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L’HORLOGERIE MÉCANIQUE QUITTE HUYGENS

UNE RÉVOLUTION

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novembre 2017


L'HORLOGERIE MÉCANIQUE QUITTE HUYGENS

Mis au point par Guy Sémon – directeur général de TAG Heuer et responsable de la R&D du pôle horloger de LVMH – et ses équipes de scientifiques, le régulateur qui équipe la nouvelle Zenith Defy Lab représente une avancée considérable. Elle résulte de la mise en œuvre d’une approche globale non intuitive, scientifique, théorique, utilisant la mathématique, la physique, la science des matériaux et la théorie mécanique le plus avancée. Le résultat, aux performances spectaculaires, fait sortir l’horlogerie de la «planète» Huygens.

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uand le 25 février 1675, Christiaan Huygens présente à Paris son régulateur révolutionnaire basé sur le principe d’un ressort-spiral couplé à un balancier, il ne sait pas encore que son invention va dominer l’horlogerie pendant les plus de trois siècles à venir. Lui-même, en tant que scientifique, a posé les bases de ce régulateur plus précis que tous les autres ayant existé avant lui, mais c’est avec l’horloger du Roi qu’il est parvenu à le concrétiser.

Le XVIIème, siècle terrible s’il en est, marqué par des guerres incessantes, des famines et des épidémies, est paradoxalement un âge d’or scientifique. On lui doit nombre d’avancées techniques et théoriques, parmi lesquelles, par exemple, «l’horloge calculante », premier essai «d’ordinateur », conçu et dessiné en 1623 par le pasteur et universitaire allemand Wilhelm Schickard. C’est également au cours de ce siècle que sont posés les premiers postulats de la mathématique moderne.

Mais pour autant, en 1675, Huygens ne peut que constater par l’observation l’isochronisme de son ressort spiral mais est bien en peine de l’expliquer théoriquement. Pour y parvenir, il aurait dû connaître le calcul des équations différentielles qui ne seront mises au point qu’au XVIIIème siècle.

L'HORLOGERIE MÉCANIQUE QUITTE HUYGENS

Un développement essentiellement intuitif

Le paradoxe de l’horlogerie de précision, née grâce aux observations de Huygens, est qu’elle s’est développée largement de façon intuitive. Au cours des siècles qui ont suivi, le principe de Huygens a progressivement été amélioré et optimisé, grâce notamment aux progrès de la métallurgie, mais sans jamais être vraiment remis en cause dans ses fondements théoriques… qui n’existaient pas. C’est que l’horlogerie est longtemps restée à l’écart de la théorie scientifique et mathématique. Leurs calculs, les horlogers les réservaient en grande partie aux mouvements du cosmos, à la base de la détermination du temps, mais bien moins à la mécanique elle-même. Or la mécanique fait intégralement partie de la mathématique et de la physique théorique et il faudra attendre la fin du XIXème siècle pour en poser toutes les bases théoriques. Mais les horlogers, perdus dans leurs alpages, le nez dans les étoiles ou dans leurs minuscules rouages, ne discutent guère avec les théoriciens de la mécanique, par ailleurs fort occupés par les machines extraordinaires qui naissent lors de la révolution industrielle, à l’image des fabuleuses locomotives mécaniques.

Constamment amélioré et perfectionné par des générations d’horlogers, le principe moteur de Huygens fonctionnait toujours à merveille. Aucune raison de le remettre en cause. Par ailleurs, les secrets du savoir horloger restaient essentiellement transmis de maître à disciple, dans l’intimité des ateliers. Dès lors, la finition, la décoration sont passées au premier rang de l’art horloger.

Il faudra attendre les années 1970 – 1980 pour que les ingénieurs arrivent enfin dans la «fabrique» horlogère. Mais ils sont là essentiellement pour mettre au point et installer les lignes de production de plus en plus sophistiquées, les alignements de CNC et la CAO qui fait son apparition dans les «bureaux techniques». Mais les ingénieurs ne mettent pas les pieds dans les ateliers où se concoctent confidentiellement les complications «huygensiennes». Et de fait, jusqu’à nos jours, la montre mécanique n’a jamais été vraiment théorisée de A à Z.

Onze types de liaisons mécaniques

La théorie des mécanismes, qui est une branche de la physique, a répertorié onze types de liaisons qui, combinées entre elles, permettent de tout faire. Pour parvenir à ce constat, il a fallu notamment comprendre et domestiquer les complexes interactions entre serrages, poids, dimensions et matériaux. A son arrivée dans le monde de l’horlogerie chez TAG Heuer, Guy Sémon, consultant en aéronautique et qui a notamment enseigné la physique théorique en université, a donc commencé par examiner la montre d’un point de vue purement mathématique.

