CH710914A1 - A method of manufacturing a micromechanical component anisotropic. - Google Patents
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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.A method of manufacturing by molding a micromechanical component (4B, 4E, 4A) made of an anisotropic composite material, composed of at least two immiscible components, including at least one reinforcing fiber and a binder matrix, the reinforcing fiber being embedded in the binder matrix, comprises a first step of stacking, in a mold, successive layers of reinforcing fibers, impregnated with matrix, hereinafter folds (2). Each fold (2) consists of a unidirectional sheet, or folds (2) woven, or multidirectional web. Each fold (2) has a given thickness ranging from 0.010 mm to 0.6 mm, and the stack of folds (2) forms a blank (1), the external dimensions of which are up to 50 or even 60 mm in length and up to 50 or 60mm wide. The blank (1) comprises at least one so-called final zone (11) corresponding to a portion of the micromechanical component (4B, 4E, 4A) and at least one so-called sacrificial zone (10) intended for machining operations. A second step consists in the application of a mechanical compression on the stack of folds (2) forming the blank (1) to ensure the compression of the materials, said mechanical compression being associated with a temperature cycle, or even the where appropriate, an air vacuum cycle for the purpose of extracting gases accumulated between the reinforcing fibers. A third step consists of machining the sacrificial zone or zones (10) of the blank (1), so as to lead to the micromechanical component (4B, 4E, 4A). The blank (1) formed in the first step has a specific anisotropic character, according to the orientations of the fibers and the thickness of each fold (2), this specific anisotropic character of the blank (1) being chosen according to the characteristics of the micromechanical component to be produced. The nature, shape and aesthetic appearance of the micromechanical component (4B, 4E, 4A) come from the shape of the mold, the type of stack and the machining operations taking into account the specific anisotropic nature of the blank (1). ), which specific anisotropic character is taken up in the micromechanical component (4B, 4E, 4A) produced. The invention also relates to a balance (4B) with variable moment of inertia for a timepiece, and an upper and / or lower element (4) of a tourbillon cage for a timepiece.
Description
[0001] La présente invention concerne un procédé de fabrication par moulage d’un composant micromécanique réalisée à base d’un matériau composite. The present invention relates to a method of manufacturing by molding a micromechanical component made from a composite material.
[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. In general, the most frequently used micromechanical components are machined in a metallic material, such as iron, nickel silver, copper, brass, or other, and this by bar turning in the end of a bar, or by cutting a profile, or by stamping or punching a plate, or by milling a raw form. Some components may also be molded of thermosetting or thermoplastic synthetic material as long as their geometry is suitable for the production of a mold. The essential advantage of these techniques is their low cost of producing series of components.
[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. The current trend is that the components are stronger, lighter, and more aesthetic. Composite materials, in the sense of reinforcing fiber and binder matrix, meet these criteria. Areas such as aeronautics, nautical, rail or automobile have taken advantage of the advantages of such materials and have developed a set of implementation processes adapted to their needs, generally summarized as follows: large, durable and lightweight parts with more or less lefts.
[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. However, for micromechanical components, the conventional methods of implementation of composite materials have significant disadvantages that makes it difficult to achieve micromechanical components. The commonly used methods of implementation are generally unsuited to the particular constraints of small components. Therefore, a commonly used practice is to implement processes adapted to the size of the components to be produced but which, not taking into account the specificities of the composite materials, especially in terms of anisotropy, do not necessarily allow, because too random , to make the most of these materials. For example, the mass machining of a fibrous composite material resulting in a massive cut of the fibers removes the mechanical advantage of the use of such fibers.
[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. Thus, to benefit from the exploitation of composite materials, the anisotropy must be taken into account at all stages of design and manufacture of the micromechanical component.
[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. The choice of the fiber / matrix pair, the determination of the orientation of the fibers at each point of the micromechanical component and the taking into account of the operations necessary for the manufacture of the component, for example a machining operation, which have the subject of a theoretical study are complicated to implement, from a practical point of view. Indeed, the process respecting this succession of operations allowing the conformity of the theoretical choices throughout the production until the micromechanical component is difficult to implement.
[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. For example, in the case of materials commonly used for producing watchmaking or micromechanical components, it is sufficient to know the nature of the material and the possible treatments it may have undergone to accurately predict the final behavior. component. The designer will choose, according to his needs, from a table of materials with well-known properties.
