Ceux qui innovent


Le silicium, voie royale pour le futur de la montre mécanique?

INNOVATION

English Español Pусский
janvier 2022


Le silicium, voie royale pour le futur de la montre mécanique?

A l’automne 2022, le brevet qui protège la réalisation industrielle des spiraux en silicium tombera dans le domaine public. Selon de nombreux acteurs, peu ou prou l’essentiel de l’horlogerie mécanique se convertira progressivement à cette technologie qui améliorera le standard de ses performances tout en lui simplifiant économiquement la vie.

D

ès la fin du 20ème siècle, l’horlogerie a commencé à s’intéresser au silicium, ce métalloïde que l’on trouve en abondance dans la croûte terrestre dont il constitue 28%, connu depuis l’Antiquité mais isolé pour la première fois en 1823, puis transformé en silicium monocristallin en 1854 par le chimiste français Henri Sainte-Claire Deville. Utilisé comme matériau de base dans la fabrication des transistors, des circuits imprimés et des micropuces, il a permis de révolutionner l’industrie informatique et a donné son nom à la Silicon Valley.

Si l’horlogerie s’y intéresse de près, c’est que ce matériau a des propriétés exceptionnelles: il est élastique sans pour autant se déformer, donc en cas de choc il se déplace et revient aussitôt à sa forme initiale, il est très dur (1100 Vickers contre 700 Vickers pour l’acier), léger (densité de 2,33 g/cm3 contre 8 g/cm3 pour l’acier), hautement résistant à la corrosion et, très précieuse qualité horlogère, il est insensible au magnétisme. Mais il a aussi des défauts: il est cassant comme son «cousin» le verre et est sensible aux variations de la température.

La recherche va néanmoins permettre de surmonter ce double handicap en même temps que se développera la technologie des «wafers», ces galettes de silicium dans lesquelles il est possible de découper les toutes petites pièces de précision que requiert l’horlogerie.

«Une nouvelle dimension offerte à l’horlogerie mécanique»

La première utilisation du silicium en horlogerie est l’oeuvre de Ludwig Oechslin pour Ulysse Nardin avec sa Freak révolutionnaire, présentée en 2001, premier mouvement intégrant des composants en silicium. Mais cette réalisation pionnière en forme de démonstration restera pour un temps marginale.

La véritable entrée en majesté du silicium dans l’horlogerie «traditionnelle» va être le fait de Patek Philippe qui, prenant tout le monde de vitesse, présente en 2005 en première mondiale une roue d’ancre en silicium monocristallin pour échappement à ancre suisse. L’annonce fait sensation et le communiqué de l’époque, aux accents triomphaux, décrit «une innovation dont on ne peut pas encore mesurer toute l’ampleur mais qui offre une nouvelle dimension à l’horlogerie mécanique».

Cette roue d’ancre, qui ne nécessite aucune lubrification, d’une forme plus parfaite et précise qu’une roue en acier, équipe alors une série spéciale limitée à 100 exemplaires du Quantième Annuel Réf. 5250, première série de l’unité «Patek Philippe Advanced Research». Elle est officiellement proposée à «un cercle restreint de collectionneurs et amateurs passionnés d’exclusivités technologiques, afin de leur permettre d’être les premiers à profiter d’une innovation qui marquera un tournant dans l’industrie horlogère».

A l’époque, beaucoup d’observateurs haussèrent des épaules à cette annonce. Mais la suite allait bien démontrer que Patek Philippe n’exagérait pas et que le silicium avait vocation à s’imposer graduellement à l’ensemble de l’horlogerie.

Le silicium, voie royale pour le futur de la montre mécanique?

Le consortium

Patek Philippe n’était pas la seule entité horlogère à travailler sur le silicium et ses potentialités. Dans un premier temps, la maison genevoise avait collaboré pour sa recherche notamment avec l’IMT, un centre de recherche en microtechnique de l’Université de Neuchâtel. Mais pour explorer plus avant les potentialités horlogères de ce matériau, un consortium réunissant Patek Philippe, Rolex et le Swatch Group avait été créé au sein du Centre suisse d’électronique et de microtechnique (CSEM) de Neuchâtel.