Il a d’abord cherché à pousser le régulateur de Huygens dans ses derniers retranchements, et proposé en 2011 le Heuer Carrera Mikrograph, affichant le 100ème de seconde grâce à deux assortiments distincts, oscillant respectivement à 28 800 alt/heure, pour les indications heures, minutes, secondes, et à 360 000 alt/heure, soit 50 Hz, pour l’affichage chronographique du 1/100ème de seconde. Il poursuit cette option de chaîne duale en présentant la même année le Mikrotimer Flying 1000 oscillant quant à lui à 500 Hz, soit le chiffre faramineux de 3,6 millions d’alternance/heure. A cette fréquence, la montre parvient à calculer et à afficher le 1/1000ème de seconde! Mais, à la fréquence désormais atteinte de 500 Hz, à laquelle l’aiguille des secondes fait 10 tours complets par seconde, on commence à sortir de l’horlogerie huygensiennne: l’échappement n’a plus besoin de balancier car, à cette allure si élevée, le ressort-spiral doit être tellement raide (en l’occurrence 4 spires seulement, soit environ 10 fois plus raide qu’un ressort normal) que le balancier n’est plus nécessaire pour le retour. Mais avec ce mouvement sans balancier, on touche à des limites physiques: l’ancre commence à avoir de la peine à suivre la cadence, le régulateur s’asphyxie, la transmission barillet/ roue d’échappement se dérythme, la quantité d’énergie requise par impulsion n’est plus suffisante. Un déséquilibre dynamique et énergétique intervient. Pour Guy Sémon, cette belle impasse marque le point de départ de la recherche de nouvelles technologies mécaniques de régulation.

En passant par le magnétisme et la «poutre vibrante»

Fort de sa maîtrise des arcanes de la théorie, il cherche dès lors à créer de nouvelles «liaisons» non orthodoxes en horlogerie entre l’énergie et sa régulation. Première escapade hors de la galaxie de Huygens, la Concept Watch Pendulum. Roue d’échappement et ancre restent encore en place, mais le cœur du système, le balancier-spiral, est remplacé par un stator et un rotor magnétiques. Le dispositif est constitué de quatre aimants. Deux de ces aimants, un positif et un négatif, magnétisés dans une seule direction, sont disposés face à face sur le pourtour, maintenus par un support fixe en fer doux formant comme une cage de Faraday. Au centre, dans l’axe de la roue de balancier maintenue par un pont traditionnel, deux aimants disposés sur un mobile rotatif, alternent les pôles positif et négatif, créant ainsi un champ magnétique de part et d’autre du dispositif. Le système atteint des niveaux de performance COSC quasiment comparables à celles d’un spiral, que seule sa sensibilité à la température ne permet pas d’atteindre. La démonstration est très intéressante, mais son industrialisation s’avère délicate.

Concept Watch Pendulum
Concept Watch Pendulum

Guy Sémon et les équipes scientifiques pluri-disciplinaires dont il s’est entouré passent à une autre voie mécanique, encore jamais explorée en horlogerie. Le principe dont ils s’inspirent, la théorie des «poutres oscillantes», a été découvert par le Français d’Alembert quelques années avant Huygens. Essentiellement, il s’agit ici de faire osciller non plus un spiral classique de forme concentrique, mais de faire vibrer à très haute fréquence une mince lame. Théoriquement, la «poutre vibrante parfaite» mise en équation par d’Alembert, à la souplesse infinie, à la tension constante, à l’élasticité parfaite et insensible à la gravitation, est parcourue d’une onde qui se transmet uniformément sur toute la longueur. Une onde aux oscillations isochrones. Pratiquement, encore fallait-il réussir à s’approcher au plus près de cette onde parfaite mise en équation. Le principe retenu apparaît simple et combine trois «poutres vibrantes»: un excitateur solidaire de l’ancre et un oscillateur constitué d’une mince «poutre» sont unis par un «coupleur» qui est lui aussi une «poutre». En excitant l’oscillateur de façon à se rapprocher le plus possible de «l’onde parfaite» de la théorie, celui- ci se met à vibrer suivant des fréquences parfaitement définies. Le réglage s’opère par excentrique qui permet d’allonger ou de raccourcir la poutre vibratoire, un peu comme on accorde une guitare. Cet oscillateur d’un nouveau type, «non-huygensien», est donc linéaire – comme une corde!

