La simulation au service de l'industrie horlogère

Etanchéité et contraintes sur la boîte

Le comportement de la boite sous pression est étudié avec une analyse statique structurelle. On commence par simuler l’assemblage de la boite (chassage de glace, assemblage du fond), à partir d’une situation réaliste en termes de précontraintes et de géométrie des joints déformés. On applique ensuite une pression sur les surfaces extérieures. Au niveau des joints, on peut simuler jusqu’où l’eau va pénétrer grâce à l’activation de l’option « pénétration de pression » :  le logiciel Ansys calcule la pression de contact au niveau des joints et adapte en conséquence la zone de pénétration de l’eau, qui elle-même aura une influence sur la pression de contact. De la sorte, on observe de façon extrêmement réaliste la déformée des joints sous pression et jusqu’où l’eau pénètre. On peut obtenir les informations suivantes :
- Vérifier si la boite est étanche ou non ?
- La marge concernant l’étanchéité en comparant la pression de contact avec la pression eau.
- Visualisation du comportement du joint (zoom, coupes etc …) - En réalité, à moins d'utiliser des composants transparents on ne peut pas visualiser l'intérieur (le changement de matière induit aussi un changement de comportement).
- Déformations et contraintes dans toutes les pièces.
- Déformations résiduelles au sortir de l’eau (ex : évaluer la déformation plastique sur un fond qui serait trop fin en sortant de l’eau).
Ainsi, on peut par itérations ou optimisation obtenir une épaisseur optimale du fond. Ce calcul, bien que relativement standard, n'est pas aisé pour un débutant en auto-formation. Aussi, CADFEM (Suisse) AG peut tranférer son savoir-faire, même à des débutants sans expérience, qui deviennent très rapidement opérationnels sur ce sujet particulier.

Simulation d’un bracelet élastomère

Le but de cette analyse est de réaliser des tests numériques afin d’identifier les zones critiques et les risques de rupture, que ce soit en traction, en torsion ou une combinaison des deux. La simulation peut inclure aussi le mécanisme d’attache.Ce type de calcul est à la portée de tous, même les débutants.
CADFEM vous guide vers le meilleur résultat grâce à ses formations ou ses séances « Guided work ».

Ressort de calibre

Avec Ansys Mechanical vous simulez les contraintes maximales dans un ressort de bascule, son pré-armage et l’armage, pour obtenir ainsi le couple résultant. Ce logiciel de simulation vous permet de bénéficier des capacités avancées de modélisation des contacts.
Vous pouvez gérer les contacts hautement non-linéaires et l’impact des frottements en toute aisance, sur toutes vos géométries. De plus, de grands déplacements et de grandes déformations peuvent être simulés simplement. Utilisez la simulation et dimensionnez vos ressorts numériquement pour qu'ils correspondent à vos spécifications, en réduisant les tâtonnements et les temps de développement.

Calcul statique structurel de lunette tournante

Grâce à la simulation, on calcule le couple requis pour tourner la lunette. Cedernier ne doit être ni trop élevé (rotation difficile à effectuer), ni trop faible (pourrait tourner avec la manche de la chemise). On calcule en même temps les contraintes qui doivent être assez faibles pour éviter des problématiques de plastification ou de casse. Par le biais de différentes itérations géométriques, directement couplées avec Ansys, on obtient très rapidement une géométrie répondant au cahier des charges.
Une analyse de sensibilité peut ensuite être réalisée : que se passe-t-il avec un coefficient de frottement plus grand, plus petit ? Avec une lame plus épaisse ou plus large que le nominal ? Avec une précontrainte plus ou moins grande ? Ainsi, on peut identifier les paramètres ayant la plus grande influence et assurer la robustesse du système.
On peut aussi compléter l’analyse avec les tâches suivantes :
- par une analyse en fatigue : combien de cycles avant rupture en fatigue ?
- par la considération de l’usure, soit en simulant directement le phénomène d’usure, soit en estimant l’usure et en simulant le comportement (nouvelles valeurs de couple, de contrainte…) du système usé.
- par des cas de charges complémentaires. Ex : que se passe-t-il si on essaie de tourner la lunette dans le mauvais sens ? Peut-on ainsi faire plastifier le ressort, ou le rompre ? Quelle valeur de couple faudrait-il pour endommager le ressort ?
Au final, la simulation permet donc l’obtention d’une géométrie optimisée et robuste, en vue de la production d'un prototype physique optimal.
Ce calcul est rapide et relativement simple. Il à la portée de tous les utlisateurs, aussi bien que les débutants.