Les recherches menées par ce consortium vont permettre la réalisation industrielle de spiraux en silicium. Une avancée stratégique.

Au départ, la crainte était que le silicium, malgré toutes ses qualités, ne se révèle trop cassant et trop sensible aux variations de température pour être employé à la fabrication d’un spiral. Mais la solution trouvée par les recherches menées conjointement a été de l’oxyder, comme si une fine couche d’«écorce» le rendait plus rigide et le protégeait des écarts de température. En hommage à Charles Edouard Guillaume, inventeur du fameux Invar et prix Nobel en 1920, permettant de minimiser les effets de la température sur un spiral métallique, cette technologie a été nommée Silinvar®.

Au départ, la crainte était que le silicium, malgré toutes ses qualités, ne se révèle trop cassant et trop sensible aux variations de température pour être employé à la fabrication d’un spiral. La solution a été de l’oxyder.

Le silicium, voie royale pour le futur de la montre mécanique?

Une introduction progressive

A partir de ce saut technologique majeur, les trois membres du consortium ont chacun développé leur utilisation du silicium de façon plus ou moins rapide. Patek Philippe, poursuivant sur sa lancée, va présenter son spiral isochrone Spiromax® dès 2006, son échappement (roue d’ancre et ancre) Pulsomax® en 2008, complétés par le balancier Gyromax® en or et Silinvar® présenté en 2011.

Réunies, ces innovations, présentées graduellement en éditions limitées Patek Philippe Advanced Research, forment un organe régulateur high-tech complet, baptisé du nom d’Oscillomax® qui est inauguralement implémenté la même année dans le calibre automatique extra-plat 240Q Si (Q pour Quantième Perpétuel; Si pour Silinvar®).

Le silicium démontre ainsi ses considérables avantages, dus à sa légèreté, à sa géométrie et à son aérodynamisme optimisé, permettant d’accroître la réserve de marche de 50% et d’atteindre un degré de précision exceptionnel de -3/+2 sec/24h. Aujourd’hui, dix ans plus tard, le silicium est présent dans 95% des montres de Patek Philippe. Une onction papale, en quelque sorte.

La Patek Philippe 5650G Advanced Research Aquanaut Travel Time White Gold, éditée en série limitée en 2016, est un exemple d'innovations croisées. Elle combine un organe régulateur high-tech en silicium et, seconde innovation, un dispositif de mise à l'heure qui remplace les habituelles articulations pivotantes par des mécanismes dits «compliants» ou flexibles. Ce dispositif, composé de seulement 12 pièces en acier filigrané avec plusieurs ressorts à lames entrecroisés - contre les 37 pièces utilisées dans le mécanisme traditionnel - transmet les actionnements des deux poussoirs de fuseau horaire à l'affichage de l'heure locale.
La Patek Philippe 5650G Advanced Research Aquanaut Travel Time White Gold, éditée en série limitée en 2016, est un exemple d’innovations croisées. Elle combine un organe régulateur high-tech en silicium et, seconde innovation, un dispositif de mise à l’heure qui remplace les habituelles articulations pivotantes par des mécanismes dits «compliants» ou flexibles. Ce dispositif, composé de seulement 12 pièces en acier filigrané avec plusieurs ressorts à lames entrecroisés - contre les 37 pièces utilisées dans le mécanisme traditionnel - transmet les actionnements des deux poussoirs de fuseau horaire à l’affichage de l’heure locale.

Rolex attendra jusqu’en 2014 pour introduire à son tour son spiral baptisé Syloxi dans le calibre dame 2236 de l’Oyster Perpetual Datejust Pearlmaster 34. En composite de silicium et d’oxyde de silicium, il présente une géométrie brevetée qui optimise son isochronisme. Il est vrai que la marque à la couronne peut se permettre d’attendre car, en ce qui concerne le thème majeur de l’antimagnétisme, cette innovation prend place aux côtés du spiral paramagnétique Parachrom bleu lancé par la marque dès 2000.