[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. In the case of the use of a composite material, the knowledge of the fiber / matrix pair is not sufficient to allow the designer to predict the final behavior of the component to be made, as the behavior of the latter may vary. , for the same fiber / matrix pair chosen, depending on the position and orientation of these fibers.
[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. [0009] Furthermore, the conventional methods consisting of an overlay of plies implemented in an open mold are not compatible with the level of precision required for a micromechanical component. They can nevertheless allow the realization of a component with a surplus of material. This surplus will then be removed by a material removal process. Given the non-isotropic nature of the consolidated composite material, depending on the nature of the geometry of the removal of material, the latter can be quite detrimental to the mechanical integrity of the component. Indeed, the machining in the mass, whatever the process, without taking into account very fine of the internal constitution, in the sense of the precise knowledge of the nature, the thickness, the constitution, the position and orientation of each fold is therefore highly hazardous as to the quality of the component thus produced.
[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. The closed mold molding processes, compression molding in particular, allow the realization of more complex components, for example, may limit the need for recourse to subsequent operations of removal of material. However, in this case, obtaining complex shapes is made possible in particular by the application of high pressure on the composite material during implementation. This high pressure will allow creep of the matrix in the viscous state and inevitably causes a displacement of the fibers, without precise knowledge of the position of each fold at the end of the process. This type of process is no longer suitable since it is desired a fixed position of each fold from the beginning to the end of the implementation process, whether for mechanical or aesthetic reasons in particular.
[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. The present invention relates to a method of manufacturing by molding a micromechanical component made of a composite material respecting the anisotropy of said composite material.
[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. According to the invention, a method of manufacturing by molding a micromechanical component made of an anisotropic composite material composed of at least two immiscible components, including at least one reinforcing fiber and a binder matrix , the reinforcing fiber being embedded in the binder matrix, comprises a first step consisting in stacking, in a mold, successive layers of reinforcing fibers, impregnated with matrix, hereinafter folds, each fold consisting of unidirectional sheet in wherein the reinforcing fibers are arranged parallel to each other, or woven plies, wherein the reinforcing fibers are woven in two directions, or multidirectional web, wherein the reinforcing fibers are arranged without preferred orientation. Each fold can have a given thickness ranging from 0.010 mm to 0.6 mm, the stack of plies forming a blank, the external dimensions of which are up to 50 or even 60 mm in length and up to 50 or even 60 mm in width. The blank comprises at least one so-called final zone corresponding to a part of the micromechanical component and at least one so-called sacrificial zone intended for machining operations. A second step is to apply a mechanical compression on the stack of plies forming the blank to ensure the compression of materials, said mechanical compression being associated with a temperature cycle. Optionally this second step can be completed by the application of an air vacuum cycle in order to extract gases accumulated between the reinforcing fibers. Finally, a third step is to remove material on the sacrificial zone or zones of the blank, so as to lead to the micromechanical component. The blank formed in the first step has a specific anisotropic character, according to the fiber orientations and the thickness of each fold, this specific anisotropic character of the blank being chosen as a function of the characteristics of the micromechanical component to be produced. The nature, shape and aesthetic appearance of the micromechanical component come from the shape of the mold, the type of stack and the material removal operations taking into account the specific anisotropic nature of the blank, which specific anisotropic character is taken over. in the micromechanical component produced.
[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. In a first embodiment, the reinforcing fiber is a dry or pre-impregnated fiber and the binder matrix is a liquid or semi-liquid matrix.
[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. The removal operation may consist for example of a bore, a cutting, tapping, drilling, milling, threading, grinding and / or grinding, grinding, cutting water jet, laser cutting and engraving, laser / water jet combination.
[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. In another embodiment, the blank is of thickness close to the desired final thickness, slightly greater or to an integer near fold, so as to be set to a desired thickness and flatness by a grinding or milling operation.
[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. In order not to weaken the micromechanical component, the realization of tapping or a driving operation in a local area of said micromechanical component, can be done only if the fibers are disposed in said local area, in different directions, so as to locally create a quasi isotropic behavior.