Calcul de vis pour l'industrie horlogère

Une étude approfondie de vis horlogères a été réalisée par HE Arc à l’aide de l’extension Ansys-CADFEM Bolt Assessment Inside Ansys. Cette extension permet d’obtenir de manière plus fine ou plus directe les résultats de contraintes mais aussi le risque de dévissage des vis selon les cas de charges étudiés. On visualise ensuite très clairement quelles sont les vis respectant ou ne respectant pas le critère étudié.

Simulation de l'usure du sautoir

Un mécanisme horloger peut parfaitement fonctionner en sortie de manufacture, puis ne plus être fonctionnel après un certain temps, à cause de la détérioration des états de surfaces. Utilisez la simulation numérique pour évaluer aisément l’influence des coefficients de frottement. Tout en conservant le modèle établi, il vous suffit de modifier la valeur du coefficient de frottement (typiquement entre 0.05 et 0.2) pour obtenir de nouvelles valeurs de contraintes et de couples pour un état de surface péjoré et assurer ainsi la robustesse de la conception. Vous pouvez aussi traiter les problématiques d’usure. Obtenir une conception qui mène à de plus faibles pressions de contact (mesurées par simulation numérique) vous permettra ainsi de réduire  l’usure. En Important une géométrie usée vous interprèterez mieux les conséquences de l’usure sur les couples et les contraintes. Sur la base de tests physiques, une loi d’usure peut aussi être obtenue (calibration du modèle d’Archard). Elle vous permettra une première anticipation de l’usure attendue pour de nouveaux composants : le modèle calcule un taux d’usure et adapte le maillage en fonction. Vous pourrez ainsi identifier les zones les plus détériorées et comme précédemment obtenir contraintes et couples sur la géométrie usée, pour finalement vous assurer de la robustesse de la conception.

Similation statique d'une tirette

La simulation ne se réduit pas à la gestion de deux ou trois composants. L’idéal est de pouvoir simuler directement des parties de mécanismes entiers. Les nouvelles fonctionnalités de gestion de précontraintes permettent de mettre aisément les précharges en place. Les contacts sont gérés efficacement et même des composants libres avec jeux de fonctionnement peuvent être simulés. On peut imposer le déplacement aux pièces exactement comme dans la réalité et constater et chiffrez l’influence sur les autres composants, dans une simulation unique. L’utilisateur peut étudier le modèle en 2D pour obtenir des temps de calculs extrêmement rapides (entre 30s et 10min sur un laptop) ou passer en 3D pour tenir compte des effets hors plan.

Simulation multicorps d’un chronographe

Le module de calcul dynamique vous permet de simuler les mouvements de corps rigides et la déformation exacte des corps flexibles comme les ressorts d'un mécanisme de chronographe. Il est ainsi possible de modéliser les fonctions de remise à zéro, de start/stop, la sollicitation des ressorts de rappel, les forces sur le poussoir et le fonctionnement d'un prototype virtuel. L’évaluation de nouvelles variantes se fait directement à l'aide du logiciel Ansys Motion. On peut ainsi obtenir les informations suivantes

• Forces requises au niveau des poussoirs
• Dynamique : temps de stabilisation de l’aiguille lors de la remise à zéro par le biais du système marteau-cœur
• Contraintes dans les composants flexibles (ex : ressort) tout en considérant l’influence de la dynamique et d’éventuels comportements hors plan.
• Etude de sensibilité possible, ex que se passe-t-il avec des coefficients de frottement plus élevés ? (vieillissement)

Optimisation du cliquet magique

Le cliquet magique permet de remonter le barillet quel que soit le sens de rotation de la masse oscillante. En effet, avec la simulation horlogère on peut rapidement calculer le nombre de sauts de dents à chaque oscillation ainsi que les contraintes au niveau des lames du cliquet. La réalisation de variantes géométriques, manuelles ou automatisées, dans le logiciel Ansys, permet d’identifier les paramètres les plus pertinents et d’améliorer la performance et de la robustesse du système.

Etude de réducteur

La simulation du réducteur doit être basée sur des contacts afin déterminer un rendement du système dans les conditions d’utilisation et voir l’influence des jeux. La simulation avec Ansys Motion (outil multicorps, ici avec corps rigides) permet des temps de calcul très faibles (10s de calcul, laptop, 4CPUs) alors que le temps physique simulé est de 80s. Ces temps faibles de calcul sont la condition pour pouvoir réaliser des études de sensibilité (influences des tolérances de fabrication, étude 6 sigma…) et d’optimisation.