Peu d’inertie et pratiquement pas d’amplitude (on vibre très vite mais les oscillations sont très basses): le système consomme une énergie moindre que celle d’un régulateur à spiral et balancier. D’où, également, un intérêt certain dans les hautes fréquences car la réserve de marche pourra dès lors être bien supérieure. Ainsi régulée, la montre-concept TAG Heuer Mikrogirder «vibre» donc à la fréquence ahurissante de 7 200 000 alternances/heure, soit du 1 000 Hz, de quoi mesurer le 1/2000e de seconde (TAG Heuer préfère dire le 5/10 000e) et grâce au système d’échappement dual, la chaîne huygensienne «normale» des indications horaires et la chaîne «vibratoire » du chronographe au 1/2000e n’interfèrent aucunement. La démonstration est impressionnante, mais cette «poutre» ne peut osciller qu’à des très hautes fréquences, ce qui limite évidemment son utilisation industrielle et commerciale.
(Pour en savoir plus, lire notre article de 2013, «TAG  Heuer - Ondes et magnétisme au service de la régulation / europastar.com »).

TAG Heuer Mikrogirder
TAG Heuer Mikrogirder

A la recherche d’un nouveau régulateur «universel»

Nommé fin 2014 Directeur général de TAG Heuer, Guy Sémon est décidé de s’attaquer encore une fois à un nouveau type de régulateur qui soit «universel» comme l’est le principe de Huygens, mais d’une précision bien supérieure. Il y pense depuis longtemps mais pour y parvenir il lui faut réunir différentes «planètes»: s’appuyer sur la nouvelle théorie des mécanismes apparue dès les années 1990; sur la physique théorique et sur la science des matériaux.

La nouvelle théorie des mécanismes, nommée plus précisément «mechanics compliance» pose de nouveaux postulats et crée de nouvelles liaisons basées non plus sur la seule interaction de pièces diverses mais sur la déformation de morceaux de matières. Cette notion de compliance est particulièrement utilisée en robotique afin de réaliser des tâches qui nécessitent de subtils dosages de la force et donc d’agir sur la «raideur», la transformant en «flexibilité». A titre d’exemple, on peut citer les tâches de préhension d’objets fragiles ou fortement déformables, l’assemblage de pièces ajustées ou encore l’ébavurage. Dans le cas qui nous occupe, cette nouvelle théorie permet de remplacer un ensemble composé de plusieurs parties fixes ou mobiles – par exemple un oscillateur - par une structure «compliante» monolithique.

La physique théorique est appelée à la rescousse pour parvenir à formaliser ces oscillateurs d’un nouveau type, qu’on appelle «oscillateurs paramétriques » et qui sont utilisés notamment dans l’optique physique ou comme résonateurs dans les outils lasers. De l’aveu même de Guy Sémon, ce champ théorique est «très moderne et très compliqué». Troisième champ d’exploration, le domaine des matériaux. Pour ce projet d’oscillateur de nouveau type, il faut un matériau qui soit à la fois insensible au magnétisme et à la température tout en étant d’une grande flexibilité. Un ensemble de qualités qui exclut le recours à tout métal connu.

Après avoir collaboré avec l’Université de Delft, aux Pays-Bas, qui est à la pointe de la nouvelle théorie mécanique, Guy Sémon, à la quête de son nouveau matériau, va chercher du côté de l’Université d’Arizona, à Albuquerque. Chou blanc. Il passe alors à l’Université de l’Utah qui s’intéresse de près aux nano-technologies. Et là, «coup de bol», dit-il, il trouve un matériau nano-structuré mais très flexible. Ce matériau va lui permettre de créer de nouveaux spiraux en nanotubes de carbone, qui seront utilisés dans le El Primero 21 présenté par Zenith cette année à Bâle (lire à ce sujet Europa Star Chapter 3/17, ndlr) mais in fine ne seront pas employés dans la création de la Defy Lab.

L'HORLOGERIE MÉCANIQUE QUITTE HUYGENS

Cette expérience dans les nanotubes de carbone va être indirectement utile à la mise au point du nouvel oscillateur que poursuit Guy Sémon. En mélangeant les deux premiers «ingrédients», soit la physique théorique et ses oscillateurs «paramétriques » et la théorie mécanique compliante, pour optimiser la forme que devra prendre l’oscillateur, et en employant le silicium, qu’on sait parfaitement graver chimiquement (notamment dans les microprocesseurs), Guy Sémon et ses équipes ont pu passer à la définition et à la fabrication de leur oscillateur.

