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La simulation numérique pour l’horlogerie : entre tradition et innovation

L’excellence suisse en matière de mécanique horlogère et de mécanique d’art est maintenant inscrite sur la Liste représentative du patrimoine culturel immatériel de l’humanité.

L’industrie horlogère suisse est une industrie de pointe, ayant de nombreuses inventions et premières mondiales à son actif. Elle a été fondée à Genève au milieu du 16e siècle, et la ville a rapidement acquis une réputation d’excellence en matière d’horlogerie.

Elle continue de promouvoir les plus beaux savoir-faire horlogers au travers de salons de renommée mondiale tels que Watches and Wonders et EPHJ.

 

C’est tout naturellement que DAES s’inscrit dans cette tradition d’excellence et offre ses services d’ingénierie horlogère : de l’analyse mécanique linéaire des ressorts, à l’étude CFD des écoulements d’air au contact des éléments pendulaires, en passant par des études de chassage, de choc, d’analyse dynamique et vibratoire, nos ingénieurs experts en calcul numérique accompagnent la R&D des projets horlogers.

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L’horlogerie et ses complications

La montre au poignet rappelle à son porteur en permanence ce qu’il a de plus précieux : le temps ! Choisir à qui ou à quoi il va le consacrer avec une exigence de qualité, durabilité, précision et d’empreinte à laisser.

L’horlogerie suisse a conservé sa position de leader sur le marché mondial pendant des siècles. Elle est connue et reconnue pour son dynamisme et sa créativité, toujours capable de relever de nouveaux défis technologiques, économiques ou autres.

Parmi ses nombreuses inventions et premières mondiales, citons la première montre-bracelet étanche, la montre-bracelet la plus plate du monde, la montre-bracelet la plus petite du monde, et bien d’autres…

Les techniques de simulation permettent de virtualiser les complications, systèmes et autres éléments miniaturisés. Elles sont une aide précieuse pour la réussite de vos projets de R&D et de conception.

Quelques exemples des possibilités offertes par la simulation numérique

Le directeur technique de DAES est à l’origine du déploiement des capacités de calcul dans le domaine de l’horlogerie. Il a participé au premier grand projet de calcul et a formé de nombreux ingénieurs dans le domaine. Aujourd’hui nous accompagnons toujours les horlogers sur les thématiques de pointe du calcul tout en faisant remonter la simulation numérique dans des phases plus en amont du process de conception. Grâce à la simulation, des projets toujours plus audacieux peuvent être envisagés sans compromis sur le résultat final.  Le processus d’ingénierie de ces objets complexes en devient ainsi de plus en plus efficace, notamment d’un point de vue qualité et de fiabilité, évitant ainsi des erreurs de dimensionnement qui ne seront détectées que tardivement lors des phases de test, voire plus tard encore quand la montre est au bras du client.

Dimensionnement de vos ressorts avec ANSYS mechanical
Un calcul aux  éléments finis en mécanique
permet de calculer les efforts ou les déformées des ressorts. Ce type d’étude permet de vérifier l’encombrement ou les conditions fonctionnelles du ressort. La facilité de modélisation en 3D ou 2D permet d’implémenter facilement des modifications géométriques pour atteindre par exemple une valeur cible d’effort. Il est possible d’extraire beaucoup de données de ces simples calculs comme, dans le cas d’un ressort spirale, le déplacement du centre de gravité du ressort pendant la rotation qui peut être tracé et utilisé dans d’autres calculs.
Simulation du chassage
Le chassage est une technique de montage où les 2 éléments sont montés en force. Dans l’horlogerie, plusieurs éléments sont assemblés ainsi : les aiguilles, des rouages et autres pièces présentant un arbre de rotation, des joints ou encore les glaces ou fonds de montre. Pour l’estimation de l’effort de montage et la vérification de la tenue mécanique il est possible de faire un  calcul mécanique. Il est nécessaire de prendre en compte le comportement du matériau et le domaine dans lequel les efforts s’exercent : déformation purement élastique et/ou plastique, matériau hyperélastique… Que ce soit sur, par exemple, les aiguilles ou les joints, le chassage peut être simulé, permettant ainsi de vérifier les efforts nécessaires au montage et l’intégrité structurelle tant du composant chassé que des pièces environnantes. D’autres critères peuvent intervenir, par exemple pour vérifier l’étanchéité de la montre dans le cas de chassage de joint.
Etude de l’impact d’une chute

Comme pour le crash test d’une voiture, les outils de simulation numérique comme LS-DYNA ou ABAQUS permettent d’estimer les conséquences d’une chute d’une montre de différentes hauteurs. La chute peut être étudiée pour différents composants, comme la glace, la carrure ou le mécanisme interne. Il est aussi aisé d’adapter les matériaux pour voir facilement comment une rupture peut être résolue par le choix d’un matériau plus résistant ou plus ductile.

Ce type de calcul, l’analyse dynamique, peut aussi bien représenter une montre qui tombe (auquel cas, différents angles peuvent être considérés) qu’un essai mouton-pendule suivant les normes NIHS. Dans tous les cas, les contraintes dans les différents composants peuvent être vérifiées, assurant ainsi l’intégrité de la montre en cas de chute.

