Saphir : Le mouton noir de l'industrie horlogère

Jan 16, 2024

Chaque chaque fois que vous regardez votre montre, vous profitez des propriétés du saphir sans vous en apercevoir. Le saphir est important dans notre vie quotidienne en raison de sa transparence et de son étanchéité aux rayures. En plus des couvercles de montres, il est utilisé en grands volumes pour des applications allant des substrats LED aux vitres anti-rayures pour les véhicules militaires.

Une quantité importante de saphir est utilisée pour fabriquer des bijoux et des montres, où les consommateurs haut de gamme sont de plus en plus conscients de la durabilité des produits qu'ils achètent. Ils préfèrent acheter des produits bien faits qui durent et conservent leur valeur plutôt que des produits moins chers qu'ils devraient jeter après un court laps de temps. Le saphir synthétique produit industriellement est aussi dur que le saphir naturel mais plus transparent car il ne contient pas les oligo-éléments qui donnent aux gemmes leurs différentes teintes. Le saphir est souvent commercialisé comme "résistant aux rayures" ou "pratiquement résistant aux rayures". En effet, il mesure neuf sur l'échelle de dureté de Mohs, ce qui signifie qu'il ne peut être rayé que par une substance plus dure telle que le diamant, qui est évalué à dix.1

Le processus industriel de fabrication et de customisation du saphir se déroule en trois grandes étapes. La première étape consiste à fabriquer l'alumine de haute pureté (oxyde d'aluminium, appelé HPA). La deuxième étape consiste à cristalliser cet HPA à très haute température, de l'ordre de 2 050°C, pour former un cristal brut de saphir synthétique. Dans la troisième étape, cette masse cristalline est façonnée et découpée en morceaux avec des scies diamantées. Les plaquettes résultantes sont ensuite meulées et polies pour l'application souhaitée.

Ces processus entraînent une empreinte carbone substantielle à laquelle nous ne pensons peut-être pas tant que nous n'en sommes pas conscients. Par exemple, l'étape de cristallisation totale (deuxième étape) génère 43 kg de CO2 par kg de saphir produit. Cependant, il peut être considérablement réduit en portant une attention particulière à chaque étape.

La fabrication de HPA commence par une matière première minérale. Si cette matière première est fabriquée uniquement avec de l'hydroélectricité, sa seule empreinte carbone à l'entrée de l'usine où l'HPA est fabriqué provient du transport.

Si la source est proche de l'usine, celle-ci peut être minime voire ramenée à zéro par compensation. C'est le cas d'Advanced Energy Minerals (AEM) qui fabrique du HPA au Québec, Canada. Elle utilise des matières premières québécoises produites majoritairement par l'hydroélectricité.

L'usine AEM a été conçue pour minimiser la consommation d'énergie en utilisant un procédé breveté de cristallisation par lixiviation au chlore. Les sources renouvelables locales, hydroélectriques et éoliennes d'Hydro Québec, fournissent l'électricité d'AEM. L'usine de Cap-Chat est voisine du parc éolien du Nordais avec 133 éoliennes. Actuellement, les énergies renouvelables sont à 96 %, avec des plans spécifiques pour atteindre 100 % d'ici la fin de l'année. Cela réduira les émissions de CO2 de la valeur actuelle de moins de deux tonnes de CO2 par tonne de HPA à pratiquement zéro.

Cela contraste fortement avec ceux qui utilisent le procédé traditionnel d'alcoolate, généralement alimenté par des énergies non renouvelables, qui émet 12,3 tonnes de CO2 par tonne de HPA. D'autres producteurs ont pour objectif de le diviser par cinq, ce qui reste très élevé.

La personnalisation pour répondre aux exigences des clients rend les étapes de processus suivantes plus efficaces. AEM dispose d'une gamme de produits pour fournir de l'alumine compactée 4N et 5N personnalisée à ses clients. Cela varie en taille de rondelles de quelques grammes à des rondelles géantes pouvant peser jusqu'à 21 kg.

Les procédés de conversion du HPA en saphir font tous fondre l'alumine à une température supérieure à 2 050°C. Ceci est suivi d'un lent processus de refroidissement qui prend une à deux semaines pour créer un cristal de saphir. Parce qu'il s'agit d'un processus low-tech, le cristal n'est pas parfait. Elle peut cependant être influencée par la qualité du HPA utilisé et la dextérité de l'opérateur du four. Le HPA de moindre pureté est utilisé pour les LED. Le prochain niveau de pureté trouve son application dans les couvercles de montres. Le HPA de la plus haute qualité est transparent aux UV profonds en raison de sa faible teneur en titane. Cela le rend approprié pour les applications médicales. Les problèmes de cristallisation peuvent également avoir un impact sur la qualité du produit final et déterminer l'application finale. Par exemple, un dispositif LED contenant un composant saphir imparfait et inhomogène peut connaître une efficacité réduite, une durée de vie plus courte ou une variation de la couleur d'émission.3

En plus de la qualité HPA, les différents processus de croissance du saphir produisent des cristaux adaptés à différentes applications. Pour ces raisons, les processus se divisent ici. Nous avons choisi une étude de cas de l'industrie horlogère suisse qui montre les avantages environnementaux de l'attention portée aux détails. Le marché mondial de l'horlogerie, qui s'élève à 71 milliards de dollars en 2022, a un taux de croissance annuel composé (TCAC) prévu de 5 %.4 En particulier, il s'agit d'un moteur économique important en Suisse, où les exportations de montres totalisent près de 25 milliards de dollars.5 Pour répondre à cette demande, 21 millions de couvercles de montres sont fabriqués chaque année en Suisse selon des normes de qualité élevées. (Il existe également un énorme marché pour les montres intelligentes fabriquées en Asie qui ont des couvercles en cristal de saphir.) Comme nous le verrons, le traitement restant multiplie les coûts environnementaux des étapes précédentes.

