LE CARBONE FORGÉ
A l’instar des fibres de carbone tissées, le carbone forgé est matériau composite. Plutôt que d’être tissées les fibres sont découpées en segments de quelques millimètres qui seront mélangés de manière ordonnée ou aléatoire à la matrice en résine.
Histoire
La production de fibres de carbone à partir de mono-filaments de polymères (méthode PAN) telle qu’utilisée en horlogerie a été brevetée en 1963. L’industrialisation de pièces en carbone débute dès 1970. Les coûts de production élevés limitent leur usage aux domaines de l’aérospatiale et de l’aéronautique. Les coûts de production baissant permettent aux fibres de carbone de se démocratiser dès 1990. C’est à la fin de cette même décennie que les fibres de carbone tissées seront présentes dans l’ensemble des composants d’habillage d’une montre. Puis, dix ans plus tard, on connaitra les premiers éléments de mouvement (platines et ponts) réalisés dans ce matériau. Le carbone forgé apparait dès le début du 21ème siècle et est apprécié autant dans les composants d’habillage que du mouvement (platines et ponts)
Synthèse des fibres
La synthèse des fibres de carbone servant de renfort aux matériaux composites est obtenue à choix à partir de mono-filaments de polymères (PAN), d’hydrocarbures (pétrole, charbon) ou de celluloses. En horlogerie c’est la méthode PAN qui est généralement utilisée. Différentes étapes chimiques et thermiques (pyrolyses) permettent d’éliminer les autres atomes que le carbone (carbonisation à environ 1500°C), voire d’ajouter des atomes de carbone (graphitisation) afin d’obtenir des filaments ayant une teneur en carbone supérieure à 90%.
Composition du composite
Les filaments d’un diamètre compris entre 5 et 10 micromètres sont coupés en segments réguliers d’une longueur pouvant atteindre quelques millimètres. Les segments de fibres peuvent ensuite être mélangés à la résine (matrice) de manière totalement aléatoire ou en les orientant selon un axe précis. L’orientation des segments de fibre de carbone et leur densité offrent une grande variabilité des propriétés mécanique du composite.
Durcissement
Le composite peut être placé dans un moule pour être durci en four autoclave à des températures pouvant atteindre 250°C et des pressions maximales de 15 bar afin de réaliser des blocs pouvant être ensuite usinés. De nouvelles technologies permettent d’obtenir des carbones forgés plus résistant en optimisant le temps de fabrication. L’une d’elle consiste à remplacer le four autoclave par une presse dont le moule est chauffé. Un système d’aération du moule limite permet de travailler à des températures supérieures sans altérer la résine. Enfin, la presse permet d’obtenir des pressions allant jusqu’à 250 bar. Les blocs de carbone forgé sont ensuite prêt à être usinés.
Usinage
L’usinage des blocs de carbone forgé peut comporter les opérations habituelles : tournage, fraisage, perçage. Les matériaux des outils utilisés pour l’usinage du carbone forgé comprennent la céramique, le carbure cémenté, le diamant polycristallin et le nitrure de bore cubique. Par sa faible conductivité thermique, le carbone retient la chaleur et ne la diffuse que très peu à l’outil. Cependant, une chaleur trop élevée peu altérer la résine de la matrice et compromettre ainsi les propriétés de la matière. L’usinage du carbone forgé nécessite donc des temps d’usinage étendus, d’autant plus qu’il ne supporte généralement pas de liquide de refroidissement. Une fois le composant terminé, diverses opérations de finitions sont possibles : ébavurage, polissage, pose d’un verni mat ou brillant etc.
Propriétés du carbone forgé
Le carbone forgé est léger, il résiste très bien à la traction et à la compression. Il dispose d’une grande résistance à la propagation d’une fissure (ténacité) et d’une excellente résistance à l’abrasion et à la corrosion. De plus, le carbone forgé a un très faible coefficient de dilatation thermique. Le module d’élasticité du carbone forgé est variable selon la densité des fibres et la nature de la matrice, il demeure cependant toujours élevé. De ce fait les composants en carbone forgé résiste bien à la déformation mais peut se briser au-delà d’une certaine contrainte (déformation ou impact). Le carbone forgé présente un aspect marbré différent des trames tissées des toiles de fibres de carbone. Selon la densité de carbone du composite, la qualité du carbone forgé peut très sensiblement varier.
Applications horlogères
Les carbones forgés sont appréciés dans la fabrication de l’ensemble des composants d’habillage (boites, bracelets, cadrans ). De façon très anecdotique, on peut les utiliser pour fabriquer des platines et des ponts.