Avec le pendulum, TAG Heuer élimine le spiral

V4, Mikrograph, Mikrotimer, Mikrogirder et aujourd’hui Mikropendulum, soit, respectivement, la première montre avec un entraînement du train de rouages par micro-courroies, le premier chronographe battant à 50 Hz (360’000 alternances/heure), le premier chronographe battant à 500 Hz (3,6 millions a/h), celui réglé sur 1’000 Hz (7,2 millions a/h) honoré par l’Aiguille d’Or du Grand Prix d’Horlogerie de Genève en 2012 et, finalement, le premier échappement magnétique au monde. TAG Heuer n’a jamais aussi bien porté son nom, TAG étant l’acronyme de « Technologie d’Avant-Garde ». Et cela grâce à Guy Sémon, vice-président et responsable Recherche et Développement de la marque. Depuis son arrivée, ce physicien, ex-militaire et professeur d’université, a instauré une approche scientifique fondamentale de la recherche horlogère avec comme résultat une succession d’innovations historiques. À l’occasion de Baselworld, il a décrypté les spécificités du pendulum, premier échappement magnétique pour montre mécanique.

Jeu d’aimants

La première version du pendulum avait été présentée sous forme de concept en 2010. Le principe veut que le mouvement de va-et-vient du balancier soit le fait d’aimants qui s’attirent et se repoussent et non plus des contractions d’un ressort-spiral qui se tend et se détend. La démonstration fonctionnait mais ne supportait pas, en particulier, les écarts de température. Guy Sémon et ses 52 collègues de la cellule R&D ont donc appris à dompter le magnétisme à très petite échelle pour qu’il serve avec une parfaite régularité de fréquences allant jusqu’à 50 Hz… pour le moment.

Comme un oscillateur traditionnel, le pendulum est formé d’un axe sur lequel est fixé le balancier. Cet axe est divisé en deux sur la longueur avec, sur une moitié, un aimant permanent positif et, sur l’autre, son opposé négatif. Cet axe est encerclé, à une distance infime, par une bague métallique fixée dans la platine, le stator. Magnétisée, elle est également divisée en deux parties, l’une positive, l’autre négative, avec une zone neutre entre chacune. En écartant l’axe de balancier de sa position d’équilibre apparaît une force répulsive qui crée un couple identique à celui d’un spiral mécanique.

Savant alliage

En pratique, il a fallu résoudre deux problèmes majeurs : les variations de température et la régularité du couple pour des mouvements de va-et-vient totalement réguliers. La question de la température a été résolue par la mise au point d’un alliage nouveau créé à partir de métaux issus de terres rares : le cobalt et le samarium d’un côté, le gadolinium de l’autre. En effet, les trois métaux ne jouent pas le même rôle. Le cobalt et le samarium sont des ferromagnétiques et donnent les aimants le plus puissants et stables possible. Pour cela, ils doivent être amenés à saturation par l’effet d’un champ magnétique supérieur à 1 Tesla, soit plus de 100’000 fois l’intensité du champ magnétique terrestre. Cette opération permet d’orienter dans une même direction tous les spins des atomes de ces métaux, le spin étant un des éléments fondamentaux de toute particule et celui sur lequel on agit quand il est question de magnétisme. Une fois ce niveau maximal atteint, ils forment des aimants permanents. Néanmoins, tout aimant a une faiblesse : il perd de sa force si la température s’élève. En effet, plus elle monte, plus les particules vibrent, lui faisant perdre de sa puissance, parfois jusqu’à disparition complète. La température à laquelle l’aimant perd toute sa force et devient diamagnétique s’appelle le « point de Curie ».

Pour neutraliser cet effet, les ingénieurs ont ajouté du gadolinium à l’alliage. Le gadolinium affiche un point de Curie à 20 °C, c’est-à-dire qu’il perd très facilement ses priorités magnétiques en milieu naturel. C’est justement ce qui fait sa qualité dans le pendulum. Associé au cobalt et samarium, il joue un rôle antagoniste, c’est-à-dire qu’il limite la puissance magnétique des deux premiers. Il crée donc un équilibre des forces artificiel et sur lequel la température ambiante n’a pas d’influence. Restait à trouver les proportions justes pour aboutir à la force magnétique voulue, soit 56 % de cobalt et samarium et 44 % de gadolinium, pour une stabilité totale comprise entre – 20 et 70 °C.

Contrôler la force

La question de la régularité de la force constituait un autre défi. En effet, le champ magnétique est inconstant et non linéaire, au contraire d’un spiral traditionnel, et pourtant la régularité est une condition sine qua non pour l’isochronisme. L’enjeu consistait donc à déterminer la morphologie exacte du stator afin qu’il génère un couple constant et linéaire lors de la rotation de l’axe de balancier.

L’équipe de Guy Sémon a ainsi recouru aux théorèmes physiques et mathématiques les plus poussés pour résoudre ces problèmes géométriques. En suivant une méthode d’optimisation topologique basée sur des algorithmes génétiques couplée avec des méthodes numériques par éléments finis, ils ont déterminé la forme optimale du stator. Une forme qui dépend directement de la fréquence voulue pour l’oscillateur. Actuellement, la fréquence la plus basse possible est de 12 Hz avec une amplitude constante de 70°, alors qu’elle se monte à 320° en moyenne sur un système traditionnel. Quant à la fréquence maximale, elle n’a pas encore été déterminée, mais le régulateur commercial 50 Hz qui mesure le 1/100 de seconde fonctionne parfaitement.

Industrialisation et commercialisation

Sans production industrielle, cette découverte serait restée à l’état d’invention. L’alliage magnétique a donc été commandé dans une firme spécialisée aux États-Unis. Livré en plaques, il est découpé par électroérosion avec un fil de 1/100 de millimètre dans la région de Besançon, en France. Guy Sémon note au passage que ce nouveau système tolère des variations dimensionnelles 10 fois plus grandes quant à l’épaisseur des aimants par rapport au spiral traditionnel, où une erreur de l’ordre de 0,1 micron entraîne des variations de marche de quelques centaines de secondes par jour.

L’avènement du pendulum marque la cinquième année d’une série d’innovations horlogères fondamentales chez TAG Heurer. Innovations que la Maison propose désormais dans une version commerciale à travers une nouvelle série de produits disponibles dès CHF 35’000.-. Montre-concept, la Carrera MikropendulumS présente l’heure et un chronographe selon un mode dual avec un train de rouage distinct pour chaque fonction. Chacun des échappements est un tourbillon pendulum avec une fréquence de 12 Hz pour le chronomètre et de 50 Hz pour le chronographe. Modèle destiné à la vente cette fois, la Carrera Mikropendulum intègre un chronomètre avec régulateur traditionnel à spiral de 4 Hz certifié COSC et un chronographe à échappement pendulum à 50 Hz.