存的能量。在大多数情况下，手表的电力储备约为48小时。

如果能将储能密度(储能与体积比)最大化，手表的功率储备也会增加。这就是为什么Ulysse Nardin开始开发一种复合材料制成的桶形弹簧，其弹性极限和抗冲击性远远优于已知的最好的钢。

该弹簧具有单晶硅晶圆上生产的硅芯。然后在硅芯的表面涂上一层多晶金刚石。与钢相比，硅和金刚石表现出较少的疲劳。此外，使用这种技术创建的主弹簧可以预期有更大的刚度、储能能力和弹性。对于给定的尺寸，现在认为有可能将能量储备增加一倍。这可能对小型手表是有益的，特别是女士手表，在其桶的容积是有限的。

另一个优点是使用硅深蚀刻技术，这是一种光刻工艺，使生产复杂的几何图形成为可能。Ulysse Nardin正在研究生产一种转宽可变、传递恒定扭矩的桶形弹簧。如果传递到轮系的扭矩是恒定的，那么平衡振荡的振幅也将是恒定的。这消除了与平衡振幅相关的各向异性，从而使手表的运行精度得到优化。

这款手表的设计要求在直径限制在6英寸的硅片上制作几个长度超过½米的弹簧。(15.4厘米)。这限制了自由弹簧(预成形件)的尺寸，这意味着必须选择与晶圆上弹簧的平铺相容的预成形件，同时沿弹簧施加不同的厚度以获得恒定的扭矩。为了应对这一挑战，Ulysse Nardin请来了Claude Bourgeois，后者开发了一个基于Maple的建模和优化工具。

硅是一种非常坚硬的材料，不易磨损。它具有低摩擦系数和低密度，用硅加工技术生产复杂零件可以达到比用钢更高的精度。硅的最初应用是固定或移动的不变形部件，如轴承、擒抱部件、小齿轮和逃逸轮。

硅的弹性也被运用到手表的核心，在与平衡相关的螺旋弹簧中。为了补偿硅的高固有热弹性漂移，这与精确计时不兼容，Claude Bourgeois和CSEM的一个团队建议对表面进行热氧化来补偿漂移。如今，Ulysse Nardin与Sigatec公司合作，正在使用这种技术生产自己的热补偿硅螺旋弹簧。Sigtec是一家总部位于瑞士锡安的公司，提供工业规模生产硅部件的能力。

这些新的应用需要新的建模工具来建模、分析和优化这些新型主动结构，而这些工具在传统制表业中还不广泛。利用Maple软件对氧化硅簧载平衡谐振器进行了建模和优化。该模型结合了三阶热漂移和硅的各向异性。对表征大位移下弹簧的微分方程进行了积分，同时考虑了不同平衡幅值下谐振腔等时性的偏差。然后，通过收敛迭代计算，改变适当的几何参数，优化螺旋弹簧末端曲线的形状，使等时偏差得到控制。

Maple帮助识别与所需功能相关的关键参数和系统的优点。它还有助于建立分析的宏观模型，这些模型是分析和发展新概念的有用元素。

第一块使用新型硅芯筒簧的手表是Ulysse Nardin Freak Caliber。它有一个很大的优点:它的桶被放置在下面的其他运动。这意味着它占用了很大的体积，因为几乎整个手表的直径都可以分配到它。因此，这只手表的电源储备超过7天。通过手表下方的凹槽表圈，每周只需要手动上弦一次。该型号的另一个特点是时针直接固定在桶鼓上，桶鼓设计为每12小时旋转一次。而且，这只表有一个卡鲁塞尔陀飞轮，非常精确。

通过其创新的决心，Ulysse Nardin工厂今天拥有先进的生产设施，得益于其技术进步。Sigatec是由Ulysse Nardin和另一家总部位于锡安的镍微型零件制造商Mimotec SA成立的合资企业。Diamaze Microtechnology SA生产薄或厚的聚晶金刚石涂层。该公司在硅芯上涂上金刚石，以生产金刚石桶弹簧。因此，一个坚硬的弹簧有一个柔软的心是可能的。

Maplesoft
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