CH710914A1 - Procédé de fabrication d'un composant micromécanique anisotropique. - Google Patents

Abstract

Un procédé de fabrication par moulage d’un composant micromécanique (4B, 4E, 4A) réalisée à base d’un matériau composite anisotropique, composé d’au moins deux composants non miscibles, dont au moins une fibre de renfort et une matrice liante, la fibre de renfort étant noyée dans la matrice liante, comporte une première étape d’empilement, dans un moule, des couches successives de fibres de renfort, imprégnées de matrice, ci-après plis (2). Chaque pli (2) est constitué de nappe unidirectionnelle, ou de plis (2) tissés, ou de nappe multidirectionnelle. Chaque pli (2) a une épaisseur donnée allant de 0.010mm à 0.6mm, et l’empilement des plis (2) forme une ébauche (1), dont les dimensions externes sont jusqu’à 50 voire 60mm de longueur et jusqu’à 50 voire 60mm de largeur. L’ébauche (1) comporte au moins une zone dite finale (11) correspondant à une partie du composant micromécanique (4B, 4E, 4A) et au moins une zone dite sacrificielle (10) destinée à des opérations d’usinage. Une deuxième étape consiste en l’application d’une compression mécanique sur l’empilage de plis (2) formant l’ébauche (1) pour assurer la compression des matériaux, ladite compression mécanique étant associée à un cycle de température, voire, le cas échéant, à un cycle de vide d’air dans le but d’extraire des gaz accumulés entre les fibres de renfort. Une troisième étape consiste en l’usinage de la ou des zones sacrificielles (10) de l’ébauche (1), de manière à aboutir au composant micromécanique (4B, 4E, 4A). L’ébauche (1) formé dans la première étape présente un caractère anisotropique spécifique, selon les orientations des fibres et l’épaisseur de chaque pli (2), ce caractère anisotropique spécifique de l’ébauche (1) étant choisi en fonction des caractéristiques du composant micromécanique à réaliser. La nature, la forme et l’aspect esthétique du composant micromécanique (4B, 4E, 4A) proviennent de la forme du moule, du type d’empilement et des opérations d’usinage tenant compte du caractère anisotropique spécifique de l’ébauche (1), lequel caractère anisotropique spécifique est repris dans le composant micromécanique (4B, 4E, 4A) réalisé. L’invention concerne également un balancier (4B) à moment d’inertie variable pour pièce d’horlogerie, ainsi qu’un élément supérieur et/ou inférieur (4) d’une cage de tourbillon pour pièce d’horlogerie.

Description

[0001] La présente invention concerne un procédé de fabrication par moulage d’un composant micromécanique réalisée à base d’un matériau composite.

[0002] De manière générale, les composants micromécaniques les plus fréquemment utilisés sont usinées dans un matériau métallique, tel que le fer, maillechort, cuivre, laiton, ou autre, et ce par décolletage dans l’extrémité d’une barre, ou par tronçonnage d’un profilé, ou par emboutissage ou poinçonnage d’une plaque, ou par fraisage d’une forme brute. Certains composants peuvent également être moulés en matière synthétique thermodurcissable ou thermoplastique pour autant que leur géométrie se prête à la réalisation d’un moule. L’avantage essentiel de ces techniques est leur faible coût de réalisation de séries de composants.

[0003] La tendance actuelle veut que les composants soient plus résistants, plus légers, et plus esthétiques. Les matériaux composites, au sens fibre de renfort et matrice liante, répondent à ces critères. Des domaines tels que l’aéronautique, le nautisme, le ferroviaire ou l’automobile ont su tirer profit des avantages de tels matériaux et ont développé un ensemble de procédés de mise en œuvre adaptés à leurs besoins, généralement résumés ainsi: capacité de réalisation de pièces de grandes dimensions, résistantes et légères, présentant des surfaces plus ou moins gauches.

[0004] Toutefois, pour des composants micromécaniques, les procédés conventionnels de mise en œuvre des matériaux composites présentent des inconvénients de taille qui rend difficile la réalisation de composants micromécaniques. Les procédés de mise en œuvre couramment utilisés sont généralement inadaptés aux contraintes particulières de composants de petites dimensions. Dès lors une pratique couramment utilisée consiste à mettre en œuvre des procédés adaptés à la dimension des composants à réaliser mais qui, ne prenant pas en compte les spécificités des matériaux composites, notamment en matière d’anisotropie, ne permettent pas obligatoirement, car trop aléatoire, de tirer le meilleur profit de ces matériaux. Par exemple, l’usinage dans la masse d’un matériau composite fibreux résultant à une coupe massive des fibres ôte l’avantage mécanique de l’utilisation de telles fibres.

[0005] Ainsi, pour tirer bénéfice de l’exploitation de matériaux composites, l’anisotropie doit être prise en compte à tous les stades de conception et de fabrication du composant micromécanique.

[0006] Les choix du couple fibre / matrice, la détermination de l’orientation des fibres en chaque point du composant micromécanique et la prise en compte des opérations nécessaires à la fabrication du composant, par exemple une opération d’usinage, qui ont fait l’objet d’une étude théorique sont compliqués à mettre en application, d’un point de vue pratique. En effet, le procédé respectant cette succession d’opérations permettant la conformité des choix théoriques tout au long de la fabrication jusqu’à obtention du composant micromécanique est difficile à mettre en œuvre.

[0007] Par exemple, dans le cas des matériaux couramment utilisés pour la réalisation de composants horlogers ou micromécanique, il suffit de connaître la nature du matériau et les traitements éventuels qu’il a pu subir pour prédire, de manière précise, le comportement final du composant. Le concepteur choisira ainsi, en fonction de son besoin, parmi une table de matériaux aux propriétés bien connues.

[0008] Dans le cas de l’emploi d’un matériau composite, la connaissance du couple fibre / matrice n’est pas suffisante pour permettre au concepteur de prédire le comportement final du composant à réaliser, tant le comportement de ce dernier peut varier, pour un même couple fibre / matrice choisi, en fonction de la position et l’orientation de ces fibres.

