CH712359B1 - Ressort moteur dans un matériau composite à matrice métallique. - Google Patents
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Abstract
Ressort moteur (100) destiné à être monté dans un barillet de mouvement de montre, le ressort moteur (100) ayant une longueur (L) et étant réalisé dans un composite à matrice métallique comprenant une matrice métallique et des fibres, dans lequel chacune des fibres présente une longueur (I) d’au moins 50% de la longueur (L) du ressort (100).
Description
Description Domaine technique [0001] La présente invention concerne un ressort moteur destiné à être monté dans un barillet moteur de montre ou autre pièce d’horlogerie.
Etat de la technique [0002] Le ressort de barillet, ou ressort moteur, est l’organe permettant d’emmagasiner l’énergie mécanique nécessaire au fonctionnement de la montre. Généralement, ses dimensions géométriques et les propriétés mécaniques du matériau qui le compose déterminent l’énergie potentielle que le ressort moteur est capable d’emmagasiner et le couple maximal qu’il délivre. Le déroulement de la lame du ressort produit l’énergie nécessaire au fonctionnement de la montre. La fig. 1 montre une vue éclatée d’un ressort moteur 1 logé dans un tambour de barillet 2. La forme de la lame du ressort a évolué jusqu’à une forme reconnue en S retourné (voir fig. 2 et «Théorie d’horlogerie» par C-A Reymondin et al., édité par la Fédération des Ecoles Techniques, Suisse, 1998). Cette forme particulière permet de produire un couple relativement constant quel que soit l’état d’armement du ressort. L’énergie maximale est emmagasinée par le ressort moteur lorsque la proportion entre la surface occupée par ce dernier, lorsqu’il est armé, et celle qui reste libre dans le tambour est d’environ 50 pourcent.
[0003] Les manufacturiers horlogers ont cherché de tout temps à augmenter la capacité de stockage d’énergie des ressorts moteurs et, ainsi, la réserve de marche des montres mécaniques, sans pour autant accroître le volume, c’est-à-dire l’encombrement, des barillets. Les efforts ont principalement été dirigés vers la réduction des pertes d’énergie, notamment dues aux frottements.
[0004] Le recours aux matériaux composites, tels qu’un polymère renforcé de fibres de verre ou autres pour la fabrication des ressorts moteur permet d’obtenir des ressorts moins susceptibles que les ressorts conventionnels métalliques aux fractures par fatigue et, par conséquent, avoir une durée de vie plus longue. L’utilisation de tels matériaux composites peut nécessiter le dimensionnement des ressorts en tenant compte des spécificités qui différencient ces matériaux composites des aciers traditionnellement utilisés. En effet, si les techniques de laminage de l’acier autorisent des épaisseurs de lame inférieures au dixième de millimètre, des dimensions aussi réduites sont difficiles avec les performances mécaniques visées dans le cas des matériaux composites. Les ressorts en matériaux composites peuvent en outre présenter une résistance à la flexion plus faible que les ressorts métalliques.
[0005] Le document EP 2 511 229 décrit un composant micromécanique tel qu’un ressort moteur dont le matériau de support peut être en un composite de matériau céramique dans une matrice métallique, par exemple des matrices métalliques à base de nickel ou de cobalt emprisonnant des particules de carbures de tungstène ou de carbures de titane.
[0006] Le document WO 2005 123 324 concerne le procédé d’usinage d’un composant horloger tel qu’un ressort. Celui-ci peut être en un matériau composite, y compris un matériau à matrice/liant organique ou métallique et comprenant notamment, sans que cela soit exhaustif, des phénoliques, des polyesters, des époxydes, des polyimides, des renforcés de fibres / renforts additifs (principalement celluloses, verre E, C, S, R ..., bore, ...), des trichites (whiskers) AIO3, SIO2, ZrO2, MgO, TIO2, BeO, SIC, de l’aramide bas module, de l’aramide haut module, du carbone haute ténacité, du carbone haut module, du bore, de l’acier, de l’aluminium, etc., ainsi que des matériaux chargés de matières minérales, en particulier de craie, silice, kaolin, oxyde de titane, bille de verre, etc.