En physique de base, un oscillateur est une poutre qui doit comporter un «bout» de matière qui puisse se déformer (qui ait une «raideur» dit-on en physique). Agir sur cette «poutre» déformable nécessite une «masse». Pour parvenir jusqu’à l’oscillateur linéaire, il convient ensuite de «filtrer» les différents paramètres en jeu. Au final, ce nouvel oscillateur est formé d’une seule pièce monolithique en silicium monocristallin, d’une épaisseur de 0.5 mm (contre environ 5 mm pour un régulateur standard) qui remplace les quelque 31 pièces du régulateur de Huygens, comme le montre le schéma ci-dessous.

L'HORLOGERIE MÉCANIQUE QUITTE HUYGENS

L’approvisionnement énergétique de cet oscillateur est d’ordre classique: un barillet et un train de rouages. Mais à partir de la roue d’échappement qui apporte cette énergie à l’oscillateur, on sort complètement de la chaîne horlogère traditionnelle. La roue d’échappement rentre en contact avec deux petites dents (voir schéma) qui mettent en mouvement l’oscillateur monolithique et ses différents composants. Celui-ce se met à battre – ou à haleter, dirait-on – avec une amplitude minimale de +/- 6 degrés (contre environ 300 degrés) à une fréquence hors-norme de 15Hz, soit trois fois plus que celle du El Primero. Mais même avec cette fréquence élevée, la réserve de marche est d’environ 60 heures, soit 10% de plus que El Primero. (Guy Sémon n’entend pas en rester là et envisage d’ores et déjà des réserves de marche pouvant atteindre les 100 heures voire les 150 heures.)

Le mouvement de la Defy Lab
Le mouvement de la Defy Lab

De très nombreux avantages

Les avantages de cet oscillateur révolutionnaire sont nombreux. Ni assemblage ni réglage ne sont plus nécessaires. En absence de frottements et de contacts, nul besoin de lubrification. Non seulement la consommation d’énergie est-elle réduite, mais l’ensemble est très peu sensible aux variations d’énergie incidentes et aux positions. Sa précision est non seulement assez incroyable, d’environ 0.3 seconde par jour (pour rappel la norme COSC s’établit à – 4 sec. à + 6 sec. par jour, soit un maximum de 10 secondes par jour), mais elle se conserve parfaitement pendant les 95% de sa réserve de marche.

Insensible à la gravité, au magnétisme et à la température (grâce à une couche d’oxyde de silicium), cet oscillateur intégralement breveté est triplement certifié: chronomètre par l’Observatoire de Besançon, thermiquement par la norme ISO-3159 qu’il excède largement et magnétiquement par la norme ISO-764 qu’il excède 18 fois, résistant à 1’100 Gauss. Zenith a été élue pour la première apparition publique de cet «oscillateur Sémon», dans une montre qui porte le nom de Zenith Defy Lab, «Defy» étant le nom – bienvenu – d’un boîtier des années 60 entièrement revu. Mais au-delà de cette première sortie, cet oscillateur a pour vocation de venir équiper la majorité des montres produites par LVMH ou, option minimale, les marques les plus «horlogères » du groupe, soit Hublot, TAG Heuer et Zenith. Une opération qui ressemble à celle entreprise par Omega avec le co-axial développé par George Daniels. Mais stratégiquement, cette opération est encore plus importante pour LVMH car elle lui permettra d’atteindre une autonomie encore plus grande qui, couplée avec celle acquise dans le domaine des spiraux grâce aux nanotubes de carbone désarrimera le groupe de toute dépendance stratégique.

Quant à Guy Sémon et ses équipes scientifiques, elles sont promues à pendre la tête d’un très important pôle de recherches. Mais c’est encore une histoire à écrire (ceci dit, dans un délai assez bref…).

LA ZENITH DEFY LAB ET SON TRÈS LÉGER HABILLAGE

Comme si cette innovation technique majeure ne suffisait pas,  Zenith, sous l’impulsion directe de Jean-Claude Biver, a décidé de sortir l’oscillateur dans un habit lui aussi révolutionnaire: un boîtier de 44 mm de diamètre réalisé en Aeronith, soit le composite d’aluminium le plus léger au monde – une «mousse de métal à pores ouverts, rigidifiée grâce à un polymère très léger, résistant aux rayons UV», 1,7x plus légère que l’aluminium et 10% plus légère que la fibre de carbone. Une innovation originellement développée par la R&D de Hublot. A priori (et à notre humble avis), ce choix de doubler une innovation par une autre n’est pas forcément le meilleur car il ne met pas suffisamment en valeur la portée sans doute historique de cet oscillateur qui ouvre une nouvelle ère à l’horlogerie mécanique.

Voir également: JULIEN TORNARE, LES DOUZE TRAVAUX DE ZENITH

Photographie Guy Sémon Arcade Europa Star | Fabien Scotti