[0009] Par ailleurs, les procédés conventionnels consistant en une superposition de plis mis en œuvre en moule ouvert ne sont pas compatibles avec le niveau de précision requis pour un composant micromécanique. Ils peuvent néanmoins permettre la réalisation d’un composant avec un excédent de matière. Cet excédent sera ensuite enlevé par un procédé d’enlèvement de matière. Compte tenu du caractère non isotrope du matériau composite consolidé, selon la nature de la géométrie de l’enlèvement de matière, ce dernier peut être tout à fait préjudiciable quant à l’intégrité mécanique du composant. En effet, l’usinage dans la masse, quel que soit le procédé, sans prise en compte très fine de la constitution interne, au sens de la connaissance précise de la nature, l’épaisseur, la constitution, la position et orientation de chaque pli est donc fortement hasardeuse quant à la qualité du composant ainsi produit.

[0010] Les procédés de moulage en moule fermé, moulage par compression notamment, permettent la réalisation de composants aux formes plus complexes, pouvant par exemple limiter la nécessité de recourir à des opérations ultérieures d’enlèvement de matière. Néanmoins, dans ce cas-là, l’obtention de formes complexes est notamment rendue possible grâce à l’application de fortes pressions sur le matériau composite lors de la mise en œuvre. Cette forte pression va permettre un fluage de la matrice à l’état visqueux et engendre inévitablement un déplacement des fibres, sans connaissance précise de la position de chaque pli au terme du processus. Ce type de procédé n’est plus adapté dès lors que l’on souhaite une position figée de chaque pli du début à la fin du processus de mise en œuvre, que ce soit pour des raisons mécaniques ou esthétiques notamment.

[0011] La présente invention a pour objet un procédé de fabrication par moulage d’un composant micromécanique réalisé à base d’un matériau composite en respectant l’anisotropie dudit matériau composite.

[0012] Conformément à l’invention, un procédé de fabrication par moulage d’un composant micromécanique réalisée à base d’un matériau composite anisotropique composé d’au moins deux composants non miscibles, dont au moins une fibre de renfort et une matrice liante, la fibre de renfort étant noyée dans la matrice liante, comporte une première étape qui consiste à empiler, dans un moule, des couches successives de fibres de renfort, imprégnées de matrice, ci-après plis, chaque pli étant constitué de nappe unidirectionnelle dans laquelle les fibres de renforts sont disposées parallèles les unes aux autres, ou de plis tissés, dans laquelle les fibres de renforts sont tissés selon deux directions, ou de nappe multidirectionnelle, dans laquelle les fibres de renforts sont disposées sans orientation privilégiée. Chaque pli peut avoir une épaisseur donnée allant de 0.010mm à 0.6mm, l’empilement des plis formant une ébauche, dont les dimensions externes sont jusqu’à 50 voire 60mm de longueur et jusqu’à 50 voire 60mm de largeur. L’ébauche comporte au moins une zone dite finale correspondant à une partie du composant micromécanique et au moins une zone dite sacrificielle destinée à des opérations d’usinage. Une deuxième étape consiste à appliquer une compression mécanique sur l’empilage de plis formant l’ébauche pour assurer la compression des matériaux, ladite compression mécanique étant associée à un cycle de température. Optionnellement cette deuxième étape peut être complétée par l’application d’un cycle de vide d’air dans le but d’extraire des gaz accumulés entre les fibres de renfort. Enfin, une troisième étape consiste à procéder à des enlèvements de matière sur la ou les zones sacrificielles de l’ébauche, de manière à aboutir au composant micromécanique. L’ébauche formée dans la première étape présente un caractère anisotropique spécifique, selon les orientations des fibres et l’épaisseur de chaque pli, ce caractère anisotropique spécifique de l’ébauche étant choisi en fonction des caractéristiques du composant micromécanique à réaliser. La nature, la forme et l’aspect esthétique du composant micromécanique proviennent de la forme du moule, du type d’empilement et des opérations d’enlèvement de matière tenant compte du caractère anisotropique spécifique de l’ébauche, lequel caractère anisotropique spécifique est repris dans le composant micromécanique réalisé.

[0013] Dans une première forme d’exécution, la fibre de renfort est une fibre sèche ou pré-imprégnée et la matrice liante est une matrice liquide ou semi-liquide.

[0014] L’opération d’enlèvement de matière peut consister par exemple en un alésage, un découpage, un taraudage, un perçage, un fraisage, un filetage, un émerisage et/ou une rectification, meulage, découpe jet d’eau, découpe et gravage laser, combinaison laser/jet d’eau.

[0015] Dans une autre forme d’exécution, l’ébauche est d’épaisseur proche de l’épaisseur finale souhaitée, légèrement supérieure ou à un nombre entier près de pli, de manière à être mise à une épaisseur et une planéité voulues par une opération de rectification ou fraisage.

[0016] Afin de ne pas fragiliser le composant micromécanique, la réalisation de taraudages ou une opération de chassage dans une zone locale dudit composant micromécanique, ne peut se faire que si les fibres sont disposées, dans ladite zone locale, dans des directions différentes, de manière à créer localement un comportement quasi isotrope.

[0017] Selon un autre aspect de l’invention, un procédé de fabrication par moulage d’un balancier est réalisé à partir d’une ébauche dans lequel le balancier comporte une serge dans laquelle au moins deux bras de liaison espacés sont reliés à ladite serge par une de leurs extrémités, lesdits bras de liaison étant reliés entre eux par leur autre extrémité par un élément annulaire au centre de ladite serge. L’ébauche comporte au moins une fibre de renfort au module de Young élevé, compris entre 100 et 900 GPa.

[0018] Selon cet autre aspect de l’invention, l’ébauche comporte un empilement de couches successives de fibres de renfort, imprégnées de matrice, dans un moule plan ou quasi plan, les fibres de renfort prenant la forme du moule. L’empilement de couches successives de fibres de renfort, ci-après plis, comporte une ou des zones dites finales correspondant à une partie du balancier, les bras de liaison du balancier étant composés de fibres orientées radialement et la partie annulaire centrale étant composée de fibres dont l’orientation est variée.