[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. According to another aspect of the invention, a manufacturing method by molding a rocker is made from a blank in which the rocker comprises a serge in which at least two spaced apart link arms are connected to said serge by one of their ends, said connecting arms being interconnected by their other end by an annular element in the center of said serge. The blank comprises at least one reinforcing fiber with a high Young's modulus of between 100 and 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. According to this other aspect of the invention, the blank comprises a stack of successive layers of reinforcing fibers, impregnated with matrix, in a flat or near-plane mold, the reinforcing fibers taking the form of the mold. The stack of successive layers of reinforcement fibers, hereinafter plies, comprises one or more so-called final zones corresponding to a portion of the balance, the link arms of the balance being composed of fibers oriented radially and the central annular portion being composed of fibers whose orientation is varied.
[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. Preferably, the blank is made from a carbon fiber and an epoxy resin, the carbon fiber being embedded in the epoxy resin.
[0020] Des éléments additionnels peuvent être intégrés dans l’ébauche avant de subir la compression mécanique. Additional elements can be integrated in the blank before undergoing mechanical compression.
[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. According to a completely different aspect of the invention, a method of manufacturing by molding a top and / or bottom member of a vortex cage made from a blank, wherein said upper member and / or The bottom of a vortex cage has at least two arms. Each arm has two ends, said arms being distributed around an end by which said arms are connected, the reinforcing fibers being oriented, longitudinally, in a number of orientations at least equal to the number of arms.
[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. According to this other aspect of the invention, the blank is made from a carbon fiber and an epoxy resin, the carbon fiber being embedded in the epoxy resin.
[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.The characteristics of the invention will appear more clearly on reading the description of several embodiments given solely by way of example, in no way limiting with reference to the schematic figures, in which: <tb> Fig. 1 <SEP> represents a perspective view of a stack of plies of composite materials constituting a type of blank; <tb> Fig. 2 <SEP> represents an exploded perspective view of a stack of plies of composite materials, folds having unidirectional fibers in precise and varied orientations; <tb> Fig. 3 <SEP> represents an exploded perspective view of a stack of plies of composite materials, plies having different thicknesses, unidirectional fibers and woven fibers; <tb> Fig. 4 <SEP> is an exploded perspective view of a stack of plies of composite materials and two metal sheets disposed at each end to sandwich pleats having unidirectional fibers and woven fibers; <tb> Fig. 5 <SEP> represents a partial schematic view of the production of a balance from a stack of plies of composite materials comprising fibers in four orientations, the folds being then compressed to form a blank from which the pendulum is extracted ; <tb> Fig. 6 <SEP> is a partial schematic view of the realization of a vortex cage element from a stack of plies of composite materials comprising fibers in three orientations, the plies then being compressed to form a blank from where is extracted the element of tourbillon cage; and <tb> Fig. 7 <SEP> represents a blank from which three indicator hands are extracted.
[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. The following description relates to horological applications and more particularly to a manufacturing process by molding a balance 4B, a tourbillon cage element 4E and 4A needles from a blank 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. The machining of watch components (for example 4B, Fig. 5, 4E, Fig. 6, 4A, Fig. 7) is done via the use of blanks 1. These blanks 1 have a standard external shape for which the manufacturers of components equip their machining centers with adapted positions, allowing easy positioning and location, as well as sometimes, an appropriate gripping mode for palletizing for serial work. The components 4 can then be machined and taken from this blank 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. The production of a blank 1 whose constitution is precisely known (nature of the fiber / matrix pair, but also the position and orientation of the fibers) makes it possible to predict the final mechanical behavior according to the selected blank 1 and whose external dimensions are known to allow the machinist in micromechanics to work in a conventional manner according to the rules of the art of his field.
[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. It is here admitted that the fibers are grouped in the form of folds 2 that is to say having two dimensions and a half (a plane and a thickness) and that these fibers are pre-impregnated with a binder matrix. We will now speak of folds 2. As illustrated in FIG. 1, the blank 1 consists of a stack of plies 2 of composite materials.
[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). The blank 1 therefore advantageously combines a strict compliance with the orientations and positions of the fibers, decided according to the type of component 4B, 4E, 4A to be produced from the blank 1, and a precision component 4B, 4E, 4A then taken from the blank 1 known according to the capability of the machine used. In the example illustrated in FIG. 2, the blank 1 is made from a stack of plies 2 of composite materials, the plies 2 having unidirectional fibers in various orientations, for example according to the arrangement illustrated in 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. In another example illustrated in FIG. 3, the blank 1 is made from a stack of plies 2 of composite materials, the plies 2 having different thicknesses, unidirectional fibers 2U and 2T woven fibers, or in this example three plies 2U arranged between two plies 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. In another example illustrated in FIG. 4, the blank 1 is made from a stack of plies 2 of composite materials and two metal sheets 3 arranged at each end to sandwich pleats 2 having unidirectional fibers 2U and the center of the woven fibers 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. This blank 1, for example of FIG. 3 or FIG. 4, once consolidated, can be machined on a machining center with known accuracy capabilities to achieve a micromechanical component with the desired benefits of composite materials constituting it and with great repeatability from one manufacture to another.
