Fabrique de rubis à Fundão : Companhia Industrial de Materiais Duros
CIMD - Companhia Industrial de Materiais Duros
Les cerises ne sont pas le seul produit rouge de Fundão : cette localité fabrique aussi des rubis pour plus de 1 200 calibres de montres. Au cœur de Fundão, nous avons découvert une usine consacrée à la production de ces rubis horlogers : la CIMD, Companhia Industrial de Materiais Duros. Fondée en 1990 à partir du développement d'une unité de production de l'entreprise CHEVAL FRÈRES, la CIMD s'est imposée comme leader mondial de la fabrication de pierres d'horlogerie et de composants techniques en matériaux durs. La montre que vous portez en ce moment au poignet a peut-être des rubis fabriqués à Fundão.
Lors de notre visite à la CIMD, nous avons été très bien accueillis par son directeur général depuis plus de 30 ans, Carlos Morgadinho, et par Marina Nascimento, responsable administrative. Nous avons eu le privilège de découvrir l'usine et tous ses ateliers. Nous y avons aussi trouvé une équipe entièrement disponible pour répondre à toutes nos questions, et des installations où les savoirs et les pratiques les plus traditionnels, manuels, côtoient des machines modernes à commande numérique et laser.
L'histoire de la CIMD commence en 1990, lorsque CHEVAL FRÈRES installe au Portugal son unité de production de pierres d'horlogerie. D'abord spécialisée dans le rubis monocristallin, la CIMD s'est rapidement étendue à d'autres matériaux ultra-durs, comme la céramique, le saphir et le rubis polycristallin. Aujourd'hui, l'entreprise dispose d'un atelier entièrement intégré et d'experts techniques reconnus. Elle compte actuellement 34 ans d'activité et 140 salariés.
Ce que produit la CIMD
Actuellement, la production comprend des pierres percées, à faces planes ou bombées, à trou droit ou olivé ; des pierres creusées percées, à face plane et trou droit ; et des contre-pivots, à face plane ou bombée, sans trou. La CIMD est également capable de fabriquer des fonds, des lunettes et des cabochons (les petites pierres qui ornent les couronnes de certaines montres Cartier, par exemple).
Parmi les 140 salariés, beaucoup sont spécialisés et effectuent des travaux tels que l'usinage, le perçage, le tournage et le polissage fin. Certains des travaux les plus spécialisés sont réalisés dans la section de dimensionnement et de calibrage.
La CIMD, à Fundão, est aujourd'hui une référence mondiale dans la fabrication de rubis synthétiques.
Comment les rubis sont produits à la CIMD
Bien que l'oxyde d'aluminium lui-même ne soit pas produit actuellement au Portugal, tout le processus d'usinage, de finition et de contrôle des rubis est réalisé à Fundão.
Voici quelques aspects de la transformation des « poires » d'alumine en rubis d'horlogerie
Matière première
L'Al₂O₃, oxyde d'aluminium, également appelé alumine, arrive sous forme de poire ou de pierre rouge, puis il est tranché jusqu'à une dimension très proche de la cote finale, prenant ainsi la forme d'un disque.
Usinage
La forme et la découpe des rubis sont obtenues à l'aide de diverses machines, depuis celles de la photo ci-dessous, vieilles de quelques décennies, jusqu'aux machines à commande numérique et aux puissantes machines laser.
Polissage
Dans les cuves des photos qui suivent, les surfaces planes des rubis sont polies afin d'obtenir la géométrie voulue ; ce procédé respecte des tolérances allant jusqu'à ± 5 μm. Au final, on peut obtenir des surfaces polies miroir.
Après avoir placé à la main chacun des rubis sur des filaments, on verse de l'étain chaud sur les filaments. Ce procédé garantit que les rubis gardent leur position, ce qui facilite la phase de polissage qui suit.
Mesure et contrôle
Dans un département spécifique, les rubis sont mesurés à l'aide d'outils spécialisés comme des micromètres. Cette mesure est effectuée par échantillonnage pour le contrôle qualité.
Nous remercions la CIMD pour la gentillesse et la disponibilité avec lesquelles l'IPR a été reçu, ainsi que pour son excellente contribution à la connaissance de cet aspect précieux de l'horlogerie !