[0019] De préférence, l’ébauche est réalisée à base d’une fibre de carbone et d’une résine epoxy, la fibre de carbone étant noyée dans la résine epoxy.

[0020] Des éléments additionnels peuvent être intégrés dans l’ébauche avant de subir la compression mécanique.

[0021] Selon un tout autre aspect de l’invention, un procédé de fabrication par moulage d’un élément supérieur et/ou inférieur d’une cage de tourbillon réalisé à partir d’une ébauche, dans lequel ledit élément supérieur et/ou inférieur d’une cage de tourbillon comporte au moins deux bras. Chaque bras comporte deux extrémités, lesdits bras étant répartis autour d’une extrémité par laquelle lesdits bras sont reliés, les fibres de renfort étant orientées, de manière longitudinale, selon un nombre d’orientations au moins égal au nombre de bras.

[0022] Selon ce tout autre aspect de l’invention, l’ébauche est réalisée à base d’une fibre de carbone et d’une résine epoxy, la fibre de carbone étant noyée dans la résine epoxy.

[0023] Les caractéristiques de l’invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description de plusieurs formes d’exécution données uniquement à titre d’exemple, nullement limitative en se référant aux figures schématiques, dans lesquelles: <tb>La fig. 1<SEP>représente une vue en perspective d’un empilement de plis de matériaux composites constituant un type d’ébauche; <tb>La fig. 2<SEP>représente une vue éclatée en perspective d’un empilement de plis de matériaux composites, des plis ayant des fibres unidirectionnelles dans des orientations précises et variées; <tb>La fig. 3<SEP>représente une vue éclatée en perspective d’un empilement de plis de matériaux composites, des plis ayant des épaisseurs différentes, des fibres unidirectionnelles et des fibres tissées; <tb>La fig. 4<SEP>représente une vue éclatée en perspective d’un empilement de plis de matériaux composites et de deux feuilles métalliques disposées à chaque extrémité pour prendre en sandwich des plis ayant des fibres unidirectionnelles et des fibres tissées; <tb>La fig. 5<SEP>représente une vue schématique partielle de la réalisation d’un balancier à partir d’un empilement de plis de matériaux composites comportant des fibres selon quatre orientations, les plis étant ensuite compressés pour former une ébauche d’où est extrait le balancier; <tb>La fig. 6<SEP>représente une vue schématique partielle de la réalisation d’un élément de cage de tourbillon à partir d’un empilement de plis de matériaux composites comportant des fibres selon trois orientations, les plis étant ensuite compressés pour former une ébauche d’où est extrait l’élément de cage de tourbillon; et <tb>La fig. 7<SEP>représente une ébauche d’où sont extraites trois aiguilles indicatrices.

[0024] La description qui suit concerne des applications horlogères et plus particulièrement, un procédé de fabrication par moulage d’un balancier 4B, d’un élément de cage de tourbillon 4E et d’aiguilles 4A à partir d’une ébauche 1.

[0025] L’usinage de composants horlogers (par exemple 4B fig. 5 , 4E fig. 6 , 4A fig. 7 ) se fait via l’emploi d’ébauches 1. Ces ébauches 1 possèdent une forme extérieure standard pour laquelle les fabricants de composants équipent leurs centres d’usinages de posages adaptés, permettant un positionnement et une localisation aisées, ainsi que parfois, un mode de préhension adéquat en vue d’une palettisation pour un travail sériel. Le eu les composants 4 peuvent ensuite être usinés et prélevés dans cette ébauche 1.

[0026] La réalisation d’une ébauche 1 dont la constitution est précisément connue (nature du couple fibre / matrice, mais aussi position et orientation des fibres) permet de prédire le comportement mécanique final selon l’ébauche 1 choisie et dont les dimensions extérieures sont connues pour permettre à l’usineur en micromécanique de travailler de manière conventionnelle selon les règles de l’art de son domaine.

[0027] Il est ici admis que les fibres sont regroupées sous forme de plis 2 c’est à dire possédant deux dimensions et demi (un plan et une épaisseur) et que ces fibres sont pré-imprégnées d’une matrice liante. On parlera à présent de plis 2. Comme illustré à la fig. 1 , l’ébauche 1 est constituée d’un empilement de plis 2 de matériaux composites.

[0028] L’ébauche 1 permet donc d’allier avantageusement un strict respect des orientations et positions des fibres, décidées en fonction du type de composant 4B, 4E, 4A à fabriquer à partir de l’ébauche 1, ainsi qu’une précision du composant 4B, 4E, 4A ensuite prélevé dans l’ébauche 1 connue selon la capabilité de la machine utilisée. Dans l’exemple illustré à la fig. 2 , l’ébauche 1 est réalisée à partir d’un empilement de plis 2 de matériaux composites, les plis 2 ayant des fibres unidirectionnelles dans des orientations variées, par exemple selon l’arrangement illustré à la fig. 2 (0/-45/45/0/0/0/45/-45/0).

[0029] Dans un autre exemple illustré à la fig. 3 , l’ébauche 1 est réalisée à partir d’un empilement de plis 2 de matériaux composites, les plis 2 ayant des épaisseurs différentes, des fibres unidirectionnelles 2U et des fibres tissées 2T, soit dans cet exemple trois plis 2U disposés entre deux plis 2T.

[0030] Dans un autre exemple illustré à la fig. 4 , l’ébauche 1 est réalisée à partir d’un empilement de plis 2 de matériaux composites et de deux feuilles métalliques 3 disposées à chaque extrémité pour prendre en sandwich des plis 2 ayant des fibres unidirectionnelles 2U et au centre des fibres tissées 2T.

[0031] Cette ébauche 1, par exemple de la fig. 3 ou de la fig. 4 , une fois consolidée, pourra être usinée sur un centre d’usinage aux capabilités de précisions connues afin de réaliser un composant micromécanique avec les avantages souhaités des matériaux composites le constituant et avec une grande répétabilité d’une fabrication à l’autre.

