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Au CSEM, avec les pontes de la recherche matériaux

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juillet 2018


Au CSEM, avec les pontes de la recherche matériaux

C’est dans les locaux neuchâtelois de l’institut de recherche qu’a été développée l’application horlogère d’un matériau qui ne cesse de gagner en popularité, le silicium. Exemple parmi d’autres de réalisations qui changent le visage de l’horlogerie contemporaine. Malgré la grande confidentialité qui entoure ces recherches, le directeur général du Centre suisse d’électronique et de microtechnique Mario El-Khoury et ses équipes ont accepté de répondre aux questions d’Europa Star.

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resque pas un jour ne passe sans qu’une marque horlogère annonce avoir intégré «son» échappement en silicium. Pouvez-vous revenir sur la démocratisation progressive de ce matériau?

L’idée d’utiliser le silicium pour fabriquer des pièces pour l’horlogerie est née dans les années 90 dans le labo microsystèmes du CSEM. Les premiers tests ont montré une très bonne résistance au choc (mouton-pendule), mais un obstacle majeur est vite apparu: les pièces n’étaient pas fonctionnelles car leur flanc était trop rugueux.

Un de nos ingénieurs a pourtant persévéré en pensant à exploiter l’élasticité du silicium pour le spiral et réalisé un test avec le directeur de l’époque du Musée international d’horlogerie de La Chaux-de- Fonds. Nouveau frein: le matériau se comporte bien si ce n’est que sa variation d’amplitude avec la température est trop importante. Mais l’ingénieur tenait à son idée. Avec deux «complices», dont un physicien spécialisé dans le silicium, il a continué à travailler sur le sujet. Est alors venue l’idée qui a tout changé: recourir à la «thermocompensation». Il s’agit d’utiliser l’oxyde de silicium cru sur le silicium par procédé thermique pour en compenser la dérive thermique (le coefficient thermique du silicium est positif alors que celui de son oxyde est négatif). C’est ce procédé décisif qui a fait la différence.

Breveté, il sera ensuite développé avec Swatch Group, Rolex et Patek Philippe. L’aventure technologique se poursuit aujourd’hui avec une nouvelle étape, soit l’utilisation du silicium pour le régulateur (le «régulateur Genequand»), qui ouvre de nouvelles voies à explorer.

L’application de nouveaux matériaux en horlogerie peut mener à de grands succès mais aussi à des voies sans issue... Auriez-vous des exemples des deux cas?

Beaucoup d’exemples sont confidentiels, mais pour les succès – hormis le silicium – on peut citer l’alliage Nb-Zr de Rolex, que la marque utilise pour le spiral de certaines de ses montres. Autre exemple intéressant toujours pour des spiraux: le composite contenant du nano tube de carbone développé pour Zenith. En ce qui concerne les impasses, le diamant est un exemple célèbre. Les tentatives pour l’utiliser sous forme polycristalline ont toujours été décevantes.

Il y a avec le temps une «érosion» du matériau très problématique pour le mécanisme de la montre. Il faut souligner que le professeur Niels Quack de l’EPFL vient de faire une percée intéressante en fabriquant une roue d’échappement en diamant monocristallin. Mais on est encore au stade de la recherche à notre connaissance, car il reste des limites physiques qui pourraient être difficiles à franchir.

Au CSEM, avec les pontes de la recherche matériaux

Comment s’assurer que des composants réalisés dans des matériaux récents, comme le silicium ou le graphène, se montrent suffisamment fiables sur la durée?

En ce qui concerne le silicium, ce matériau est justement utilisé dans les microtechnologies en raison de sa haute résistance à l’usure et a réussi tous les tests pour un usage sur le long terme. Nous avons affaire à un monocristal qui ne s’altère pas avec le temps. Donc sa fiabilité et sa longévité seront beaucoup plus importantes que l’acier.

De manière générale, il y a deux éléments à prendre en compte pour prévenir et éviter ce type de problèmes: la connaissance des matériaux, ainsi que le processus de fabrication. Pour le premier, il faut tester et caractériser les matériaux pour évaluer leurs propriétés ou les soumettre à un vieillissement accéléré.

Au CSEM, nous disposons d’une petite quarantaine d’appareils nous permettant ces travaux d’évaluation. Quant au processus de fabrication, s’il n’est pas bien maîtrisé, il peut entraîner des défauts dans les pièces. Pour cette raison, nous avons développé des méthodes avancées pour le contrôle de qualité et la détection de défauts jusqu’au niveau atomique dans des matériaux monocristallins au moyen de diffraction par rayons X à haute résolution. Cette méthode a permis d’optimiser le processus de fabrication pour le silicium par exemple.

«L’impression 3D doit encore faire des progrès pour être communément utilisée dans les pièces horlogères. Les états de surface, la précision et les propriétés mécaniques restent, en grande partie, à améliorer.»

Est-ce que l’arrivée de nouvelles CNC ou d’imprimantes 3D permet l’application de nouveaux matériaux en horlogerie?

L’impression 3D suscite en effet de l’intérêt dans l’élaboration de composants avec de nouveaux matériaux. Elle permet d’envisager la conception de pièces différentes de celles réalisables avec des outils de production plus classiques, ceci indépendamment du matériau utilisé. Le CSEM a d’ailleurs créé une activité autour de ce domaine.

Pour la céramique, l’impression 3D éviterait un usinage difficile par la nature de ces matériaux. Pour les verres métalliques, elle permet de profiter d’un taux de refroidissement qui, maitrisé, procure la trempe nécessaire à l’élaboration de l’état vitreux. La construction de matériaux creux ou structurés en «mousses» afin de créer des pièces métalliques très légères est certainement un des concepts innovants arrivant déjà aujourd’hui avec les machines d’impression 3D.

Cependant, l’impression 3D doit encore faire des progrès pour être communément utilisée dans les pièces horlogères. Les états de surface, la précision et les propriétés mécaniques restent, en grande partie, à améliorer.

On entend aujourd’hui souvent que des «ponts» s’établissent entre industries horlogère et médicale. Quelle est la réalité?

Chez les sous-traitants horlogers, les relations entre médical et horlogerie existent depuis bien longtemps.

Par exemple, la compagnie Straumann était d’abord spécialisée dans des alliages pour l’horlogerie, mettant au point des alliages qui sont encore utilisés par l’industrie aujourd’hui. Dans les années 70, une percée dans l’utilisation d’alliages non corrosifs pour traiter les fractures osseuses a incité Fritz Straumann à pénétrer le marché de l’orthopédie et des implants dentaires. Cela a marqué le tournant que l’on sait dans l’histoire de cette entreprise.

Il y a aussi une base commune entre ces deux industries pour les alliages de métaux précieux (platinium et or). Dans l’horlogerie, ces alliages servent à l’habillage. Le médical y a recours pour les implants, même si leur utilisation tend à diminuer.