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Expériences

À la fois plus léger et plus dur que l'acier

Texte — Boris Schneider Date2014-10-28T16:04:46

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Pellaton

À la fois plus léger et plus dur que l’acier, absolument inrayable et doté d’une surface réfléchissante très douce au toucher. Cette combinaison unique de propriétés avantageuses fait de la céramique un matériau idéal pour l’horlogerie. IWC joue un rôle de pionnier dans ce domaine, puisque la maison horlogère fabrique des boîtiers en céramique pour ses montres depuis presque trente ans. La principale difficulté liée à la production de céramique réside dans la grande complexité de son processus de fabrication. Ces dernières années, on a commencé à incorporer ce matériau inusable dans les mouvements de montres.

La source de la fascination qu’exerce la céramique devient tangible au toucher. Il suffit pour cela de passer le doigt sur une pièce de porcelaine de haute qualité. La surface est aussi douce que le velours et d’une chaleur agréable, tout particulièrement lorsqu’il fait froid dehors. En outre, la céramique est un matériau totalement inrayable. Cette combinaison unique de propriétés avantageuses en fait un matériau particulièrement intéressant pour les boîtiers des montres mécaniques.

À l'évidence, une simple porcelaine ne serait pas adaptée à cet usage. Le choix doit se porter sur des céramiques avancées spécialement développées à cet effet. «Ces matériaux inorganiques non métalliques sont plus légers et plus durs que l’acier, mais ils manifestent en même temps une extrême résistance aux atteintes physiques et chimiques», explique Lorenz Brunner, le directeur du département Innovation et pré-développement d’IWC à Schaffhausen. Ces céramiques résistent à des températures dépassant largement les 1 000 degrés ainsi qu'à l’humidité – et même à l’acidité. Les applications possibles pour de telles céramiques industrielles couvrent une gamme extrêmement étendue, depuis les condensateurs jusqu’aux bagues d'étanchéité en passant par les implants dentaires, les moteurs d’avion et de fusée et les composants de moteurs à haute performance et faible consommation.

Les céramiques extrêmement dures commencent à l'état de poudre

Les céramiques de haute technologie utilisées en horlogerie diffèrent des autres en ce que les matières premières sont d’une pureté supérieure et les processus de production sont beaucoup plus complexes. Elles ne se brisent pas aussi facilement que la porcelaine, qui est simplement constituée d’argile cuite. «Pour obtenir ces céramiques, on part de poudres polycristallines, principalement des minéraux comme des silicates, des alumines ou du carbure de silicium», explique Brunner. On les mélange avec un certain nombre de matériaux auxiliaires afin d’obtenir une masse homogène à laquelle on donne la forme voulue, puis le tout est finalement fritté à haute température dans un four. Au cours du processus de frittage, les matériaux auxiliaires se volatilisent pour donner des pâtes céramiques extrêmement stables consistant en un assemblage d’innombrables grains microscopiques.

La production de boîtiers en céramique pour montres mécaniques nécessite des trésors d’ingénierie. IWC peut compter sur presque trente ans d’expérience dans ce domaine. Dès 1986, IWC est devenue la première maison horlogère à utiliser pour un de ses boîtiers une céramique en oxyde de zirconium spécialement renforcée. La Da Vinci 3755 a remporté un succès éclatant. À la fois élégant et robuste, ce matériau a été utilisé plus tard pour les montres Pilot et s’est plus récemment frayé un chemin dans la famille des Ingenieur. Pour la création du Chronographe Top Gun Antoine de Saint Exupéry en édition limitée spéciale, les pionniers de Schaffhausen se sont une nouvelle fois aventurés en territoire inconnu : il s’agit de la première montre dans l’histoire d’IWC à posséder un boîtier en céramique brune (nitrure de silicium).

Ces matériaux inorganiques non métalliques sont plus légers et plus durs que l'acier, mais ils manifestent en même temps une extrême résistance aux atteintes physiques et chimiques.

— Lorenz Brunner, Directeur du département Innovation et pré-développement d'IWC à Schaffhausen

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—Dès 1986, IWC est devenue la première maison horlogère à utiliser pour un de ses boîtiers une céramique en oxyde de zirconium spécialement renforcée. La Da Vinci 3755 a remporté un succès éclatant.