[0032] L’ébauche 1 aura avantageusement une grande précision d’épaisseur et de planéité, compatibles avec les tolérances requises selon ces critères sur le composant 4B, 4E, 4A fini. En effet l’usinage interviendra généralement en deux opérations, le travail s’effectuant sur la face de dessus, puis de dessous. L’intervention sur la face de dessous nécessitera un retournement du composant 4B, 4E, 4A, à la suite duquel la connaissance précise d’épaisseur et de planéité de l’ébauche 1 permettent un respect des mêmes tolérances sur le composant 4B, 4E, 4A. Ce respect de tolérance d’épaisseur et de planéité sera garanti par la phase de mise en œuvre et de consolidation de l’ébauche 1 (empilement d’un nombre connu de plis 2 d’une épaisseur connue de plis) et les conditions de pression / température pour garantir une épaisseur finale de l’ébauche 1.

[0033] Selon le cas d’épaisseur finale souhaitée, il se peut que le pas des plis 2 ne permette pas un respect exact de cette épaisseur (l’épaisseur finale correspond à un nombre entier de plis pouvant, quant à eux, être d’épaisseurs différentes). Dans un tel cas, il convient de réaliser une ébauche 1 d’épaisseur approchante de l’épaisseur finale, en léger excès, à un nombre entier près de pli 2. Ensuite, une opération de mise d’épaisseur devra être réalisée pour garantir la tolérance d’épaisseur et de planéité. Cette opération pourra être réalisée sur machine à plateau (simple face ou double face), par exemple par rectification ou par fraisage.

[0034] La première étape dans l’élaboration de la présente invention consiste à définir sa constitution, en termes de choix de la nature, du type, du nombre et de l’orientation de chaque pli 2 de pré-imprégné. Ce choix sera différent selon la finalité du composant 4B, 4E, 4A qui sera usiné dans la présente invention, que la finalité soit mécanique, esthétique ou autre.

[0035] De manière générale, un balancier à moment d’inertie variable comprend une pièce en forme de roue comprenant une serge, des éléments de liaison entre la serge et l’axe du balancier et un certain agencement de vis écrous ou masselottes fixées sur la serge du balancier qui permettent en ajustant leurs positions de modifier le balourd et le moment d’inertie du balancier.

[0036] La précision d’une montre équipée d’un balancier-spiral dépend essentiellement de la stabilité de fréquence de son balancier-spiral. Différents paramètres affectent la stabilité de fréquence d’un balancier-spiral dont les variations d’amplitude des oscillations du balancier. Ces variations d’amplitude sont notamment liées aux positions de la montre, à la perte du moment de force, aux frottements notamment avec les pivots de l’axe de balancier et du balourd de ce dernier. Ceci a pour effet d’engendrer un défaut d’isochronisme du balancier-spiral, ce défaut d’isochronisme ayant une répercussion sur la précision de la pièce d’horlogerie.

[0037] Par ailleurs, parmi les autres critères importants pour un balancier nous pouvons citer notamment la masse, la résistance, le coefficient de frottement, le coefficient de dilatation thermique, l’amagnétisme, la dureté,... Il est extrêmement rare et peu probable qu’un seul matériau puisse à lui seul satisfaire à toutes les caractéristiques attendues. La présente invention a pour objet de sélectionner et d’associer des matériaux différents répondant au mieux à chaque fonction du balancier.

[0038] Dans un balancier d’horlogerie, l’axe de rotation doit présenter des caractéristiques précises visant à réduire les frottements, il sera généralement réalisé en laiton. Les masselottes doivent présenter une densité élevée, c’est-à-dire une masse concentrée pour un volume faible, plus précisément une surface extérieure minimisée afin de limiter les frottements de l’air auquel sera soumis le balancier lors des oscillations. Ces masses pourront être réalisées par exemple en platine. Ainsi, les caractéristiques de l’axe et des masselottes étant définies, on attend de la partie les reliant mécaniquement d’être le plus transparent en termes de masse, de déformation, d’allongement. L’emploi d’un matériau composite à base de fibres de carbone et résine epoxy présente ces avantages, avec un très haut ratio résistance / masse.

[0039] Ce très haut ratio est rendu possible grâce aux caractéristiques intrinsèques du matériau composite, mais aussi à son utilisation non isotrope, c’est-à-dire avec une orientation des fibres dans une direction précise, en fonction des efforts exercés par les masselottes sur le moyeu, à savoir leur masse propre et l’effort centrifuge en mouvement. Cette détermination précise des efforts permet de choisir une fibre avec un module de Young élevé, compris entre 100 et 900 GPa, une matrice liante permettant de faire transiter les efforts dans la fibre, et une orientation précise des fibres, ceci aboutissant à une jonction mécanique entre masselottes et moyeu pour une masse minimisée. Ce gain de masse permet, à inertie donnée, de réaliser un balancier complet de masse réduite, ou à masse égale, de pouvoir augmenter son inertie en allouant la masse gagnée aux masselottes.

[0040] Cette orientation sera majoritairement radiale, ceci afin de limiter la flèche à l’arrêt due à la masse propre des masselottes et exerçant une flexion sur les bras, et de limiter l’allongement lors des oscillations, dû à l’effort centrifuge de traction exercé par les masselottes. Cette répartition radiale est rendu possible grâce à l’emploi de nappes unidirectionnelles ou de fils.

[0041] L’assemblage conventionnel de chassage permettant d’assembler des matériaux de nature différente sera rendue possible grâce à l’orientation locale des fibres particulière. En effet, on a vu que les considérations mécaniques conduisaient à une orientation des fibres privilégiée selon des axes radiaux. Ces orientations de fibres sur de si faibles épaisseurs n’autorisent pas le chassage, l’axe chassé exerçant une pression uniformément répartie dans toutes les directions du plan, ce qui conduit à un délaminage, une séparation des fibres. En disposant des fibres dans différentes directions dans la zone à proximité du chassage, on permettra aux fibres de contrer cette pression exercée par l’axe chassé. Ce mode d’assemblage peut être utilisé pour fixer les masselottes sur la partie de jonction en matériaux composites.

