Fermeture éclair : mécanisme et curseur à manipuler

Ce que montre le modèle

Dans ce simulateur de fermeture éclair, vous tirez le curseur, vous changez de type de fermeture et vous regardez les dents s’emboîter et se séparer. Le curseur d’une fermeture éclair rapproche deux rangées de dents décalées dans un canal qui se rétrécit, jusqu’à ce que leurs têtes s’emboîtent. Dans l’autre sens, il écarte les rangées autour du montant situé à l’intérieur. Les dents se retiennent les unes les autres, sans ressort ni loquet mobile dans chaque dent.

Tirez sur la tirette d’une veste et deux bords libres deviennent une seule bande en moins d’une seconde. Repoussez-la et ils se séparent de nouveau. Rien dans le curseur ne tourne, ne claque ni ne fait ressort : comment sait-il alors s’il doit emboîter les dents ou les séparer ?

Le modèle est une fermeture métallique agrandie dix fois : un millimètre sur la vraie fermeture devient un centimètre à l’écran. Il comporte 26 dents en laiton sur chacun de deux rubans de tissu, un curseur avec sa tirette, deux butées supérieures et une butée inférieure. Vous pouvez faire glisser le curseur lui-même le long de la chaîne, à la souris ou du doigt, ou utiliser la commande Curseur. L’affichage compte combien des 52 dents sont emboîtées à cet instant. La commande Vitesse ralentit tout, et Voir l’intérieur rend le corps du curseur transparent pour que vous puissiez voir les dents le traverser.

Curseur usé élargit d’une fraction de millimètre l’extrémité étroite du curseur, ce que font des années d’usage sur un curseur bon marché, et vous pouvez observer ce qui arrive aux dents qui en sortent. D’autres commandes font tomber la fermeture en panne de différentes façons : tirer de biais, retirer une dent, écarter les côtés avec ou sans verrou. Coupe du curseur ouvre le curseur au niveau des dents, et Dents en gros plan montre à nouveau trois dents agrandies, qui s’emboîtent au ralenti.

La même chaîne peut être remplacée par six autres fermetures (spirale, plastique moulé, invisible, imperméable, deux curseurs et séparable), redimensionnée du n° 3 au n° 10 et cousue dans une veste, un sac, une porte de tente, une combinaison spatiale ou un jean. Sous les commandes se trouvent un atelier de cinq exercices, un tableau des tailles et une liste de 57 fermetures dans l’histoire et dans l’usage, chacune avec sa source.

Deux rangées de coupelles

Regardez de près une dent sur une fermeture ouverte. Elle est serrée sur le bord épais et à cordon du ruban, et son extrémité libre, la tête, est emboutie en une petite coupelle. Sur une face de la tête, la coupelle fait saillie sous forme de bosse. Sur l’autre face, la même coupelle laisse un creux. Le brevet de Gideon Sundback de 1917 décrit les dents exactement en ces termes : « parties de verrouillage saillantes en forme de coupelle allongée, de sorte que l’extérieur d’un élément s’emboîte dans le creux d’un élément voisin lorsqu’ils sont en position verrouillée ».

Cette phrase explique l’essentiel de la fermeture. Les dents des deux rubans sont décalées : quand la fermeture est close, les têtes alternent donc le long de l’axe central, gauche, droite, gauche, droite. Chaque tête dépasse l’axe et entre dans l’espace entre deux têtes de l’autre côté, et sa bosse se loge dans le creux de sa voisine. Il en résulte une seule colonne de coupelles emboîtées les unes dans les autres, et chaque dent de la colonne est retenue par celles qui se trouvent de part et d’autre.

Tirer les rubans latéralement ne peut pas les séparer, car les bosses devraient sortir tout droit des creux, et les dents voisines les en empêchent. Tirer le long de la fermeture ne peut pas non plus les séparer, puisque les coupelles sont aussi verrouillées entre elles dans ce sens. Le brevet fait ressortir un autre point facile à manquer : toutes les dents sont identiques. Comme elles sont décalées, la même pièce convient aux deux rubans, ce qui permettait de les emboutir à bas prix par millions.

Le canal en Y ferme la chaîne

Si les coupelles ne se séparent que lorsqu’une bosse sort de son creux, il faut que quelque chose la soulève. C’est le rôle du curseur. À l’intérieur se trouve un canal en forme de Y. Les deux branches du Y reçoivent chacune une rangée de dents, et la tige du Y est juste assez large pour la chaîne fermée.

Observez une paire de dents avec Voir l’intérieur activé et la Vitesse réduite. Quand le curseur monte, chaque rangée descend dans sa branche et doit se courber pour entrer dans la tige. Dans le modèle, la courbure ouvre la rangée en éventail : les dents restent serrées l’une contre l’autre au bord du ruban, mais leurs têtes s’écartent, et l’angle entre deux dents voisines d’un même ruban ouvre un espace. Une tête de l’autre rangée glisse dans cet espace en biais. Le temps d’arriver à la tige, la rangée s’est redressée, l’espace s’est refermé, et la bosse est logée dans le creux de sa voisine.

Les revendications de Sundback décrivent les surfaces de guidage qui rendent cela possible. Chaque saillie a une extrémité inclinée « continue avec le côté en creux de l’élément à engager et guidant l’élément coopérant par-dessus lui et jusqu’à l’engagement avec lui ». Autrement dit, une tête qui arrive un peu hors d’alignement est dirigée vers sa place par la pente de la dent suivante.