LES RUBIS EN HORLOGERIE
- DEUX PERSONNAGES HISTORIQUES -
Nicolas Fatio de Duillier
Inventeur de la première méthode de fabrication de pierres
pour montres
Nicolas Fatio de Duillier, né le 16 février 1664 et mort le 10 mai 1753, était un mathématicien, philosophe naturel, astronome, inventeur et militant religieux. Né à Bâle, en Suisse, Fatio a grandi principalement dans la République de Genève, dont il était citoyen, avant de passer une grande partie de sa vie d'adulte en Angleterre et en Hollande. Il est connu pour sa collaboration avec Giovanni Domenico Cassini à l'explication correcte du phénomène astronomique de la lumière zodiacale, pour avoir inventé la théorie de la gravitation « par poussée » ou « par ombre », pour ses liens étroits avec Christiaan Huygens et Isaac Newton, et pour son rôle dans la querelle Leibniz-Newton sur le calcul infinitésimal.
C'est Nicolas Fatio de Duillier qui a mis au point la première méthode de fabrication de pierres pour montres mécaniques.
Élu membre de la Royal Society de Londres à 24 ans, Fatio n'a jamais atteint la position et la réputation que promettaient ses premières réussites et ses relations.
Dans les années 1690, il découvrit une méthode pour percer un petit trou bien rond dans un rubis à l'aide d'un foret diamanté.
Fatio tenta, sans succès, d'intéresser les horlogers parisiens à son invention. De retour à Londres, il s'associa aux frères huguenots Peter et Jacob Debaufre, qui tenaient une horlogerie prospère dans Church Street, à Soho. En 1704, Fatio et les Debaufre obtinrent un brevet de quatorze ans pour l'usage exclusif, en Angleterre, de l'invention de Fatio relative aux rubis.
En mars 1705, Fatio présenta à la Royal Society des échantillons de montres ainsi garnies de rubis. La correspondance d'Isaac Newton montre qu'en 1717 Fatio accepta de fabriquer une montre pour Richard Bentley contre un paiement de 15 livres, et qu'en 1724 il demanda à Newton la permission d'utiliser son nom dans la publicité de ses montres à rubis. La méthode de Fatio pour percer les rubis resta une spécialité de l'horlogerie anglaise jusqu'à son adoption sur le Continent en 1768 par Ferdinand Berthoud.
Auguste Victor Louis Verneuil
Créateur du procédé de production de corindons artificiels
Auguste Victor Louis Verneuil était un chimiste français remarquable pour avoir inventé le premier procédé commercialement viable de fabrication de gemmes synthétiques.
En 1902, il découvrit le procédé de « fusion à la flamme », appelé plus tard « procédé Verneuil », une méthode économique pour produire du corindon artificiel, c'est-à-dire des rubis et des saphirs.
Né à Dunkerque, en France, en 1856, fils d'un horloger-mécanicien, Verneuil eut un parcours universitaire prometteur : à 17 ans, il devint assistant de laboratoire du chimiste Edmond Frémy. Il obtint sa licence en 1875, sa maîtrise en 1880 et son doctorat en 1886. À partir de 1892, il fut professeur de chimie appliquée dans la section de chimie organique du Muséum d'histoire naturelle de Paris pendant 13 ans.
Verneuil s'est consacré à divers domaines de la chimie, de la synthèse du rubis à l'étude de la phosphorescence de la blende de zinc et à la chimie des terres rares. Il commença ses travaux sur la synthèse des rubis par fusion à la flamme dès 1886 et obtint des résultats significatifs en six ans. Bien qu'il ait déposé ses plis cachetés à l'Académie des sciences de Paris en 1891 et 1892, il n'annonça sa découverte qu'en 1902. Le procédé Verneuil est encore utilisé aujourd'hui comme moyen économique de produire du corindon artificiel, laissant un héritage durable dans la fabrication des gemmes synthétiques.
- PROPRIÉTÉS PHYSIQUES ET CHIMIQUES DES RUBIS -
Les rubis utilisés en horlogerie sont synthétiques, et ils sont peut-être la pièce la moins coûteuse de toute la montre. Ils possèdent pourtant une série de propriétés qui les rendent essentiels pour diverses applications industrielles et scientifiques, au-delà de l'horlogerie. En voici quelques-unes :
Dureté
Les rubis synthétiques sont exceptionnellement durs, avec un indice de 9 sur l'échelle de Mohs de dureté des minéraux. Cette dureté n'est dépassée que par celle du diamant, ce qui rend les rubis synthétiques très résistants aux rayures et à l'abrasion.