[0042] Le ratio élevé de résistance / masse associé à une orientation judicieuse des fibres permet de limiter la masse globale du balancier. Ainsi, selon une autre approche, à inertie et masse de balancier définie avec un balancier «standard», il est possible de réaliser un balancier utilisant ces matériaux composites, à performances égales, mais avec une taille plus importante. Ainsi, si le volume disponible l’autorise, la présente invention permet de concevoir un balancier plus imposant visuellement et apporter une différenciation sensible.

[0043] Dans le cas d’emploi d’un balancier, une caractéristique majeure est sa stabilité dimensionnelle dans le temps et en fonction des conditions extérieures, particulièrement l’impact de la température, afin d’assurer un isochronisme constant. La présente invention permet d’assurer une très grande stabilité dimensionnelle grâce à un coefficient de dilatation thermique plus faible que les matériaux conventionnellement utilisés. Pour cela, il conviendra de choisir une fibre de carbone particulière, présentant cette spécificité de dilatation thermique quasi nulle, tout en conservant ses caractéristiques mécaniques, spécifiquement en terme de module de Young, particulièrement important dans ce cas d’emploi. Par ailleurs, la disposition des fibres sera extrêmement importante pour le respect du critère d’élongation thermique. En effet, si la fibre judicieusement sélectionnée peut avoir un coefficient de dilatation thermique quasi nul, ce n’est pas le cas de la matrice liante, de la famille des polymères. Ainsi, le matériau composite consolidé aura une élongation quasi nulle dans le sens longitudinal des fibres, tandis qu’il sera non négligeable dans le sens transversal. Dès lors, l’orientation radiale privilégiée par les aspects mécaniques convient aussi pour les aspects thermiques. Une élongation radiale quasi nulle permet d’assurer une constance de l’inertie en fonction de la température. L’élongation, que l’on ne saura éviter, dans le sens transversal des fibres, n’aura pas d’impact sur l’inertie du balancier.

[0044] La précision des calibres dépend de la qualité de leur organe réglant, et l’obtention de fréquences d’oscillation très élevées, par exemple de 10 Hz, à comparer aux fréquences usuelles de 2,5 à 4 Hz, ne peut être obtenue qu’avec la conception d’organes réglants adaptés, en particulier en ce qui concerne le balancier.

[0045] Dans le cas d’emploi d’un balancier, soumis à des oscillations à hautes fréquence, par exemple 10Hz, les aspects aérodynamiques ont un impact significatif sur la performance, que l’on peut voir notamment à travers la valeur du facteur de qualité. Le paramètre fondamental qualifiant tout résonateur est son facteur de qualité Q. C’est un nombre sans dimension pouvant s’interpréter de deux manières différentes bien qu’étroitement liées. On peut tout d’abord considérer Q comme le rapport entre l’énergie interne W du résonateur et la dissipation d’énergie AW due aux pertes Joule durant un cycle d’oscillation. Un résonateur à haut facteur de qualité nécessitera ainsi moins d’énergie pour son entretien qu’un résonateur identique mais à bas facteur de qualité. Une autre interprétation du facteur de qualité, un peu plus abstraite mais importante à bien saisir, dit que la stabilité d’un résonateur est proportionnelle à son facteur de qualité. La stabilité d’une base de temps est donc directement liée au facteur de qualité de son résonateur: plus il est élevé et plus le résonateur est insensible à son mécanisme d’entretien. Afin de maximiser ce dernier, il convient de réduire les frottements sur les parties mobiles. Une étude aérodynamique du balancier en mouvement montre qu’il faut limiter la surface mouillée et minimiser le coefficient de trainée. Une solution consiste à minimiser la surface frontale et à donner aux bras une forme présentant des bords d’attaque et de fuite avec un profil adapté. A l’échelle considérée, il n’est pas évident de réaliser de telles formes par les procédés conventionnels d’usinage. La présente invention propose d’utiliser avantageusement la capacité de moulage des fibres en réalisant ce profil dans un outillage moulant qui viendra à son tour déplacer les fibres lors de leur mise en œuvre et assurera le respect de ce profil aérodynamique, garant d’un meilleur rendement aérodynamique qu’une section rectangulaire.

[0046] Le matériau composite sélectionné pour la présente invention possède aussi des caractéristiques amagnétiques avantageuses dans le cas d’emploi d’un balancier, limitant ainsi son influence aux perturbations magnétiques extérieures et garantissant une constance de l’isochronisme. Le matériau composite sélectionné pour la présente invention possède aussi une haute résistance à la corrosion.

[0047] Dans l’exemple illustré à la fig. 5 , un balancier 4B est réalisé à partir d’une ébauche 1 constituée d’un empilement de sept plis 2 de matériaux composites comportant des fibres selon quatre orientations. Les plis 2 sont compressés pour former une ébauche 1 d’où est extrait le balancier 4B après une opération d’usinage.

[0048] Dans cet exemple, le balancier 4B prélevé comporte une serge 5, discontinue, dans laquelle quatre bras de liaison 6 espacés les uns des autres sont reliés à ladite serge 5 par une extrémité desdits bras 6. Les bras de liaison 6 sont reliés entre eux par leur autre extrémité par un élément annulaire 7 au centre de ladite serge 5. Les quatre bras de liaison 6 et la serge 5 sont réalisés à base d’une matière composite à base de fibres de carbone et résine epoxy présentant un très haut ratio résistance / masse. Les fibres sont orientées radialement par rapport à un axe de rotation autour de l’élément annulaire 7 et dont l’orientation des fibres dans l’élément annulaire est réalisée en disposant les fibres de renfort dans différentes directions. L’empilement de plis 2 est réalisé avec des fibres unidirectionnelles selon l’arrangement illustré comprenant quatre orientations différentes, une première orientation à 0°, une seconde orientation à 90°, une troisième et une quatrième orientation déterminées par la disposition des bras de liaison 6, la valeur 0° correspondant à des fibres orientées selon la bissectrice d’un angle entre deux bras 6 successifs reliés par une portion de serge 5. Dans cet exemple illustré l’angle & est la bissectrice de l’angle entre les deux bras 6 successifs. En d’autres termes, l’angle entre lesdits bras 6 successifs reliés par une portion de serge 5 vaut 2 B°. Dans cet exemple l’angle Q> peut prendre une valeur comprise entre 10° et 90° par exemple.