Quant au Swatch Group, il va introduire le silicium dès 2009, d’abord chez Breguet puis chez Omega, avant d’étendre très progressivement son utilisation à presque toutes ses marques, y compris Tissot avec sa Tissot Powermatic 80, Certina ou encore Hamilton. Un développement industriel mené par ETA et par Nivarox – qui par ailleurs approvisionne l’immense majorité de l’horlogerie suisse en spiraux traditionnels. Cette démocratisation du silicium, le Swatch Group y parvient grâce à sa force industrielle et prend du même coup une avance importante.

Le silicium, voie royale pour le futur de la montre mécanique?

Démocratisation en cours

Si, au départ, le spiral en silicium est l’apanage de marques haut de gamme, c’est que sa fabrication coûte alors cher, autour des CHF 100 pièce. Par ailleurs, les trois entités du consortium détenant le brevet vont aussi, chacune de leur côté, mener des recherches complémentaires sur les procédés de fabrication, les géométries, les divers traitements, déposant au passage autant de brevets, afin de parvenir à décliner et industrialiser au mieux cette innovation. Et de fait, aujourd’hui, un spiral en silicium ne revient plus qu’à environ CHF 20.

Mais le brevet initial de l’oxydation du silicium pour le rendre insensible aux écarts de température va tomber prochainement dans le domaine public, en novembre 2022 pour l’Europe puis en 2023 pour le reste du monde, dont le Japon. La technologie du silicium, qui a prouvé sa fiabilité, va donc s’ouvrir à tous les acteurs de l’horlogerie.

Le brevet initial de l’oxydation du silicium pour le rendre insensible aux écarts de température va tomber prochainement dans le domaine public, en novembre 2022 pour l’Europe puis en 2023 pour le reste du monde, dont le Japon.

Le silicium, voie royale pour le futur de la montre mécanique?

Sigatec, un acteur majeur

Un des acteurs majeurs de cette technologie, placé aujourd’hui au premier plan, est Sigatec. Ce spin-off de Mimotec (racheté par le groupe Acrotec), fondé en 2006 et détenu à parts égales par Mimotec et Ulysse Nardin, est pionnier dans la fabrication de composants micromécaniques en silicium. Forte aujourd’hui d’une quarantaine de collaborateurs, cette entreprise très high-tech installée en Valais, disposant de coûteuses salles blanches, est active en horlogerie mais aussi dans le biomédical, le microfluidique, la connectique, produisant plus d’un million de pièces par an.

Pour Marc-André Glassey, son directeur depuis la fondation de la société il y a 15 ans, l’ouverture du brevet au domaine public représente une importante opportunité de développement. «En 15 ans, nous avons eu le temps d’acquérir de nombreuses et fines connaissances qui nous ont per- mis de véritablement construire le métier, affirme Marc-André Glassey à Europa Star. L’ouverture du brevet au domaine public, qui libérera le marché des spiraux, est certainement prometteur. D’ailleurs, nous agrandissons nos locaux en rachetant une usine à côté de Mimotec et y ouvrons une nouvelle salle blanche, un investissement très conséquent. Mais il y aura comme toujours les early users et les late adopters. Si certaines marques se lancent déjà dans des annonces, bien d’autres restent en attente. Mais tôt ou tard, toutes y viendront.»

«Il y aura comme toujours les early users et les late adopters. Si certaines marques se lancent déjà dans des annonces, bien d’autres restent en attente. Mais tôt ou tard, toutes y viendront.»