Progresser à tâtons vers la meilleure solution

«La conception et la production d’un boîtier de montre en céramique est une entreprise lente et difficile. Les ingénieurs IWC travaillent en étroite collaboration avec les spécialistes des fournisseurs de la marque à la recherche des meilleures solutions», résume Brunner. L’une des difficultés les plus inhabituelles concerne le fait que le volume de la céramique diminue d’environ un tiers au cours du processus de frittage. Pour s’assurer que le mouvement puisse par la suite s’insérer exactement dans le boîtier, il faut anticiper ce rétrécissement dès la phase de conception. Autre caractéristique inhabituelle: contrairement au cas des métaux, dont les propriétés sont clairement définies et mises au point avant usinage, les propriétés des céramiques – et donc celles du produit fini – sont influencées par les différentes phases du processus de production. L’utilisation de différentes méthodes de frittage, combinée au choix de la taille du grain et de la température de frittage, peut donner des produits finis dont les propriétés diffèrent grandement de celles des matériaux de base qui les constituent.

Dans le cas de la céramique brune utilisée pour le Chronographe Top Gun Antoine de Saint-Exupéry, les ingénieurs ont procédé à d’innombrables tentatives et ont dû progresser à tâtons avant de trouver finalement le processus de production optimal. Par exemple, au cours du frittage, le nitrure de silicium ne doit pas entrer en contact avec l’oxygène sous peine d’oxydation. En conséquence, les boîtiers doivent être baignés dans un four à 1 800 °C sous une atmosphère gazeuse inerte à base d’azote. Pour renforcer la densité du matériau, on le fritte sous pression. Sa somptueuse couleur brune est obtenue en mélangeant le nitrure de silicium avec du nitrure de titane.

Cette association spécifique de matières premières permet d’endurcir encore plus le silicium fritté et de le rendre encore plus résistant au bris que la plupart des autres céramiques. Mais cela pose à son tour une difficulté supplémentaire lorsque vient le moment d’usiner le boîtier. «Le fait que le nouveau matériau soit aussi dur et robuste a rendu le processus d’usinage extrêmement difficile, et nous avons dû remplacer les outils à pointe de diamant beaucoup plus souvent qu'à l’accoutumée», raconte Brunner.

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—Montre d’Aviateur Chronographe Edition «The Last Flight», réf. IW388005

En 2012, IWC a réussi pour la première fois à réaliser en céramique résistante à l'usure les cliquets du système de remontage automatique Pellaton qu'on trouve dans la Portugaise Tourbillon Mystère Rétrograde.

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—La famille de calibres 50000

Les mouvements intègrent désormais des composants en céramique

L’extrême résistance à l’usure des céramiques rend aussi intéressante leur utilisation au cœur des montres. «Certains des composants du mouvement sont soumis à des efforts incroyablement intenses. C’est pour cette raison que nous essayons de remplacer certaines parties métalliques par des composants céramiques», poursuit Brunner. Comme dans le cas de ses boîtiers, IWC joue également un rôle pionnier dans ce domaine. La plus grande difficulté réside dans le fait qu’un composant en laiton ou en acier ne peut pas simplement être reproduit en céramique. D’une manière générale, c’est le matériau lui-même qui influence ce que sera la géométrie de la pièce. L’ensemble est rendu encore plus difficile par les dimensions extrêmement réduites et les tolérances très faibles d’un mouvement de montre: là encore, les ingénieurs doivent composer avec le fait que la céramique perd environ un tiers de son volume au cours du frittage.

En 2012, IWC a réussi pour la première fois à réaliser en céramique résistante à l’usure les cliquets du système de remontage automatique Pellaton qu’on trouve dans la Portugaise Tourbillon Mystère Rétrograde. Aujourd’hui, ces cliquets sont utilisés pour tous les modèles de calibres 50000. En outre, le levier du pignon oscillant utilisé dans les mouvements de chronographe de manufacture IWC est monté sur des roulements en céramique plutôt qu’en rubis parce que la céramique est plus dure qu’une gemme.

Dans les calibres 51000, un minuscule tube en céramique a remplacé les deux roulements à rubis au centre du rotor: «Cela permet une insertion plus précise du rotor, qui n’a plus besoin d'être redressé», précise Brunner pour décrire le principal avantage apporté par cette solution. Au-delà de la résistance à l’usure, il est intéressant d’utiliser la céramique pour sa légèreté, surtout quand il faut faire bouger un composant en utilisant le moins d'énergie possible. «Je suis un expert en science des matières et ce qui me fascine le plus dans les céramiques, c’est leur durabilité», conclut Brunner. En effet, il existe peu d’autres matériaux capable de résister aussi bien aux ravages du temps: l’un des objets les plus anciens créés par la main de l’homme est une petite figurine féminine de terre cuite, âgée d’environ 30 000 ans. Les sublimes montres céramiques d’IWC feront le plaisir de leur propriétaire sa vie durant – et lui survivront probablement de quelques millénaires.

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