[0049] Optionnellement, le balancier 4B peut comporter des éléments additionnels, par exemple des masselottes, qui sont directement intégrés lors de la phase de réalisation de l’ébauche 1.

[0050] Ainsi, dans le cas de la réalisation d’un balancier 4B, l’ébauche 1 est réalisée à base d’un matériau composite anisotropique composé de fibres de carbone et résine epoxy présentant un très haut ratio résistance / masse. Le procédé comporte une première opération qui consiste à empiler, dans un moule, des couches successives de fibres de carbone, imprégnées de résine epoxy, ci-après plis 2, chaque pli 2 étant constitué de nappe unidirectionnelle dans laquelle les fibres de carbone sont disposées parallèles les unes aux autres, chaque pli 2 ayant une épaisseur donnée allant de 0.010mm à 0.6mm, l’empilement des plis 2 formant une ébauche 1, dont les dimensions externes sont jusqu’à 60mm de longueur et jusqu’à 60mm de largeur.

[0051] L’ébauche 1 comporte une zone dite finale 11 correspondant à la forme du balancier 4B et une zone dite sacrificielle 10 destinée à des opérations d’usinage.

[0052] Ensuite, l’application d’une compression mécanique sur l’empilage de plis 2 formant l’ébauche 1 assure la compression des matériaux, ladite compression mécanique étant associée à un cycle de température.

[0053] Enfin, une opération d’usinage de la zone sacrificielle 10 de l’ébauche 1 permet d’extraire le balancier 4B.

[0054] Le balancier 4B à moment d’inertie variable comporte une serge 5, discontinue, dans laquelle quatre bras de liaison 6 espacés sont reliés à ladite serge 6 par une extrémité desdits bras 6, lesdits bras de liaison 6 sont reliés par une de leur extrémité à un anneau central 7 et par leur autre extrémité, deux par deux, à une portion de serge 5. Les bras de liaison 6 et la serge 5 sont réalisés à base d’une matière composite utilisant une fibre de carbone, au module de Young élevé, compris entre 100 et 900 GPa, dont les fibres sont orientées radialement par rapport à un axe de rotation autour de l’élément annulaire 7 et dont l’orientation des fibres dans l’élément annulaire 7 est réalisée en disposant les fibres de renfort dans différentes directions.

[0055] Selon un autre aspect de l’invention, le procédé est mis en œuvre pour fabriquer un autre composant horloger 4, tel qu’un élément supérieur ou inférieur de cage de tourbillon 4E pour mouvement d’horlogerie, illustré à la fig. 6 , réalisé en matériaux composites.

[0056] Le tourbillon, s’il permet d’améliorer les performances d’un mouvement mécanique en termes d’isochronisme, a néanmoins un impact sur le fonctionnement dudit mouvement de par sa consommation énergétique, impact direct sur la réserve de marche et potentiellement sur l’isochronisme selon sa masse.

[0057] Comme tout élément mobile d’un mouvement mécanique, la cage de tourbillon a tout intérêt à avoir une masse totale minimisée. L’emploi d’un matériau à faible densité est donc à privilégier. Néanmoins, de par leur forme géométrique, les cages supérieures et inférieures possèdent généralement des bras de forme élancée. Cet élancement, qui impose une section faible, nécessite donc une résistance élevée. C’est bien un matériau à haut ratio rigidité / masse qui conviendra. Un matériau composite au sens fibre de renfort telle qu’une fibre de carbone et matrice liante telle qu’une résine epoxy présente des caractéristiques mécaniques intrinsèques supérieures aux matériaux conventionnellement utilisés pour la réalisation de cages de tourbillon, particulièrement en terme de module de Young spécifique, c’est-à-dire le module ramené à la masse.

[0058] Dans un matériau fibreux, non isotrope par nature, la valeur du module varie très sensiblement selon l’orientation des fibres. Il convient donc, pour garantir la rigidité souhaitée, d’orienter précisément les fibres dans certains endroits stratégiques de la cage de tourbillon.

[0059] Pour la réalisation des bras, une étude de résistance des matériaux non isotropes mettra en avant la nécessité de disposer un maximum de fibres dans le sens longitudinal des bras.

[0060] Dans le cas d’emploi d’une cage de tourbillon, une caractéristique majeure de ce dernier est sa stabilité dimensionnelle dans le temps et en fonction des conditions extérieures, particulièrement l’impact de la température, afin d’assurer un isochronisme constant. La présente invention permet d’assurer une très grande stabilité dimensionnelle grâce à un coefficient de dilatation thermique plus faible que les matériaux conventionnellement utilisés. Pour cela, il conviendra de choisir une fibre de carbone particulière, présentant une spécificité de dilatation thermique quasi nulle, tout en conservant ses caractéristiques mécaniques, spécifiquement en terme de module de Young, particulièrement important dans ce cas d’emploi. Par ailleurs, la disposition des fibres sera extrêmement importante pour le respect de ce critère d’élongation thermique. En effet, si la fibre judicieusement sélectionnée peut avoir un coefficient de dilatation thermique quasi nul, ce n’est pas le cas de la matrice liante, de la famille des polymères. Ainsi, le matériau composite consolidé aura une élongation quasi nulle dans le sens longitudinal des fibres, tandis qu’il sera non négligeable dans le sens transversal. Dès lors, l’orientation radiale privilégiée par les aspects mécaniques convient aussi pour les aspects thermiques. Une élongation radiale quasi nulle permet d’assurer une constance de l’inertie en fonction de la température. L’élongation, que l’on ne saura éviter, dans le sens transversal des fibres, n’aura pas d’impact sur l’inertie de la cage.