Le silicium, transformateur des métiers horlogers

Marc-André Glassey pointe par ailleurs une évolution de la demande qui préfigure des transformations à venir de l’industrie horlogère suisse. «Les manufactures veulent de plus en plus recevoir des sous-ensembles d’oscillateurs déjà montés, nous obligeant à automatiser l’assemblage en vue des volumes requis. La demande va clairement vers un produit déjà terminé et assemblé.» Avec l’oscillateur en silicium, l’assemblage proprement dit de l’ensemble du mouvement s’en trouve considérablement simplifié. Là où il fallait plusieurs dizaines d’opérations, une seule suffit. De quoi transformer les métiers même de l’horlogerie.

La démocratisation du silicium est en route: d’autres brevets vont progressivement tomber dans le domaine public – dès 2023, celui de la courbe terminale externe avec «bosses» de Patek Philippe, qui réduit les écarts de marche, puis de sa courbe interne en 2037.

Est-ce à dire que cette technologie désormais performante va se généraliser dans l’horlogerie mécanique suisse? Marc-André Glasey nous rappelle que le problème numéro 1 du SAV est lié aux dégâts du magnétisme. «L’amagnétisme est donc un thème majeur. Ce que démontrent aussi bien Rolex, Tudor ou Omega avec leurs innovations. Dans ce champ, le silicium est optimal. Mais à l’avenir, le marché va se jouer uniquement entre spiraux en silicium et spiraux métalliques amagnétiques.»

Les marques se distingueront les unes des autres selon leurs options. On peut d’ores et déjà imaginer une lutte «marketing» autour du thème majeur de la résistance aux champs magnétiques. A l’image de l’annonce conjointe du Swatch Group et d’Audemars Piguet (en 2018) de ce «spiral révolutionnaire», taillé dans un nouvel alliage compensateur amagnétique appelé NivachronTM.

 Un wafer dans lequel sont fabriqués les microcomposants en silicium par gravure profonde, dite gravure DRIE.
Un wafer dans lequel sont fabriqués les microcomposants en silicium par gravure profonde, dite gravure DRIE.

Nouveaux échappements

Mais il n’y a pas que le spiral dans la vie du silicium. Cette technologie a aussi permis de développer toute une série de nouvelles approches de la régulation et de son échappement.

Sans revenir ici sur le détail de ces innovations, on pense notamment aux échappements novateurs autorisés par l’usage du silicium, comme celui, fameux, de la Zenith Defy Lab, concocté par Guy Sémon et ses équipes, du Régulateur Genecand présenté par Vaucher Manufacture, qui allie structures sur guidages flexibles et technologies du silicium, de l’Échappement Constant de Girard-Perregaux qui repose sur l’instabilité d’une lame de silicone flambée, des nombreuses explorations et réalisations d’Ulysse Nardin ou, plus près encore de nous, de l’oscillateur en silicium monolithique de Frédérique Constant battant à 40Hz.

Ces usages spécifiques des potentialités du silicium pourraient-elles à terme supplanter l’usage du silicium dans le strict cadre conceptuel du mouvement à ancre traditionnel? Si Marc-André Glassey éprouve «de l’admiration pour ces systèmes», auxquels il contribue activement avec Sigatec, ils resteront à son avis des «spécialités, des produits de niche qui ne vont va pas prendre la place de l’échappement traditionnel high-tech».

Il n’y a pas que le spiral dans la vie du silicium. Cette technologie a aussi permis de développer toute une série de nouvelles approches de la régulation et de son échappement.

Le silicium, voie royale pour le futur de la montre mécanique?

«Les champs du possible sont ouverts»

Il n’empêche. L’innovation est un processus continu et, silicium ou autre, «les champs du possible sont ouverts», comme nous l’exprime Philip Barat, à la tête de la R&D de Patek Philippe (un service de recherche appliquée verticalisé et intégré, réunissant 150 personnes dont 50 au seul prototypage).