Essai de type traction et torsion d’une montre et de son bracelet

Un essai typique en horlogerie consiste à vérifier la tenue en traction et en torsion du bracelet et de la montre, notamment sa carrure et sa liaison au bracelet. On peut alors utiliser des techniques de modélisation similaires à celles mises en place pour les études de chute mentionnées ci-dessus : analyse dynamique avec LS-DYNA.

La complexité de ces études réside dans le nombre important de degré de liberté de l’assemblage. En effet chaque maillon du bracelet est pris en compte et ajoute des degrés de liberté (DoF) que le logiciel doit traiter. De plus les goupilles, les pivots et chaque contact sont pris en compte et modélisés, ce qui engendre des calculs non-linéaires longs. Ce type de calcul nécessite beaucoup de savoir-faire pour obtenir des résultats conformes avec la réalité physique, tout en permettant la convergence numérique des modèles dans un temps raisonnable.

Calcul de complication horlogère

Dans le cœur de l’ingénierie horlogère se trouvent les complications. L’objectif est de créer un mécanisme purement mécanique utilisant toujours l’énergie du ressort de barillet, moteur de la montre, qui peut être rechargée par l’énergie potentielle de pesanteur dans le cas d’un remontage automatique. A partir de cette énergie stockée, il faut assurer l’isochronie du mécanisme et animer un cadran pour les jours de la semaine, les mois de l’année ou encore le jour et la nuit suivant les complications dans le système.

La dissipation de cette énergie stockée doit donc être optimisée. Grâce à l’expertise de nos ingénieurs et des outils à la pointe (tels que LS-DYNA, ANSYS…), il est possible de modéliser ces mécanismes et prédire leur fonctionnement. On est là dans le laboratoire virtuel de votre entreprise étendue ! L’évaluation des efforts d’actionnement à l’aide de calculs de corps rigides ou flexibles, la dynamique complète de mécanismes complexes peut être évaluée, prenant en compte les jeux et autres imperfections géométriques. Les efforts d’actionnement à l’aide de calculs de corps rigides ou flexibles et la dynamique complète de mécanismes complexes peuvent ainsi être évalués.

Nos simulations numériques ne vous donnent pas qu’un résultat, elles vous donnent une vision interne de ce que vos pièces subissent lors des différents modes de fonctionnement auxquels elles sont soumises.

Auparavant, on faisait un peu de calcul, beaucoup de tests et de prototypes… aujourd’hui nous pouvons faire de multiples prototypes virtuels et seulement un test.

 

De la CFD dans une montre purement mécanique

On dit que l’horlogerie, c’est de la formule 1 en tout petit ! Oui, les efforts résistifs causés par les frottements visqueux ont un impact sur le mouvement des pièces. Dès lors il devient important de les prendre en compte. Dans la conception de mouvement, diminuer les frottements est une recherche perpétuelle. L’air contenu dans les montres entraine un frottement visqueux qui augmente des efforts résistifs et influence donc l’isochronie du mécanisme. Les études CFD permettent d’estimer les efforts associés à ce type de frottement.

Matériaux et modélisations avancés

Une des clés du savoir-faire des ingénieurs de DAES réside dans l’utilisation des modélisations avancées de matériaux. En effet, le comportement d’un métal précieux comme l’or ou d’une céramique est complétement différent. Ces 2 exemples sont les plus simples à traiter, car bien souvent certains matériaux ont des comportements bien plus complexes, comme des joints hyper-élastiques. Leur intégration dans les simulations, le bon choix du modèle matériau et les critères de post-traitement associés sont dès lors cruciaux pour obtenir les résultats les plus pertinents.

Optique de la glace

La géométrie de la glace peut exercer une influence significative sur la vision du cadran et donc le confort de l’utilisateur. Par l’utilisation de calculs dédiés, l’image du cadran perçue par l’œil peut être vérifiée pour différentes géométries et positions de l’utilisateur.

Champ électromagnétique rémanent

Nous baignons désormais dans un champ électromagnétique créé par l’homme. Suivant les matériaux choisis pour les composants de la montre, un champ rémanent peut apparaître après disparition du champ environnant. Un champ magnétique provoque cependant des efforts sur les composants qui peuvent influencer la précision de la montre. Une analyse FE peut être mise en place pour estimer ce champ rémanent et les efforts qui en résultent.

L’horlogerie se doit d’être responsable (RSE)

L’horlogerie est un savant équilibre entre modernité et tradition. La typologie de clientèle évolue et depuis quelques années, il est indispensable de répondre sur l’origine des matières, l’utilisation de matériaux recyclables ou recyclés, cuirs végétaux…

La RSE s’exprime de plus en plus « autour du produit » sur le packaging, la gestion énergétique des manufactures, la façon de sourcer les métaux précieux, la compensation de l’empreinte carbone, la relation avec les fournisseurs… Pour la partie ingénierie, le recours aux simulations numériques contribue largement à cet engagement. 

Des applications en mouvement entre secteurs

Les applications horlogères se transfèrent tout naturellement vers l’ingénierie biomédicale pour aider l’industrie medtech dans le développement et la conception des dispositifs médicaux innovants pour une médecine curative, préventive ou prédictive.

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