[0061] Le matériau composite sélectionné pour la présente invention possède aussi des caractéristiques amagnétiques avantageuses dans le cas d’emploi d’une cage de tourbillon, limitant ainsi son influence aux perturbations magnétiques extérieures et garantissant une constance de l’isochronisme.

[0062] Le matériau composite sélectionné pour la présente invention possède aussi une haute résistance à la corrosion.

[0063] La réalisation d’un tel composant sera rendue possible grâce à l’élaboration préalable d’une ébauche 1, dont les plis constitutifs seront en préimprégné carbone epoxy, et dont les grammages et orientations dépendront de la géométrie des ponts de cage. Dans le cas répandu d’un élément de cage de tourbillon 4E à trois bras 8, il conviendra de disposer des fibres dans chacune des directions des bras 8, afin que l’élément de la cage 4E ait un comportement mécanique homogène.

[0064] Comme illustré à la fig. 6 , l’élément supérieur et/ou inférieur d’une cage de tourbillon 4E pour pièce d’horlogerie est obtenu à partir d’une ébauche 1. L’élément 4E comporte trois bras 8 répartis autour d’une extrémité 9 par laquelle lesdits bras 8 sont reliés, les bras 8 étant réalisés à base d’une matière composite utilisant une fibre de renfort, dont les fibres sont orientées, de manière longitudinale, selon trois orientations. L’empilement de plis 2 est réalisé avec des fibres unidirectionnelles ayant une orientation de 60° l’une relative à l’autre. L’empilement de plis 2 est réalisé avec des fibres unidirectionnelles selon l’arrangement suivant: (0/607-60/0/60/-60/0/60/-60). En théorie, on devrait respecter une symétrie miroir dans l’empilement, mais dans le cas présent, on privilégie une répartition identique des orientations dans chaque bras 8 pour avoir un comportement mécanique homogène d’un bras 8 à l’autre.

[0065] Dans un autre exemple, illustré à la fig. 7 , des aiguilles 4A d’une montre sont réalisées à partir d’une ébauche 1, constituée d’un empilage de plis 2 dont les fibres de renfort sont orientées, de manière longitudinale, selon au moins deux orientations. Dans cet exemple, il y a trois plis 2.

[0066] Dans le domaine de l’horlogerie, en tenant compte des contraintes mécaniques et/ou esthétiques, d’autres composants horlogers peuvent être fabriqués selon le procédé décrit, comme par exemple un timbre/marteau, un rouage, un tourbillon, un ressort/sautoir, un support de masse, une boite de montre sans la glace, une lunette de montre et bien d’autres composants

[0067] Par ailleurs, la coloration du matériau n’est pas décrite, mais elle est envisageable dans une étape additionnelle du procédé.

[0068] La présente invention a pour objet de garantir, en chaque endroit d’un composant micromécanique réalisé, une disposition optimum des fibres constitutives, selon les considérations exigées par le besoin, qu’il soit mécanique ou esthétique par exemple.

[0069] Les exemples précédemment décrits mettent en avant les avantages du procédé et de son application pour des composants horlogers. Toutefois, la présente invention permet également la fabrication d’un composant micromécanique pour d’autres domaines comme le médical, l’automobile, la téléphonie mobile, l’aviation, le domaine spatial, la robotique, la bijouterie ou la maroquinerie.

Claims (22)

1. Procédé de fabrication par moulage d’un composant micromécanique (4B, 4E, 4A) réalisée à base d’un matériau composite anisotropique composé d’au moins deux composants non miscibles, dont au moins une fibre de renfort et une matrice liante, la fibre de renfort étant noyée dans la matrice liante, le procédé comportant les opérations suivantes: a) Empiler, dans un moule, des couches successives de fibres de renfort, imprégnées de matrice, ci-après plis (2), chaque pli (2) étant constitué de nappe unidirectionnelle dans laquelle les fibres de renforts sont disposées parallèles les unes aux autres, ou de plis (2) tissés, dans laquelle les fibres de renforts sont tissés selon deux directions, ou de nappe multidirectionnelle, dans laquelle les fibres de renforts sont disposées sans orientation privilégiée, chaque pli (2) ayant une épaisseur donnée allant de 0.010mm à 0.6mm, l’empilement des plis (2) formant une ébauche (1), dont les dimensions externes sont jusqu’à 50 voire 60mm de longueur et jusqu’à 50 voire 60mm de largeur, ladite ébauche (1) comportant au moins une zone dite finale (11) correspondant à une partie du composant micromécanique (4B, 4E, 4A) et au moins une zone dite sacrificielle (10) destinée à des opérations d’usinage, b) Appliquer une compression mécanique sur l’empilage de plis (2) formant l’ébauche (1) pour assurer la compression des matériaux, ladite compression mécanique étant associée à un cycle de température, c) Le cas échéant, appliquer un cycle de vide d’air dans le but d’extraire des gaz accumulés entre les fibres de renfort, et d) Usiner la ou les zones sacrificielles (10) de l’ébauche (1), de manière à aboutir au composant micromécanique (4B, 4E, 4A), caractérisé en ce que l’ébauche (1) formé dans l’étape a) présente un caractère anisotropique spécifique, selon les orientations des fibres et l’épaisseur de chaque pli (2), ce caractère anisotropique spécifique de l’ébauche (1) étant choisi en fonction des caractéristiques du composant micromécanique (4B, 4E, 4A) à réaliser, et la nature, la forme et l’aspect esthétique du composant micromécanique (4B, 4E, 4A) provient de la forme du moule, du type d’empilement et des opérations d’usinage tenant compte du caractère anisotropique spécifique de l’ébauche (1), lequel caractère anisotropique spécifique est repris dans le composant micromécanique (4B, 4E, 4A) réalisé.

2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la fibre de renfort est une fibre sèche ou pré-imprégnée et la matrice liante est une matrice liquide ou semi-liquide.