Composition chimique
Les rubis sont généralement composés d'oxyde d'aluminium (Al₂O₃), également appelé corindon. La présence d'oligo-éléments comme le chrome, le titane et le fer peut donner aux rubis synthétiques différentes couleurs, du rouge au rose et au violet.
Transparence
Les rubis synthétiques sont généralement transparents ou translucides, selon leur qualité et la façon dont ils sont taillés et polis. Ceux de haute qualité peuvent présenter une excellente limpidité et transparence, laissant passer la lumière avec un minimum de distorsion.
Propriétés optiques
Le rubis possède des propriétés optiques favorables, dont un indice de réfraction élevé et une biréfringence (propriété optique d'un matériau qui présente des indices de réfraction différents selon les directions de propagation de la lumière). Ces propriétés contribuent à son éclat et à son scintillement lorsqu'il est correctement taillé et facetté.
Stabilité thermique
Les rubis synthétiques ont une bonne stabilité thermique et peuvent supporter des températures élevées sans modification significative de leurs propriétés physiques ou optiques. Cette propriété les rend adaptés aux applications à haute température, comme la technologie laser.
Isolation électrique
Ce sont des matériaux isolants, ce qui signifie qu'ils ne conduisent pas l'électricité.
Cette propriété les rend utiles pour les applications qui exigent une isolation électrique, comme certains dispositifs électroniques et mécaniques. Globalement, la combinaison de dureté, de couleur, de transparence, de propriétés optiques et de stabilité thermique fait de ce matériau une ressource précieuse pour un large éventail d'applications industrielles, scientifiques et décoratives.
- TYPES DE RUBIS DANS LES MONTRES -
En horlogerie, les rubis peuvent être de trois types :
Pierres percées
Contre-pivots
Palettes d'ancre
Cheville de plateau
- LE PROBLÈME ET LA SOLUTION -
Le problème : le frottement
Il est possible de faire du feu en frottant 2 morceaux de bois. Cela se produit à cause du frottement. Lorsque des surfaces en contact se déplacent l'une par rapport à l'autre, le frottement entre elles transforme l'énergie cinétique en énergie thermique, c'est-à-dire qu'il convertit le mouvement en chaleur.
Le frottement est la force de résistance tangentielle qui agit entre des surfaces en contact lorsqu'il y a mouvement, ou tentative de mouvement, relatif entre elles.
Cette force résulte des interactions électromagnétiques entre les atomes et les molécules des surfaces irrégulières en contact. Le frottement peut être sec, fluide ou lubrifié. Le frottement sec peut être statique, lorsqu'il agit pour empêcher le début du mouvement, ou cinétique, lorsqu'il se produit pendant le mouvement. En outre, le frottement joue un rôle crucial dans la dissipation de l'énergie mécanique sous forme de chaleur, comme dans l'exemple précédent, et influe directement sur l'usure des matériaux et sur le rendement des dispositifs mécaniques.
Le frottement n'est pas seulement une force qui s'oppose au mouvement ; il est aussi indispensable à de nombreuses opérations et fonctions.
Par exemple, sans frottement, nous ne pourrions ni marcher ni tenir des objets.
Cependant, le frottement contribue aussi à l'usure des matériaux et peut entraîner une perte de rendement énergétique dans les mouvements horlogers, en raison de la conversion de l'énergie mécanique en chaleur, ainsi qu'à l'usure des pièces. C'est ce qui arrive à de nombreuses pendules murales, qui n'ont normalement pas de rubis, et à certaines montres-bracelets : les trous des ponts et de la platine s'ovalisent sous l'action des pivots.
Pour réduire le frottement, on utilise des lubrifiants déposés en juste quantité sur les surfaces de contact.
La solution : le rubis synthétique et la lubrification
Les rubis sont largement utilisés dans les montres en raison de leurs propriétés physiques et chimiques exceptionnelles. Voici les principaux avantages de ce matériau synthétique :
Faible frottement : Les rubis sont extrêmement durs ; seul le diamant les dépasse sur l'échelle de dureté de Mohs. Cette dureté, associée à une bonne lubrification, permet aux pièces de la montre de glisser les unes sur les autres avec très peu de frottement. Moins de frottement signifie moins d'usure et une durée de vie plus longue pour la montre.
