Optimisation de l’habillage horloger avec des outils de simulation numérique

La maison suisse de haute horlogerie Czapek & Cie, fondée en 1845 par François (Franciszek) Czapek, un horloger polonais d'origine tchèque arrivé à Genève en 1832, et relancée en 2015, incarne l’excellence artisanale et l’innovation.

Czapek se positionne comme une marque de « connaisseurs » et occupe le segment de la Haute Horlogerie Indépendante. Elle s’impose comme une alternative aux marques de la « Sainte Trinité » (Patek Philippe, Vacheron Constantin, Audemars Piguet) et se positionne au niveau des indépendants haut de gamme tels que H. Moser & Cie ou Parmigiani Fleurier.

Les modèles se distinguent par un mélange d'esthétique du XIXe siècle (chiffres romains, aiguilles Fleurs de Lys) et de modernisme radical (architecture du calibre SXH5 avec ses ponts de rouage squelettés).

Habillage, simulation horlogère et sélection de matériaux pour fêter les 10 ans de renouveau

Pour célébrer ses dix ans de renaissance, la marque a imaginé une collection anniversaire exclusive basée sur le Calibre 10.01, nommée « Time Jumper ».  Ce projet, alliant tradition et technologie, a nécessité une optimisation technique complexe réalisée en partenariat avec CADFEM grâce aux outils de simulation Ansys et à la sélection de matériaux via Granta Selector. Le but était d’améliorer le mécanisme d’ouverture d’un capot de montre rapidement car le produit devait être présenté au public dans un temps très court.

La collection « Time Jumper » pour le 10e anniversaire. | © Czapek & Cie SA

Comment CADFEM a facilité la réalisation de ce projet d’habillage

Pour relever ces défis, CADFEM a mis en œuvre une approche basée sur la simulation numérique avec trois outils phares.

• Préparation et adaptation de la géométrie rapide avec Ansys Discovery
• Analyses par éléments finis non-linéaires avec Ansys Mechanical

• Sélection du matériau adéquat avec Ansys Granta Selector, pour une résistance optimale et une durabilité accrue.

En s’appuyant d’une part sur des itérations entre les outils et d’autre part en combinant l’intuition et le savoir-faire de l’ingénieur ont permis d’optimiser la forme du ressort et de valider son comportement mécanique dans des conditions simulées proches de la réalité.

En effet, la solution initiale présentait des problèmes importants avec des contacts indésirables, une force d’ouverture limitée et une usure prématurée. Un nouveau concept avec un ressort unique à la place de deux ressorts séparés a alors été proposé. Le défi principal était de concevoir un ressort capable d’assurer une force suffisante tout en maintenant un design compact, respectant à la fois les contraintes liées à la production et à l’utilisation.

Répartition des contraintes équivalentes de von Mises dans le ressort à mi-course d'ouverture/de fermeture. | © Czapek & Cie SA

Il fallait donc simultanément augmenter le niveau de force et éviter tous les contacts non-désirés tout en respectant le volume de travail et les points d’attaches prédéfinis. La simulation numérique s’est avérée idéale pour répondre à un tel défi, en offrant la possibilité de tester rapidement plusieurs solutions et tout en limitant les coûts de développement pour un modèle sur une série limitée.

Grâce au logiciel Granta Selector, le choix d’un acier à la fois résistant au brouillard salin et à limite élastique élevée a été la clé pour trouver une solution pour ce problème. Le volume de travail limité, les attaches prédéfinies et les positions du point d’appui en configurations ouvertes et fermées, ont laissé peu de marge de manœuvre pour trouver une solution qui respecte la résistance de la matière.

De nombreuses itérations ont permis d’optimiser à la fois le profil du ressort, le positionnement du point de contact et la géométrie du contact avec le capot. Ainsi, un ressort garantissant une force d’ouverture suffisante dans toutes les positions, tout en exposant une distribution de contraintes homogène, a été conçu – la clé pour respecter la limite élastique du matériau.

Plot d’Ashby montrant les propriétés mécaniques des matériaux préfiltrés par des contraintes de production et de durabilité. | © Czapek & Cie SA

D’après les premiers tests physiques, avec des résultats très satisfaisants, l’introduction d’un capot alternatif avec augmentation du poids de près de 90% a été envisagée. Après une redéfinition des contraintes de production, un déplacement des points d’attache a pu être examiné pour augmenter le volume de travail à disposition. La perte de rigidité due à la longueur plus élevée a pu être compensée par l’adaptation de la section tout en limitant les déformations et contraintes locales.

Finalement, après de nombreuses itérations avec le logiciel de simulation, une solution de ressort a été proposée. Ce ressort ainsi conçu est maintenant capable de générer la force nécessaire, plus élevée, tout en respectant les autres contraintes.

Des résultats de simulation obtenus rapidement pour une prise de décision sur des données fiables

Les résultats obtenus sont significatifs :

• Force d’ouverture optimisée, dépassant de 30 % la force due à la gravité toute en maintenant un niveau de contraintes admissible.
• Contacts non-souhaités évités et ainsi usure préliminaire éliminée.

Le recours à la simulation numérique a permis d’accroitre la fiabilité, de réduire les risques d’usure, de maintenir un design esthétique et fonctionnel, et de prendre des décisions basées sur des données fiables.

Pour les ingénieurs de Czapek & Cie, tous ces échanges se traduisent par un nombre de prototypes physiques considérablement réduit, générant des gains de temps substantiels tout en offrant une solution fonctionnelle, permettant de s’assurer de présenter le produit attendu au moment prévu.

Concrètement, le bénéfice apporté par ces analyses a pu être évalué par les opérateurs de Czapek à une économie comprise entre deux et cinq prototypes de ressort. Grâce à la simulation, un ressort exempt de frottements et/ou d’accroches indésirables a pu être développé rapidement. A la fin, c’est tout ce processus de développement qui améliore très significativement l’expérience du porteur de la « Time Jumper » et accroit les chances de succès du modèle.

La simulation est la solution d’avenir pour Czapek

Ce projet illustre parfaitement comment la simulation numérique et la sélection intelligente des matériaux peuvent soutenir l’innovation dans la haute horlogerie.

L’ouverture dynamique du capot de cette nouvelle montre Czapek, grâce au ressort conçu en collaboration avec CADFEM, fait honneur à son nom : « Time Jumper ». 

Fort de cette réussite, Czapek envisage de poursuivre sa collaboration avec CADFEM pour optimiser d’autres composants et intégrer davantage la simulation dans son processus de développement. Cette entreprise iconique souhaite continuer de marier tradition et technologie, au service de l’excellence horlogère dont elle est héritière.