3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’opération d’usinage comporte un alésage, un découpage, un taraudage, un perçage, un fraisage, un filetage, un émerisage et/ou une rectification.

4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’ébauche (1) est d’épaisseur proche de l’épaisseur finale souhaitée, légèrement supérieure ou à un nombre entier près de plis (2) et l’ébauche est mise à une épaisseur et une planéité voulues par une opération de rectification ou fraisage.

5. Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les fibres sont disposées, dans une zone locale du composant micromécanique (4B, 4E, 4A), dans des directions différentes, de manière à créer localement un comportement quasi isotrope, pour la réalisation de taraudages ou une opération de chassage.

6. Procédé selon l’une des revendications précédentes de fabrication par moulage d’un balancier (4B) d’un mécanisme horloger à partir d’une ébauche (1), le balancier (4B) comportant une serge (5) dans laquelle au moins deux bras de liaison (6) espacés sont reliés à ladite serge (5) par une de leurs extrémités, lesdits bras de liaison (6) étant reliés entre eux par leur autre extrémité par un élément annulaire (7) au centre de ladite serge, l’ébauche (1) comportant au moins une fibre de renfort au module de Young élevé, compris entre 50 et 900 GPa.

7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l’ébauche (1) comporte un empilement, dans un moule, de couches successives de fibres de renfort, planes ou quasi-planes, imprégnées de matrice, la ou lesdites zones dites finales (11) correspondant à une partie du balancier (4B), les bras de liaison (6) du balancier (4B) étant composés de fibres orientées radialement et la partie annulaire (7) centrale étant composée de fibres dont l’orientation est variée.

8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, dans lequel l’ébauche (1) est réalisée à base d’une fibre de carbone et d’une résine epoxy par noyage de la fibre de carbone dans la résine epoxy.

9. Procédé selon l’une des revendications 6, 7 ou 8, dans lequel des éléments additionnels sont intégrés dans l’ébauche (1) avant de subir la compression mécanique.

10. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5 de fabrication par moulage d’un élément supérieur et/ou inférieur (4E) d’une cage de tourbillon réalisé à partir d’une ébauche (1), ledit élément supérieur et/ou inférieur (4E) d’une cage de tourbillon comportant au moins deux bras (8), chaque bras (8) comportant deux extrémités, lesdits bras (8) étant répartis autour d’une extrémité par laquelle lesdits bras (8) sont reliés, les fibres de renfort étant orientées, de manière longitudinale, selon un nombre d’orientations au moins égal au nombre de bras (8).

11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel l’ébauche (1) est réalisée à base d’une fibre de carbone et d’une résine epoxy par noyage de la fibre de carbone dans la résine epoxy.

12. Procédé selon l’une des revendications 1 à 9 de fabrication d’un composant horloger, médical, automobile, de téléphonie mobile, d’aviation, spatial, robotique, de bijouterie ou de maroquinerie.

13. Balancier (4B) à moment d’inertie variable pour pièce d’horlogerie obtenable selon le procédé de l’une des revendications 1 à 9, comportant une serge (5) dans laquelle au moins deux bras de liaison (6) espacés sont reliés à ladite serge (5) par une extrémité desdits bras (6), lesdits bras de liaison (6) étant reliés entre eux par leur autre extrémité par un élément annulaire (7) au centre de ladite serge (5), caractérisé en ce que les bras de liaison (6) et la serge (5) sont réalisés à base d’une matière composite utilisant une fibre de renfort, au module de Young élevé, compris entre 50 et 900 GPa, dont les fibres sont orientées radialement par rapport à un axe de rotation autour de l’élément annulaire (7) et dont l’orientation des fibres dans l’élément annulaire (7) est réalisé en disposant les fibres de renfort dans différentes directions.

14. Balancier (4B) selon la revendication 13, dans lequel la serge (5) est discontinue.

15. Balancier (4B) selon l’une des revendications 13 ou 14, comportant quatre bras de liaison (6), les bras de liaison (6) étant reliés par une de leur extrémité à un anneau central (7) et par leur autre extrémité, deux par deux, à une portion de serge (5).

16. Balancier (4B) selon l’une des revendications 13 à 15, dans lequel un axe du balancier (4B) est chassé dans l’élément annulaire (7) au centre de ladite serge (5).

17. Balancier (4B) selon l’une des revendications 13 à 16, dans lequel des éléments additionnels, par exemple des masselottes, sont intégrés.

18. Balancier (4B) selon l’une des revendications 13 à 17, dans lequel des masselottes sont disposées sur les bras de liaison (6) et/ou sur la serge (5).

19. Balancier(4B) selon l’une des revendications 13 à 18, dans lequel l’empilement de plis (2) est réalisé avec des fibres unidirectionnelles selon un arrangement comprenant quatre orientations différentes, une première orientation à 0°, une seconde orientation à 90°, une troisième et une quatrième orientation déterminées par la disposition des bras de liaison (6), la valeur 0° correspondant à des fibres orientées selon la bissectrice d’un angle entre deux bras (6) successifs reliés par une portion de serge (5).

20. Elément supérieur et/ou inférieur (4E) d’une cage de tourbillon pour pièce d’horlogerie obtenable selon le procédé de l’une des revendications 10 ou 11, l’élément (4E) comportant au moins deux bras (8) répartis autour d’une extrémité par laquelle lesdits bras (8) sont reliés, les bras (8) étant réalisés à base d’une matière composite utilisant une fibre de renfort, dont les fibres sont orientées, de manière longitudinale, selon un nombre d’orientations au moins égal au nombre de bras (8).

21. Elément (4E) selon la revendication 20, ledit élément (4E) comportant trois bras (8) régulièrement répartis, l’empilement de plis (2) étant réalisé avec des fibres unidirectionnelles ayant une orientation de 60° l’une relative à l’autre.

22. Elément (4E) selon la revendication 20 ou 21, ledit élément (4E) comportant trois bras (8) régulièrement répartis, l’empilement de plis (2) étant réalisé avec des fibres unidirectionnelles selon l’arrangement suivant: (0/60/-60/0/60/-60/0/60/-60).