Echappement à ancre Suisse

L’échappement est le système maître d’un calibre horloger. De lui dépend l’isochronisme et son rendement influe directement la réserve de marche de la montre. Avec Ansys optimisez l’échappement en effectuant l'analyse, par exmple, des paramètres suivants :

• évaluation du rendement de l’échappement,
• détermination de l’amplitude maximale du balancier,détermination du facteur de qualité du balancier en position plat ou pendu, en prenant en compte à la fois les frottements de l’air (obtenus par analyse CFD) et les frottements au niveau des pierres et contre-pierres (analyse dynamique structurelle, coefficients de frottement déterminés initialement par calibration sur mesures),
• influence du spiral (inertie, efforts radiaux lors du cycle enroulement – détente),
• comportements transitoires lors du passage plat à pendu ou lors de chocs,
• influence du diamètre des pierres, du point d’attache du spiral, etc.
• étude d’échappements flexibles.

Calcul de perte par frottement d'un balancier

Simulation dynamique avec Ansys LS-Dyna comprenant le ressort spiral en flexible et les balanciers et les pierres comme corps rigides. Cette simulation permet de quantifier les pertes par frottement des pivots sur les pierres. Ces pertes sont calculées sur plusieurs périodes afin d’en déduire le décrément logarithmique puis le facteur de qualité du balancier. Le résultat dépend de l’orientation du balancier par rapport à la gravité (plat ou pendu). Une variante géométrique a été également étudiée. Positions à plat ou pendu.

Simulation des déformations du bracelet

Les bracelets avec maillons peuvent être simulés, avec notamment Ansys LS-Dyna, et ce quelque soit la forme et le nombre des maillons. Tout type de matériaux peut être considéré (acier, or, etc). Avec Ansys LS-Dyna vous gérez l’interaction entre maillons, tige, carrure, vis, goupilles… La simulation vous permet d'anticiper :

• la forme du bracelet (à plat, autour du poignet),
• la distribution des forces : au niveau de quels maillons, de quelles vis … sont-elles maximales selon le cas de charge (traction, torsion, combinaison des deux),
• valeur des contraintes, possibilité de transférer les résultats dans un modèle statique structurel pour encore plus de précision sur les composants les plus critiques.
• Les temps de développement en obtenant par le biais de la simulation une géométrie opérationnelle avant de débuter la fabrication et la validation finale par le biais de test physiques.

Simulation d'un roulement à billes horloger

Lors d'une simulation dynamique structurel de nombreux contacts et jeux de fonctionnement sont à gérer. Cette simulation est réalisée pour montrer la faisabilité d'une pareille étude.

Simulation de choc

Vous souhaitez simuler le résultat d’une chute d’une hauteur d'un mètre sur les éléments d’une montre ? Le module dynamique vous permet d’appliquer une accélération sur les composants (cadran, brides de fixation, mouvement, brides) et de calculer leurs déformations lors du choc. On peut aussi observer la contrainte des brides et des vis et étudier l’influence des paramètres lors du choc. Dans cet exemple, 17 pièces sont modélisées et 48 contacts sont créés.

Approche système

Etude de mécanismes en tant que systèmes. Le système créé avec le logiciel complémentaire Simplorer met en évidence l’évolution dynamique incluant les inerties et la flexibilité de certaines pièces, la transmission d'énergie, les effets liés à la synchronisation, les retards de transmission, et le bilan énergétique.

Contact avec un film d'huile

La simulation permet de calculer la dynamique de films d'huile dans les zones de contact et d'en extraire, entre autre, l'évolution très précise de la force agissant sur les pièces.

Champ magnétique dans la montre

Le calcul de l'écrantage du champ magnétique par la montre permet de connaître le champ local agissant effectivement sur les composants critiques. Cette simulation facilite l'analyse et la recherche d'interférences probables avant la production d'un prototype.

Moteur pas à pas

L'analyse électromagnétique transitoire du moteur Lavet donne accès au comportement dynamique du moteur, ce qui permet d'étudier l'influence de nombreux paramètres comme, par exemple, l'évolution du courant dans la bobine au cours du temps, le frottement sur l'axe, l'inertie du rotor, la géométrie, les matières choisies etc.

Comportement d’un ressort spiral soumis à un champ magnétique

Le but est de quantifier les effets de champs magnétiques sur le fonctionnement d’un ressort spiral. Nous avons ici le résultat dans les cas suivants :

• magnétisation dans un champ constant
• la rémanence magnétique après exposition à un champ magnétique externe
• les déformations dues aux forces magnétiques rémanentes

Calcul acoustique

Le calcul acoustique permet d’examiner et de régler le timbre horloger à partir d’un modèle numérique reproduisant les caractéristiques physiques du prototype à construire. Optimisez le timbre horloger en fonction des paramètres de votre modèle.