[0007] Ainsi, de nombreuses tentatives de fabrication d’un composant horloger, y compris un composant élastique, ont porté sur l’utilisation d’un composite à matrice métallique. Lorsqu’on parle de composite à matrice métallique, il s’agit d’une matrice métallique dans lequel on insère des fibres, des particules ou encore des filaments qu’on appelle trichites («Whiskers»). Les trichites sont des fibres ayant une longueur allant de 10 μm à 5 cm. Par exemple, le document CH 564 391 divulgue l’utilisation des trichites dans une matrice métallique en Ni ou Ag.
[0008] Cependant, à ce jour aucun ressort moteur en matériau composite à matrice métallique n’a pu satisfaire aux exigences liées à cette pièce essentielle d’un mouvement horloger mécanique.
Bref résumé de l’invention [0009] Un but de la présente invention est de proposer un ressort moteur destiné à être monté dans un barillet moteur de montre ou autre pièce d’horlogerie, exempt des limitations des documents de l’état de la technique connus.
[0010] Un autre but de l’invention est de proposer un ressort moteur destiné à être monté dans un barillet moteur, ayant une faible épaisseur tout en ayant de bonnes propriétés mécaniques, en particulier de bonnes propriétés élastiques.
[0011] En particulier, la présente invention a pour but de proposer un ressort moteur qui puisse présenter des propriétés mécaniques, en particulier des propriétés élastiques prédéterminées et constantes sur une partie importante de la longueur du ressort.
[0012] Selon l’invention, ces buts sont atteints notamment au moyen d’un ressort moteur destiné à être monté dans un barillet, le ressort moteur ayant une longueur L et étant réalisé dans un composite à matrice métallique comprenant une
CH 712 359 B1 matrice métallique et des fibres. De façon caractéristique, chacune des fibres présente une longueur I d’au moins 50% de la longueur L du ressort.
[0013] Cette solution présente notamment l’avantage par rapport à l’art antérieur de disposer de caractéristiques améliorées en résistance à la traction par le fait que les fibres s’étendent dans la même direction que la direction principale du ruban constituant le ressort et sur une longueur I dépassant ou égale à la moitié longueur totale L du ressort. La longueur L totale du ressort correspond à la longueur totale du ruban formant le ressort, dans une configuration complètement déployée.
[0014] Les composites à matrice métallique (CMM ou MMC pour «Métal Matrix Composite») utilisent un métal ductile, relativement résistant et rigide avec des renforts sous forme de fibres qui apportent une résistance accrue, notamment pour des contraintes de traction et pour des contraintes cycliques (amélioration de résistance à la fatigue).
[0015] Le matériau composite à matrice métallique permet de tirer parti de l’excellente rigidité et résistance en traction des fibres longues tout en conservant la ductilité et l’usinabilité du métal de base. Il est ainsi possible de diminuer l’épaisseur du ruban formant le ressort moteur, tout en conservant une bonne résistance mécanique ou encore d’augmenter les caractéristiques mécaniques à épaisseurs égales.
[0016] Pour les fibres, on exclut donc selon la présente invention d’utiliser des fibres courtes mais on utilise des fibres longues (plus de la moitié ou égale à la moitié de la longueur du ressort), voire des fibres très longues, lesquelles peuvent être des fibres continues mono filament ou multi filaments.
[0017] Selon l’invention, on utilise donc de préférence un matériau composite, généralement mis en forme par fonderie, constitué d’au moins une phase métallique (le liant ou matrice) et d’au moins une phase non métallique.
[0018] Cette phase non métallique est de préférence une phase céramique ou contenant de la céramique, à savoir un produit réfractaire. On utilise donc de préférence un matériau appartenant à la famille communément appelé CERMET.