[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. The blank 1 will advantageously have a high accuracy of thickness and flatness, compatible with the tolerances required according to these criteria on the component 4B, 4E, 4A finished. In fact, the machining will generally take place in two operations, the work being carried out on the face from above, then from below. The intervention on the underside will require a flipping of the component 4B, 4E, 4A, following which the precise knowledge of thickness and flatness of the blank 1 allow a respect of the same tolerances on the component 4B, 4E, 4A. This respect of tolerance of thickness and flatness will be guaranteed by the phase of implementation and consolidation of the blank 1 (stacking of a known number of folds 2 of a known thickness of folds) and the pressure conditions. / temperature to ensure a final thickness of the blank 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. Depending on the case of desired final thickness, it may be that the pitch of the folds 2 does not allow an exact compliance with this thickness (the final thickness corresponds to an integer number of folds that can, for their part, be different thicknesses). In such a case, it is advisable to produce a blank 1 of approximate thickness of the final thickness, in slight excess, to an integer close to fold 2. Then, a thickness setting operation must be performed to guarantee the tolerance of thickness and flatness. This operation can be carried out on a platen machine (single-sided or double-sided), for example by grinding or milling.
[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. The first step in the development of the present invention is to define its constitution, in terms of choice of the nature, type, number and orientation of each ply 2 of pre-impregnated. This choice will be different according to the purpose of the component 4B, 4E, 4A which will be machined in the present invention, whether the purpose is mechanical, aesthetic or otherwise.
[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. In general, a rocker with variable moment of inertia comprises a wheel-shaped part comprising a serge, connection elements between the serge and the axis of the balance and a certain arrangement of screws nuts or flyweights fixed on the balancing serge that allow by adjusting their positions to change the imbalance and the moment of inertia of the pendulum.
[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. The accuracy of a watch equipped with a sprung balance depends essentially on the frequency stability of its sprung balance. Different parameters affect the frequency stability of a sprung balance whose amplitude variations of the pendulum oscillations. These amplitude variations are notably related to the positions of the watch, to the loss of the moment of force, to the friction, in particular with the pivots of the balance shaft and the unbalance of the latter. This has the effect of causing a lack of isochronism of the sprung balance, this isochronism defect having an impact on the precision of the timepiece.
[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. Moreover, among the other important criteria for a pendulum we can mention in particular the mass, the resistance, the coefficient of friction, the coefficient of thermal expansion, the non-magnetism, the hardness, ... It is extremely rare and unlikely that a single material alone can meet all the expected characteristics. The present invention aims to select and combine different materials that best meet each function of the balance.
[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. In a clockwork, the axis of rotation must have specific features to reduce friction, it will usually be made of brass. The weights must have a high density, that is to say a concentrated mass for a small volume, more precisely a minimized outer surface to limit the friction of the air to which the pendulum will be subjected during oscillations. These masses can be made for example platinum. Thus, the characteristics of the axis and flyweights being defined, it is expected that the part mechanically connecting them to be the most transparent in terms of mass, deformation, elongation. The use of a composite material based on carbon fibers and epoxy resin has these advantages, with a very high strength / mass ratio.
[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. This very high ratio is made possible by the intrinsic characteristics of the composite material, but also its non-isotropic use, that is to say with a fiber orientation in a specific direction, depending on the forces exerted by the weights on the hub, namely their mass and the centrifugal force in motion. This precise determination of the forces makes it possible to choose a fiber with a high Young's modulus, between 100 and 900 GPa, a binding matrix making it possible to transit the forces in the fiber, and a precise orientation of the fibers, this resulting in a mechanical joining. between weights and hub for a minimized mass. This mass gain makes it possible, with a given inertia, to produce a complete balance wheel of reduced mass, or of equal mass, to be able to increase its inertia by allocating the mass gained to the flyweights.
