Que se passe-t-il quand quelque chose devient de plus en plus petit ? C'est le type de question que le chercheur de l'Empa Johann Michler et son équipe étudient. En tant que sous-produit de leurs recherches, des ressorts de montre complètement nouveaux pourraient bientôt être utilisés dans les garde-temps suisses.

La recherche appliquée n'est pas toujours initiée par l'industrie, mais elle donne souvent des résultats qui peuvent être rapidement mis en œuvre par les entreprises. Le campus de l'Empa à Thoune en est un bel exemple :de minuscules ressorts de montres sont exposés au Laboratoire de mécanique des matériaux et nanostructures. Ces ressorts – le cœur battant de toute horloge mécanique – ne sont pas vos composants habituels. Ils ne sont pas constitués des fameux fils Nivarox, mais plutôt déposé électriquement - ou, plutôt, électrochimiquement - sous la forme souhaitée à partir d'un froid, solution saline aqueuse.

A présent, la production dans le laboratoire de l'Empa a dépassé les premiers tests pilotes. Régulièrement, les ressorts électrolytiques sont livrés au département R&D d'un grand horloger suisse, où ils sont montés dans des prototypes de mécanismes horlogers. Les montres tournent. Cependant, il reste encore du travail à faire sur leur précision et leur stabilité à long terme.

Il y a seulement quelques années, L'Empa a dû s'appuyer sur des partenaires pour prendre en charge certaines étapes du processus. Pendant ce temps, le savoir-faire pour l'ensemble du processus de production est mis en commun dans le laboratoire de Michler. Laetitia Philippe, qui supervise la production des sources, explique les étapes de fabrication. Le matériau de base est une plaquette de silicium comme celles utilisées pour produire des puces informatiques et des cellules solaires. Cette plaquette est initialement revêtue d'une couche d'or conductrice et, plus tard, une fine couche de peinture photosensible. La forme du ressort est ensuite projetée dessus et les parties illuminées de la peinture sont gravées. Maintenant, l'alliage métallique souhaité peut être électrodéposé sur la base conductrice en or.

Comme Philippe le sait trop bien, cette étape cruciale du processus est délicate. "Nous avons besoin d'un bon tourbillon dans le bain galvanique, la bonne température, quelques additifs organiques et un courant juste à la bonne force et – si c'est du courant alternatif – sous la bonne forme. le but est de dissoudre les ressorts hors du moule galvanique. Initialement, les chercheurs utilisent un microscope optique pour vérifier si les moules à ressort sont correctement remplis de métal. Ensuite, la face supérieure du moule est finement polie pour garantir que tous les ressorts ont une épaisseur définie ; le résultat est vérifié par analyse par fluorescence X. Finalement, la peinture est enlevée avec un plasma d'oxygène, la plaquette de silicium a été gravée à l'aide d'une solution alcaline forte et le revêtement d'or s'est dissous. Les ressorts restants doivent ensuite passer quelques heures dans une machine à laver spéciale pour éliminer les arêtes et les restes métalliques saillants. Ces ressorts impeccables entrent ensuite dans le laboratoire horloger pour la production de prototypes.

Un sous-produit de la recherche

Pour les chercheurs de l'Empa, cependant, ce type de production de prototypes n'est qu'un aspect de leur travail scientifique. "Notre objectif n'est certainement pas de concurrencer les fournisseurs de l'industrie horlogère, " dit Michler. " A l'Empa, nous nous intéressons principalement au processus de miniaturisation lui-même. » L'équipe de Michler étudie les propriétés mécaniques des minuscules pièces avec de minuscules tampons et aiguilles. Après tout, les propriétés des matériaux changent si nous construisons des pièces minuscules :les métaux ductiles deviennent plus durs; céramiques fragiles, d'autre part, deviennent ductiles avec de très petites tailles de composants.

"Le préalable à tout examen, cependant, est que nous sommes capables de produire les objets qui nous intéressent sur la base de critères définis, " explique le chercheur de l'Empa. Ainsi, L'équipe de Michler s'efforce non seulement de maîtriser une seule étape du processus, mais aussi garder une emprise sur la qualité de l'ensemble de la chaîne de processus. « Certaines étapes du processus sont étroitement liées, " dit Michler. " Si nous modifions un paramètre, tels que la géométrie des moules de galvanoplastie ou la composition de l'alliage, nous devons généralement ajuster les étapes précédentes et suivantes, trop. Nous voulons comprendre ces connexions et les effets de la miniaturisation dans tous les aspects. »

Fabrication additive en 3D

Outre les structures bidimensionnelles, les chercheurs de Thoune ont déjà progressé dans la production de structures 3D – également à l'aide de la galvanoplastie. Les moules nécessaires ne sont pas réalisés en éclairant des couches de peinture sur des plaquettes de silicium, mais plutôt via ce qu'on appelle la polymérisation à deux photons. Il s'agit d'émettre un faisceau laser dans un récipient contenant un précurseur plastique liquide spécial. Au foyer du faisceau, le liquide polymérise et se solidifie. L'équipe de l'Empa a réussi à réaliser des structures délicates et à les galvaniser avec un revêtement nickel-bore. Dans les tests de force, ces structures métallisées présentaient beaucoup plus de stabilité que l'échafaudage polymère brut. Pendant ce temps, les chercheurs sont également parvenus à produire des ponts et des colonnes en nickel massif de quelques micromètres seulement. Les stress tests révèlent le comportement des alliages de nickel dans ces dimensions. « Nous sommes déjà capables de réaliser de telles structures avec une belle régularité et de manière réplicable, " déclare Laetitia Philippe. " Nous avons fait un grand pas en avant sur la voie de la micromécanique à base de composants électrolytiques. " Dans un futur pas si lointain, ces composants pourraient permettre des mécanismes d'horlogerie avec des complications mécaniques particulièrement fines.