Timbre horloger

Ansys permet des études acoustiques avancées! Vous pouvez définir des excitations sur les pièces et calculer les ondes acoustiques rayonnées dans l'air environnant. Une telle étude numérique des configurations possibles du timbre horloger (géométrie, matières, excitations) vous permet de développer une compréhension approfondie des phénomènes influençant le son. Dans cet exemple, nous obtenons un signal temporel permettant l'extraction de différents spectres au cours du temps ainsi que le son produit.

Diffusion des ondes sonores

Une fois le calcul acoustique terminé, vous pouvez visualiser la diffusion des ondes sonores dans l'air.

Ecoutez le timbre horloger

Une fois le calcul acoustique terminé vous pouvez écouter le son du timbre horloger produit selon les caractéristiques définies pour ce calcul.

Caractériser le timbre avec Ansys Sound

L’extraction de différentes parties du spectre au cours du temps (waterfall diagram) permet de distinguer l’attaque de la résonnance, le bruit de fond de la partie tonale et de traduire le ressenti en valeurs quantitatives.

Optimisation topologique

Les objectifs, pour le développement horloger sont souvent clairs. Mais comment trouver la géométrie remplissant le cahier des charges ?
L’optimisation topologique structurelle avec Ansys vous aidera sûrement à trouver la réponse.
Le concept : le logiciel identifie pour vous les zones structurelles importantes ; plutôt que de réaliser à la main une conception, l’évaluer, la modifier la réévaluer et de continuer ainsi par itération.
Exemple 1 : vous souhaitez créer un pont squelette, léger, évidé mais surtout robuste, en vous basant sur le cas de charge (chocs 5000 g, par exemple). Alors, Ansys identifie les zones de transmission des contraintes, conserve la matière en ces endroits pour une rigidité maximale et supprime les éléments peu sollicités.
On obtient ainsi une géométrie plus légère mais robuste. Dans le pont du projet Innosuisse ici présenté, la pièce est produite par fabrication additive. Dans ce cadre-là l’outil d’optimisation topologique est optimal. En effet, avoir de nouvelles capacités de fabrication à tout son sens si on peut aussi concevoir autrement. Néanmoins, il est aussi simple possible de demander au solver Ansys d’assurer une géométrie extrudable (idéal pour de l’usinage ou de la découpe sur plaque) ou compatible avec de l’étampage ou de l’emboutissage. Ainsi, l’optimisation topologique est parfaitement adaptée aux méthodes conventionnelles.
Exemple 2 : vous souhaitez assurer l’équilibrage d’un système aiguille-roue-cœur par enlèvement de matière au niveau de la roue, sans modifier l’esthétique de l’aiguille. Il suffit, comme précédemment, d’indiquer les cas de charge (torsion, flexion), pour lesquels la rigidité doit être maximisée, ainsi que de donner une tolérance acceptable quant à la position du centre de gravité. Le solver supprime alors les éléments non-nécessaires pour la tenue lors de la charge. Dans cette simulation, on a renseigné toute une série de contraintes : en fabrication avec des épaisseurs minimales et un besoin de géométrie extrudable, et en conception avec une symétrie à respecter. Le solver respecte l’ensemble des contraintes imposées.

Montre connectée

Avec Ansys effectuez la simulation d'un prototype virtuel entier, avec des calculs multi-physiques (mécanique, électromagnétique haute fréquence, thermique, électronique).

Le recours à la simulation anticipe les problèmes liés à la production, à l'utilisation et accélère la mise sur le marché. 

Découvrez dans cette vidéo commentée en anglais les différentes étapes de calculs et les outils proposés par Ansys.

Exemple d'une montre développée avec la simulation optique - Ansys Speos

Grâce au logiciel de simulation de conception optique Ansys Speos et guidée par CADFEM, XRby a pu innover des concepts de montres, tester divers assemblages de montres et évaluer rapidement les options esthétiques, en évaluant plus de 100 matériaux et éléments précieux. Grâce à la cartographie de la texture de Speos, par exemple, les ingénieurs ont pu prévoir comment les matériaux des montres se comportent dans différentes conditions d'éclairage, une étape essentielle pour déterminer quel matériau de boîte en verre contrôlerait le mieux la diffraction de la lumière, la réflexion de la lumière et la distorsion de l'image. En fin de compte, ils ont choisi le cristal de saphir. (Extrait du blog Ansys Jan 2021)