Les cristaux de saphir pour couvercles de montres sont traditionnellement cultivés selon le procédé Verneuil. Le résultat qui attend un traitement ultérieur est appelé une «carotte» dans le commerce. Il a une forme proche d'un cylindre, d'environ 15 cm de haut et 3-4 cm de diamètre.

Bien sûr, cette étape a un besoin énergétique typique si elle n'est pas réalisée avec de l'énergie verte. L'émission de CO2 pertinente serait en moyenne de 89 g/kWh pour la Suisse ou de 475 g/kWh dans le monde.

Étant donné que la carotte en cristal de saphir a une forme imparfaite et contient des défauts, il y aura une perte de rendement substantielle au cours des étapes de traitement ultérieures. Cette perte peut être minimisée en générant un modèle numérique de la carotte basé sur un scan 3D avec un équipement de tomographie confocale spécialisé.

Il convient de noter que la taille et le polissage du saphir sont très énergivores, car la dureté exceptionnelle du matériau représente un défi de taille.

La première étape avec perte de rendement est la mise au rebut des carottes après inspection et avant un traitement ultérieur en raison d'un taux inacceptable de défauts. Celle-ci est généralement de 10 % en moyenne pour les carottes issues du procédé Verneuil. Le broyage des carottes restantes à la taille et à la forme de noyau correctes produit un rendement de facteur de forme de 42 %. Le rendement des noyaux est alors de 87 %, ce qui signifie que 13 % des noyaux qui atteignent ce point sont jetés à cause de petits défauts dans le cristal de saphir. Le rendement du découpage du noyau en tranches et de leur polissage est de 85 %. Le résultat est un rendement combiné moyen de 28 % dans l'industrie horlogère pour un couvercle de montre plat.6 Celui-ci aura un diamètre allant de 25 à 45 mm et une épaisseur de 1,6 à 6 mm. Le poids typique est de 4,6 g.

Le rendement signifie diviser le coût environnemental entrant par 0,28, ce qui le quadruple presque. Pour un couvercle de montre bombé, ce rendement est bien inférieur à 4%, multipliant le coût entrant par 25.

Ces étapes peuvent toutes être optimisées grâce au contrôle qualité numérique de la société suisse Scientific Visual. L'entreprise fabrique des scanners pour le contrôle qualité des cristaux industriels (Fig. 3). Grâce à ces outils automatisés, les étapes individuelles peuvent être optimisées pour éviter les défauts. Par exemple, il empêche les pièces en cristal défectueuses d'entrer dans un traitement coûteux. De plus, en fournissant une rétroaction aux producteurs de cristaux, moins de cristaux devront être mis au rebut.

La forme simulée du cylindre peut être déplacée afin qu'un minimum de défauts subsiste dans la carotte physique. Le tranchage peut également être décalé pour apporter des défauts entre les tranches adjacentes. Ces étapes fonctionnent toutes pour amener le rendement d'une couverture plate à 34%. Pour un couvercle de montre bombé, l'amélioration est de 4% à 5%, soit une amélioration de 25%.

Voyons ce que montrent les chiffres. Dans le pire des cas, HPA émet 12,3 grammes de CO2 par gramme de HPA. La fabrication de notre couvercle de montre plat émet :

12,3 x 4,6 g / rendement de 0,28 = 202 g

Et le couvercle bombé de la montre émet :

12,3 x 4,6 g / rendement de 0,04 = 1,4 kg

Ces chiffres montrent pourquoi le cristal de saphir a été qualifié de "mouton noir de l'horlogerie".7

L'utilisation du HPA actuel à faible émission et du contrôle de qualité numérique réduit ces valeurs à 20 g et 138 g, respectivement. C'est avant même que le HPA zéro émission n'élimine complètement le coût, sinon le gaspillage. Le tableau ci-dessus montre que les émissions de CO2 peuvent être réduites de 22 %.

Nous avons vu que le coût environnemental d'une housse de montre peut être très élevé si l'on n'y pense pas. Grâce à l'attention portée aux détails à toutes les étapes du processus, il peut être réduit à la fusion du HPA et au fonctionnement des machines si leurs sources d'alimentation ne sont pas vertes. Cela peut être appliqué à d'autres marchés et cas d'utilisation du saphir, tels que les LED et d'autres applications. Nous aborderons ces cas dans un prochain article.

Attention, cet article paraîtra également dans la quatorzième édition de notre publication trimestrielle.

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