Résistance à l'usure : Grâce à leur dureté, les rubis résistent à l'usure même après des années d'utilisation continue. C'est particulièrement important pour les pivots et les zones avec lesquelles ils sont en contact, où le mouvement constant des pièces peut rapidement provoquer de l'usure.
Stabilité chimique : Les rubis sont chimiquement inertes, c'est-à-dire qu'ils ne réagissent pas avec les substances susceptibles de pénétrer dans le mécanisme de la montre, comme l'eau, la sueur ou la poussière.
Résistance thermique : Les rubis résistent très bien aux variations de température et conservent leurs performances même dans des conditions extrêmes. C'est essentiel pour la précision de la montre, car les variations de température peuvent provoquer la dilatation ou la contraction de ses pièces.
Meilleure précision : En réduisant le frottement et l'usure aux points critiques du mouvement, les rubis contribuent nettement à la précision de la montre dans le temps. Moins de frottement signifie aussi moins de variation de l'énergie nécessaire au mouvement, d'où une distribution de l'énergie plus régulière.
Valeur esthétique et traditionnelle : Au-delà de leurs avantages fonctionnels, les rubis apportent un élément esthétique au mouvement d'une montre. Traditionnellement, le nombre de rubis d'un mouvement est considéré comme un indicateur de sa complexité et de sa qualité.
Procédés de production des rubis synthétiques
Les rubis synthétiques sont fabriqués selon diverses méthodes, chacune induisant la formation de cristaux aux propriétés spécifiques, comme la teinte, la transparence et le degré de pureté. Les principaux procédés utilisés pour la synthèse des rubis sont les suivants :
1. Méthode Verneuil (fusion à la flamme)
Schéma simplifié du procédé croquis d'un ancien four utilisé
Schéma simplifié du procédé Verneuil et croquis d'un ancien four utilisé par Verneuil pour synthétiser des rubis selon le procédé Verneuil.
Mise au point par Auguste Verneuil, comme nous l'avons dit, à la fin du XIXe siècle, cette méthode est l'une des plus anciennes et des plus répandues pour la production de rubis synthétiques. La technique consiste à faire passer de la poudre d'oxyde d'aluminium (Al₂O₃) à travers une flamme qui atteint environ 2000 °C, ce qui fait fondre la poudre. Celle-ci se dépose à son tour sur un support et se solidifie progressivement en une structure cristalline. L'accumulation successive de matière forme un cylindre cristallin appelé « boule », qui est ensuite découpé en gemmes. On peut ajouter des colorants au procédé afin de moduler la teinte des rubis synthétisés.
2. Méthode Czochralski
Cette méthode est reconnue pour produire des cristaux synthétiques de haute qualité, dont les rubis. Elle commence par l'immersion d'un petit germe cristallin au-dessus d'un creuset contenant de l'oxyde d'aluminium à l'état liquide. Le germe est soigneusement tiré vers le haut tout en étant mis en rotation, ce qui permet la croissance du cristal à partir du bain fondu. Cette technique est particulièrement appréciée pour sa capacité à contrôler les dimensions et l'orientation du cristal, donnant des gemmes d'une pureté exceptionnelle.
3. Méthode hydrothermale
Ce procédé imite la genèse naturelle des gemmes en dissolvant des nutriments (notamment de l'oxyde d'aluminium et des éléments colorants) dans une solution aqueuse soumise à des températures et des pressions élevées à l'intérieur d'un autoclave. En refroidissant, la solution laisse le matériau dissous cristalliser ; il adhère à un support ou à un germe cristallin et grossit peu à peu. Cette méthode se distingue par sa capacité à reproduire les conditions naturelles de formation des gemmes, permettant d'obtenir des rubis synthétiques aux caractéristiques chimiques et physiques très proches de celles de leurs équivalents naturels.
Comment fabriquer des rubis synthétiques chez soi ?
Ce n'est certainement pas le passe-temps le plus courant, mais plusieurs passionnés ont réalisé des vidéos sur la manière de créer des rubis synthétiques chez soi ; en voici quelques-unes :
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