[0019] L’invention concerne également un barillet comportant un ressort moteurtel que décrit précédemment ainsi qu’une montre équipée d’un mouvement comprenant un tel barillet. L’invention concerne également un procédé pour la fabrication dudit ressort moteur.
Brève description des figures [0020] Des exemples de mise en œuvre de l’invention sont indiqués dans la description illustrée par les figures annexées dans lesquelles:
la fig. 1 montre une vue éclatée d’un ressort moteur logé dans un tambour de barillet;
la fig. 2 illustre un ressort moteur dans sa position déroulée ayant une forme en S retourné, et la fig. 3 est une vue agrandie du détail III de la fig. 2, montrant plus précisément la structure du matériau constituant le ressort, selon l’invention.
Exemple(s) de mode de réalisation de l’invention [0021] Sur la fig. 2, on retrouve, dans une configuration déployée, un ressort moteur 100. Ce ressort 100 est formé d’un ruban et s’étend entre ses deux extrémités selon une longueur totale L.
[0022] Pour mieux comprendre la structure du ruban formant le ressort 100, on se reporte maintenant à la fig. 3. On y voit un tronçon du ressort 100 (détail III sur la fig. 2). La matière du ressort 100 comporte une matrice 10 dans laquelle sont noyées des fibres 20.
[0023] Selon une variante non représentée, d’autres constituants tels que des particules ou autres additifs sont également noyés dans la matrice 10.
[0024] Selon un mode de réalisation, la matrice 10 comprend l’un des métaux ou un alliage de l’un des métaux suivant: or, magnésium, aluminium.
[0025] Selon un mode de réalisation, les fibres 20 comprennent l’un des matériaux suivant: le verre, le quartz, le bore, le basalte, ou une combinaison de ces matériaux.
[0026] Selon un mode de réalisation, le cœur des fibres 20 est réalisé dans l’un des matériaux précités et les fibres 20 peuvent être revêtues ou enduites d’une couche d’un autre matériau.
[0027] Selon l’invention, les fibres 20 du ressort 100 sont toutes d’une longueur I au moins égale à la moitié de la longueur L du ressort.
[0028] Selon un mode de réalisation, une partie des fibres 20, en particulier au moins la moitié des fibres 20, présente une longueur d’au moins 70% de la longueur L du ressort 100.
CH 712 359 B1 [0029] Selon un mode de réalisation, chacune des fibres 20 présente une longueur d’au moins 70% de la longueur L du ressort 100.
[0030] Selon un mode de réalisation, une partie des fibres 20, en particulier au moins la moitié des fibres 20, présente une longueur égale ou presque égale à la longueur L du ressort 100.
[0031] On comprend que les fibres 20 sont disposées avantageusement de façon du moins approximativement parallèles entre elles et suivent la forme du ressort moteur 100 au repos telle qu’illustrée sur la fig. 2. Les fibres 20 sont ainsi arrangées de façon unidirectionnelle dans le ressort moteur 100.
[0032] Par ailleurs, les fibres sont de préférence présentes dans chaque tronçon du ressort moteur 100.
[0033] Les fibres 20 présentent toutes de préférence sensiblement la même dimension dans leur section. En particulier, les fibres 20 présentent une section sensiblement circulaire avec un diamètre compris entre 3 et 20 micromètres.
[0034] Pour bénéficier des propriétés avantageuses des fibres, de préférence, le rapport surfacique entre la section des fibres 20 et la section de la matrice 10 est de 35 à 90.7% dans chaque section du ruban formant le ressort 100.
[0035] A titre d’exemple, le rapport volumique entre les fibres 20 et la matrice 10 est de 30 à 90.7%.
[0036] Typiquement, la taille du ruban formant le ressort spiral 100 conforme à l’invention présente une longueur comprise entre 10 à 2000 millimètres. De préférence la longueur du ressort spiral 100 est au minimum 100 mm, et plus préféré 200 mm. Par ailleurs, typiquement la section du ruban formant est comprise entre 0.05 et 1.5 mm2.