[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. This orientation will be predominantly radial, in order to limit the boom to stop due to the mass of the weights and exerting a bending of the arms, and limit elongation during oscillations, due to the centrifugal force traction exerted by the weights. This radial distribution is made possible by the use of unidirectional sheets or son.
[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. The conventional assembly of hunting to assemble materials of different nature will be made possible by the local orientation of the particular fibers. Indeed, we have seen that the mechanical considerations led to a preferred fiber orientation along radial axes. These orientations of fibers on such small thicknesses do not allow the driving, the driven axis exerting a uniformly distributed pressure in all directions of the plane, which leads to delamination, separation of the fibers. By arranging fibers in different directions in the area near the hunting, the fibers will be allowed to counter this pressure exerted by the driven axis. This method of assembly can be used to fix the weights on the joining part made of composite materials.
[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. The high ratio of resistance / mass associated with a judicious orientation of the fibers makes it possible to limit the overall mass of the pendulum. Thus, according to another approach, inertia and balance mass defined with a "standard" balance, it is possible to achieve a balance using these composite materials, with equal performance, but with a larger size. Thus, if the available volume authorizes it, the present invention makes it possible to design a visually larger balance and to provide a sensible differentiation.
[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. In the case of use of a beam, a major feature is its dimensional stability in time and depending on external conditions, particularly the impact of temperature, to ensure a constant isochronism. The present invention makes it possible to ensure a very high dimensional stability thanks to a lower coefficient of thermal expansion than the conventionally used materials. For this, it will be appropriate to choose a particular carbon fiber, having this specificity of thermal expansion almost zero, while retaining its mechanical characteristics, specifically in terms of Young's modulus, particularly important in this case of use. Moreover, the arrangement of the fibers will be extremely important for the respect of the criterion of thermal elongation. Indeed, if the appropriately selected fiber can have a coefficient of thermal expansion almost zero, this is not the case of the binder matrix of the family of polymers. Thus, the consolidated composite material will have an almost zero elongation in the longitudinal direction of the fibers, while it will be non-negligible in the transverse direction. Therefore, the radial orientation favored by the mechanical aspects is also suitable for thermal aspects. Virtually zero elongation ensures constant inertia as a function of temperature. Elongation, which we can not avoid, in the transverse direction of the fibers, will have no impact on the inertia of the balance.
[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. The accuracy of the calibres depends on the quality of their regulating organ, and obtaining very high oscillation frequencies, for example 10 Hz, to be compared to the usual frequencies of 2.5 to 4 Hz, can not be used. obtained only with the design of suitable regulating members, in particular with regard to the pendulum.
[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. In the case of using a pendulum subjected to high frequency oscillations, for example 10 Hz, the aerodynamic aspects have a significant impact on the performance, which can be seen in particular through the value of the factor. quality. The fundamental parameter qualifying any resonator is its Q quality factor. It is a dimensionless number that can be interpreted in two different but closely related ways. We can first consider Q as the ratio between the internal energy W of the resonator and the energy dissipation AW due to Joule losses during an oscillation cycle. A high quality factor resonator will thus require less energy for its maintenance than an identical resonator but with a low quality factor. Another interpretation of the quality factor, a little more abstract but important to understand, says that the stability of a resonator is proportional to its quality factor. The stability of a time base is therefore directly related to the quality factor of its resonator: the higher it is, the more the resonator is insensitive to its maintenance mechanism. In order to maximize the latter, it is necessary to reduce the friction on the moving parts. An aerodynamic study of the pendulum in motion shows that it is necessary to limit the wet surface and to minimize the coefficient of drag. One solution is to minimize the front surface and give the arms a shape with leading and trailing edges with a suitable profile. At the scale considered, it is not obvious to produce such shapes by conventional machining methods. The present invention proposes to use advantageously the molding capacity of the fibers by producing this profile in a molding tool which will in turn move the fibers during their implementation and ensure compliance with this aerodynamic profile, guaranteeing a better aerodynamic efficiency than a rectangular section.
[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. The composite material selected for the present invention also has advantageous non-magnetic characteristics in the case of use of a balance, thus limiting its influence to external magnetic disturbances and ensuring consistency of the isochronism. The composite material selected for the present invention also has a high corrosion resistance.