«Nos recherches portent notamment sur le domaine de la flexibilité. Nous avons déjà exploré et réalisé des guidages flexibles en métal. Beaucoup de choses deviennent aujourd’hui possibles. On peut prendre le seul exemple du ressort qui paradoxalement s’affaiblit quand on l’arme! Il y a aussi l’exploration d’autres matériaux, comme le phosphore, par exemple, la recherche sur les traitements thermiques, sur les niveaux d’élasticité. Il y a beaucoup à faire dans la mécanique, dans les nouveaux matériaux, les poudres, le verre métallique... L’avenir est aux nouveaux matériaux, plus fins encore, plus performants encore.»

Le silicium est loin d’avoir (déjà) dit son dernier mot. Mais il entre aussi en concurrence avec de nouveaux matériaux en gestation et en développement. En ce qui concerne l’échappement, il y a fort à parier que dans un avenir relativement proche, l’échappement en silicium deviendra la nouvelle règle. Pour s’en distinguer, et avec de bons arguments scientifiques, techniques et économiques, des marques miseront sur des alternatives performantes.

Après le règne sans partage durant de nombreuses décennies de l’échappement à ancre suisse traditionnel à spiral métallique, ira-t-on vers une atomisation des modes de régulation de nos montres mécaniques? L’avenir le dira.

«Il y a beaucoup à faire dans la mécanique, dans les nouveaux matériaux, les poudres, le verre métallique... L’avenir est aux nouveaux matériaux, plus fins encore, plus performants encore.»

Le silicium, voie royale pour le futur de la montre mécanique?

HORAGE, DANS LES STARTING-BLOCKS

Andi Felsl, à la tête d’Horage (a small team that delivers a big punch, comme la marque de Bienne se définit), l’a d’ores et déjà annoncé: dès que le brevet indispensable pour réaliser un spiral en silicium insensible aux écarts de température tombera à l’automne 2022, Horage se tient prêt à lancer de nouveaux modèles équipés de ses propres spiraux en silicium.

Persuadé que le silicium est «la seule voie», Andi Felsl nous détaille son parcours. «Nous avons commencé par examiner de très près tous les brevets, toutes les options. Peu à peu, nous avons appris la technologie et l’avons maîtrisée [avec l’aide de l’lnstitut allemand Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V., ndlr]. Mais nous ne pouvions pas l’utiliser. Pendant 20 ans, l’innovation a été empêchée. Comme le dit la sentence, innovation is low when the market is high. Mais aujourd’hui, nous sommes prêts. Les prix ont baissé, mais ils étaient artificiels.»

Le régulateur en silicium propriété d’Horage sera monté sur le propre mouvement développé et produit par la marque. Pour Andi Felsl, c’est «un grand avantage économique».

«Le silicium est plus cher, nous explique-t-il, mais au bout du compte vous faites d’importantes économies car les temps de réglage d’un spiral traditionnel sont considérables et coûtent très cher. Et les tests qui s’ensuivent, tel le COSC, sont très onéreux. Mais pour en arriver là, nous avons dû apprendre à maîtriser tout le processus industriel et, surtout, l’assemblage, le work flow qui est complètement différent. Cette industrialisation est la partie la plus difficile mais désormais nous en maîtrisons toutes les étapes. Le but d’Horage est d’offrir des produits performants à des prix raisonnables. Le silicium nous permet d’atteindre les performances que nous visons aux prix acceptables auxquels nous croyons [soit entre CHF 2’300 et 12’000, ndlr].»

«Le silicium permet une chronométrie supérieure produite à un niveau industriel, tient-il à ajouter. L’avenir de l’horlogerie suisse est là, dans une horlogerie à haute performance. Car ses niveaux en volume ne vont pas augmenter, elle va en rester au plafond des 6 millions de montres mécaniques par an. Mais le produit lui-même va s’améliorer encore et encore. Ce qui renforcera d’autant son attractivité. Nous avons survécu à la crise du quartz. Le silicium est notre allié pour poursuivre l’aventure.»

«Le silicium est plus cher, mais au bout du compte vous faites d’importantes économies car les temps de réglage d’un spiral traditionnel sont considérables et coûtent très cher. Et les tests qui s’ensuivent, tel le COSC, sont très onéreux.»