[0037] L’invention n’est pas limitée à un ressort spiral mais s’applique à tout ressort moteur pour organe réglant de montre. [0038] Différents procédés de fabrication peuvent être utilisés pour réaliser le ressort moteur selon l’invention. Par exemple, et de façon non exhaustive, on cite le procédé de fabrication suivant. Le «Squeeze Casting» (également connu sous l’expression «liquid métal forging», et en français «forgeage de métal en phase liquide») qui applique une pression importante sur le métal en fusion afin de réduire les porosités. Dans ce cas, le métal est mis sous pression dans un moule contenant une préforme de fibres arrangées de façon unidirectionnelle avec la coulée de l’alliage de métal.
[0039] Une étape de finition du ressort moteur peut consister en un usinage, qui peut être réalisé par exemple par un procédé d’ablation laser comme décrit dans WO 2005/123 324. Dans ce cas, de préférence, on s’arrange pour ne pas avoir à couper de fibres, ce qui pourrait être préjudiciable aux propriétés élastiques et de résistance mécanique du ressort moteur. La préforme est donc disposée dans le moule avec des fibres placées et orientées parallèlement entre elles et par rapport aux parois du moule afin d’éviter de laisser une portion coupée, en particulier une portion trop courte, de fibre dans la pièce.
Numéros de référence employés sur les figures [0040]
100 Ressort-spiral
Matrice
Fibres
Claims (15)
- Revendications1. Ressort moteur (100) destiné à être monté dans un barillet d’un mouvement d’une pièce d’horlogerie, le ressort moteur (100) ayant une longueur (L) et étant réalisé dans un composite à matrice métallique comprenant une matrice métallique (10) et des fibres (20); dans lequel chacune des fibres (20) présente une longueur (I) d’au moins 50% de la longueur (L) du ressort (100).
- 2. Ressort moteur (100) selon la revendication 1, dans lequel la matrice (10) comprend l’un des métaux ou un alliage de l’un des métaux suivant: or, magnésium ou aluminium.
- 3. Ressort moteur (100) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les fibres (20) comprennent au moins un des matériaux suivant: le verre, le quartz, le bore, ou le basalte.
- 4. Ressort moteur (100) selon la revendication précédente, dans lequel les fibres (20) comprennent le basalte.
- 5. Ressort moteur (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel chacune des fibres (20) présente une longueur d’au moins 70% de la longueur (L) du ressort (100).
- 6. Ressort moteur (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel au moins la moitié des fibres (20) présente une longueur égale ou approximativement égale à la longueur (L) du ressort (100).
- 7. Ressort moteur (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le ressort (100) est un ressort-spiral.
- 8. Ressort moteur (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le rapport volumique entre les fibres (20) et la matrice (10) est de 30 à 90.7%.CH 712 359 B1
- 9. Ressort moteur (100) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le ressort (100) est formé d’un ruban et s’étend entre ses deux extrémités selon une longueur totale (L); et dans lequel, dans chaque section du ruban formant le ressort (100), le rapport surfacique entre les sections des fibres (20) et la section de la matrice (10) est de 35% à 90.7%.
- 10. Ressort moteur (100) selon l’une des revendications précédentes, ayant une longueur minimum de 100 mm.
- 11. Ressort moteur (100) selon la revendication précédente ayant une longueur minimum de 200 mm.
- 12. Procédé pour la fabrication du ressort moteur (100) selon l’une des revendications précédentes, le procédé comprenant une étape d’arranger une préforme de fibres (20) de façon unidirectionnelle dans un moule et une étape de forgeage de métal en phase liquide, cette étape de forgeage de métal en phase liquide comprenant la mise sous pression du métal de la matrice métallique (10) dans le moule contenant la préforme de fibres (20).
- 13. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel la préforme est disposée dans le moule avec les fibres orientées parallèlement par rapport aux parois du moule.
- 14. Barillet comportant le ressort moteur (100) selon l’une des revendications 1 à 11.
- 15. Pièce d’horlogerie comportant un barillet selon la revendication précédente.CH 712 359 B1
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2016
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