[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. In the example illustrated in FIG. 5, a beam 4B is made from a blank 1 consisting of a stack of seven plies 2 of composite materials comprising fibers in four orientations. The folds 2 are compressed to form a blank 1 from which the balance 4B is extracted after a machining operation.
[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. In this example, the balance 4B taken includes a serge 5, discontinuous, wherein four connecting arms 6 spaced from each other are connected to said serge 5 by one end of said arms 6. The connecting arms 6 are connected between them by their other end by an annular element 7 in the center of said serge 5. The four connecting arms 6 and the serge 5 are made of a composite material based on carbon fibers and epoxy resin having a very high resistance / mass ratio. The fibers are oriented radially with respect to an axis of rotation around the annular element 7 and whose orientation of the fibers in the annular element is achieved by arranging the reinforcing fibers in different directions. The stack of folds 2 is made with unidirectional fibers according to the illustrated arrangement comprising four different orientations, a first orientation at 0 °, a second orientation at 90 °, a third and a fourth orientation determined by the arrangement of the connecting arms 6, the value 0 ° corresponding to fibers oriented along the bisector of an angle between two successive arms 6 connected by a serge portion 5. In this example illustrated the angle & is the bisector of the angle between the two arms 6 successive. In other words, the angle between said successive arms 6 connected by a serge portion 5 is 2 ° B. In this example the angle Q> can take a value between 10 ° and 90 ° for example.
[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. Optionally, the balance 4B may comprise additional elements, for example flyweights, which are directly integrated during the production phase of the blank 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. Thus, in the case of the embodiment of a balance 4B, the blank 1 is made of an anisotropic composite material composed of carbon fibers and epoxy resin having a very high strength to mass ratio. The method comprises a first operation consisting in stacking, in a mold, successive layers of carbon fibers, impregnated with epoxy resin, hereinafter plies 2, each ply 2 consisting of a unidirectional layer in which the carbon fibers are arranged. parallel to each other, each ply 2 having a given thickness ranging from 0.010mm to 0.6mm, the stack of plies 2 forming a blank 1, the external dimensions of which are up to 60mm in length and up to 60mm in width .
[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. The blank 1 comprises a so-called final zone 11 corresponding to the shape of the balance 4B and a so-called sacrificial zone 10 intended for machining operations.
[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. Then, the application of a mechanical compression on the stack of folds 2 forming the blank 1 ensures the compression of materials, said mechanical compression being associated with a temperature cycle.
[0053] Enfin, une opération d’usinage de la zone sacrificielle 10 de l’ébauche 1 permet d’extraire le balancier 4B. Finally, a machining operation of the sacrificial zone 10 of the blank 1 can extract the balance 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. The balance 4B with variable moment of inertia comprises a serge 5, discontinuous, in which four spaced apart connecting arms 6 are connected to said serge 6 by one end of said arms 6, said connecting arms 6 are connected by one of their end to a central ring 7 and at their other end, two by two, to a serge portion 5. The link arms 6 and the serge 5 are made from a composite material using a carbon fiber, the module high Young, between 100 and 900 GPa, whose fibers are oriented radially relative to an axis of rotation around the annular element 7 and whose orientation of the fibers in the annular element 7 is made by arranging the fibers reinforcement in different 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. According to another aspect of the invention, the method is implemented to manufacture another watchmaking component 4, such as an upper or lower element of tourbillon cage 4E for clockwork, illustrated in FIG. 6, made of composite materials.
[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. The vortex, if it improves the performance of a mechanical movement in terms of isochronism, nevertheless has an impact on the operation of said movement by its energy consumption, direct impact on the power reserve and potentially on isochronism according to its mass.
[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. As any moving element of a mechanical movement, the tourbillon cage has any interest in having a minimized total mass. The use of a low density material is therefore preferred. Nevertheless, because of their geometric shape, the upper and lower cages generally have slender arms. This slenderness, which imposes a weak section, therefore requires a high resistance. It is a material with a high ratio of rigidity / mass that will be suitable. A composite material in the reinforcing fiber sense, such as a carbon fiber and a binder matrix such as an epoxy resin, has intrinsic mechanical properties superior to the materials conventionally used for producing tourbillon cages, particularly in terms of specific Young's modulus. that is, the module brought back to the ground.
[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. In a fibrous material, which is not isotropic in nature, the value of the modulus varies very substantially depending on the orientation of the fibers. It is therefore necessary, to ensure the desired rigidity, to precisely orient the fibers in certain strategic places of the tourbillon cage.
[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. For the realization of the arms, a study of resistance of non-isotropic materials will highlight the need to have a maximum of fibers in the longitudinal direction of the arms.
[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. In the case of use of a tourbillon cage, a major feature of the latter is its dimensional stability over time and depending on external conditions, particularly the impact of temperature, to ensure isochronism constant. The present invention makes it possible to ensure a very high dimensional stability thanks to a lower coefficient of thermal expansion than the conventionally used materials. For this, it will be necessary to choose a particular carbon fiber, having a thermal expansion specificity of almost zero, while retaining its mechanical characteristics, specifically in terms of Young's modulus, particularly important in this case of use. Moreover, the arrangement of the fibers will be extremely important for meeting this criterion of thermal elongation. Indeed, if the appropriately selected fiber can have a coefficient of thermal expansion almost zero, this is not the case of the binder matrix of the family of polymers. Thus, the consolidated composite material will have an almost zero elongation in the longitudinal direction of the fibers, while it will be non-negligible in the transverse direction. Therefore, the radial orientation favored by the mechanical aspects is also suitable for thermal aspects. Virtually zero elongation ensures constant inertia as a function of temperature. Elongation, which can not be avoided, in the transverse direction of the fibers, will have no impact on the inertia of the 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. The composite material selected for the present invention also has advantageous non-magnetic characteristics in the case of use of a tourbillon cage, thus limiting its influence to external magnetic disturbances and ensuring consistency of the isochronism.
[0062] Le matériau composite sélectionné pour la présente invention possède aussi une haute résistance à la corrosion. The composite material selected for the present invention also has a high corrosion resistance.
[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. The realization of such a component will be made possible by the preliminary development of a blank 1, the constituent folds will be epoxy carbon prepreg, and whose grammages and orientations will depend on the geometry of the cage bridges. In the widespread case of a vortex cage element 4E with three arms 8, it will be necessary to arrange the fibers in each direction of the arms 8, so that the element of the cage 4E has a homogeneous mechanical behavior.
[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. As illustrated in FIG. 6, the upper and / or lower element of a tourbillon cage 4E for a timepiece is obtained from a blank 1. The element 4E comprises three arms 8 distributed around an end 9 through which the arm 8 are connected, the arms 8 being made of a composite material using a reinforcing fiber, the fibers of which are oriented longitudinally in three orientations. The stack of folds 2 is made with unidirectional fibers having an orientation of 60 ° relative to each other. The stack of folds 2 is made with unidirectional fibers according to the following arrangement: (0 / 607-60 / 0/60 / -60 / 0/60 / -60). In theory, a mirror symmetry should be respected in the stack, but in the present case, an identical distribution of the orientations in each arm 8 is favored in order to have a homogeneous mechanical behavior from one arm 8 to the other.
[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. In another example, illustrated in FIG. 7, needles 4A of a watch are made from a blank 1, consisting of a stack of folds 2 whose reinforcing fibers are oriented, longitudinally, in at least two orientations. In this example, there are three folds 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 In the field of watchmaking, taking into account the mechanical and / or aesthetic constraints, other watch components can be manufactured according to the method described, such as a stamp / hammer, a cog, a whirlwind, a spring / jumper, a mass support, a watch case without ice, a watch bezel and many other components
[0067] Par ailleurs, la coloration du matériau n’est pas décrite, mais elle est envisageable dans une étape additionnelle du procédé. Furthermore, the coloring of the material is not described, but it is possible in an additional step of the process.
[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. The present invention aims to ensure, in each location of a micromechanical component produced, an optimum arrangement of the constituent fibers, according to the considerations required by the need, whether mechanical or aesthetic, for example.
[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. The examples described above highlight the advantages of the method and its application for watch components. However, the present invention also allows the manufacture of a micromechanical component for other fields such as medical, automotive, mobile telephony, aviation, space, robotics, jewelery or leather goods.
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- 2015-03-26 CH CH00440/15A patent/CH710914A1/en not_active Application Discontinuation
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2016
- 2016-03-29 WO PCT/IB2016/000391 patent/WO2016151394A2/en active Application Filing
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2016151394A2 (en) | 2016-09-29 |
WO2016151394A3 (en) | 2016-11-17 |
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AZW | Rejection (application) |