Le séparateur ouvre la fermeture

Tirez le curseur dans l’autre sens : la tige rencontre maintenant d’abord la chaîne fermée. Du côté large du curseur, entre les deux branches, se trouve un montant plein à pointe arrondie. On l’appelle souvent le losange, et le brevet le décrit comme un capuchon « ayant une pointe qui s’insère entre les canaux divergents ». Ici, on l’appelle le séparateur.

Quand le curseur descend, les branches tirent les deux rangées vers l’extérieur et les courbent de nouveau, de sorte que les espaces entre les têtes s’ouvrent et que chaque bosse peut sortir de son creux. Le séparateur se place dans l’espace qui s’ouvre entre les rangées et maintient les têtes écartées. Il n’a jamais à forcer seul une paire verrouillée : quand une paire arrive à la pointe du séparateur, la courbure l’a déjà libérée. Dans le modèle, on le voit mieux à la vitesse la plus lente, en regardant droit à travers le curseur transparent.

Voilà toute la réponse à la question posée au début. Le curseur ne sait pas dans quel sens il va. Le même canal courbe les rangées dans les deux sens, et l’état final des dents dépend seulement du bout du Y par lequel elles entrent.

Les dimensions du modèle

Les dessins du brevet montrent la forme des dents mais ne donnent aucune dimension : les tailles utilisées ici sont donc des valeurs de modèle, choisies pour ressembler à une fermeture métallique courante et se comporter comme elle. Elles sont listées pour que vous sachiez ce que vous regardez.

• Pas des dents : une dent tous les 2,54 mm sur chaque ruban, soit dix par pouce. Le National Inventors Hall of Fame indique que Sundback est passé de quatre éléments de fermeture par pouce à dix. Il ne précise pas si ce nombre vaut par ruban ou pour toute la chaîne ; l’usage par ruban dans le modèle est donc un choix, pas une mesure.
• Épaisseur des dents : 1,2 mm le long de la chaîne. Deux dents, une de chaque ruban, remplissent un pas avec 0,07 mm de reste entre les faces.
• Tête : dépasse l’axe de 0,9 mm. La coupelle a 0,35 mm de profondeur.
• Canal : les rangées se rejoignent le long d’une courbe qui écarte chaque rangée de 0,05 mm fois le carré de la distance sur les 3 premiers mm, puis se poursuit avec une pente de 0,3, soit environ 17 degrés par rapport à l’axe. À l’entrée, à 10,5 mm du point de réunion des rangées, chaque rangée est à 2,7 mm de l’axe.
• Séparateur : commence à 7,5 mm à l’intérieur du canal et grandit avec l’espace, en restant à au moins 0,45 mm des têtes.

Ces valeurs ont été vérifiées par ordinateur avant la construction du modèle. Pour chaque position du curseur, par pas de 0,16 mm, les surfaces de chaque dent ont été comparées à celles de toutes les dents voisines, aux parois du curseur et au séparateur. Avec un seul curseur, neuf ou usé, et sur la fermeture séparable avec sa broche, aucune de ces surfaces ne se recouvre en aucun point : le modèle ne laisse donc jamais des dents se traverser pendant la fermeture et l’ouverture.

Il y a trois endroits où la vérification trouve effectivement un chevauchement, et le modèle le montre au lieu de le cacher. Derrière une ouverture provoquée par une traction de biais, autour d’une dent manquante et à l’endroit où les rangées arrivent dans le curseur inférieur d’une fermeture à deux curseurs, les rangées se referment en montant sans que le canal du curseur les guide. Les dents rigides du modèle se rencontrent alors presque de face et se recouvrent jusqu’à 0,6 mm. Une vraie dent se tord un peu et le ruban cède, de sorte que la même transition se produit sans que le métal traverse le métal.

Un nombre se lit directement sur l’affichage. Avec le curseur à la butée inférieure, 2 des 52 dents sont encore emboîtées. Avec le curseur en haut, les 52 le sont. Entre les deux, chaque pas de 2,54 mm parcouru par le curseur emboîte ou sépare une dent de chaque ruban.

Butées et tirette

Sans butées, le curseur sortirait par l’une ou l’autre extrémité. En haut, chaque ruban porte une petite agrafe métallique au-delà de sa dernière dent. Ces butées supérieures glissent dans les branches du curseur et l’empêchent d’aller plus loin. En bas, une seule agrafe, la butée inférieure, tient les deux rubans ensemble sous les premières dents, si bien que la fermeture ne peut pas s’ouvrir au-delà. Le brevet de Sundback prévoit déjà les deux : des éléments d’arrêt à une extrémité qui « passent dans le curseur et limitent le mouvement de fermeture du curseur quand ils se heurtent », et des liens de fixation qui joignent les deux demi-chaînes à l’autre extrémité.

La tirette pend à un petit pontet au sommet du curseur. Dans le brevet, le curseur a « un anneau dans lequel on peut placer un ruban ou un arceau de manœuvre ». Dans le modèle, la tirette pivote pour pointer dans le sens où vous tirez et retombe quand vous la lâchez, comme une vraie.

Pourquoi une fermeture se rouvre

Une fermeture qui s’ouvre derrière le curseur n’a pas toujours une dent cassée. Le curseur est la pièce qui réunit les éléments : un curseur dont le canal s’est usé ou a été écarté peut cesser de presser les deux rangées assez fort pour qu’elles s’emboîtent, même quand toutes les dents sont intactes.

Le modèle permet de le voir. Activez Curseur usé et montez le curseur. L’extrémité étroite du curseur est maintenant plus large qu’elle ne devrait l’être : les rangées arrivent à la tige sans être complètement pressées l’une contre l’autre. Les têtes sortent côte à côte, avec leurs bosses posées en dehors des creux au lieu d’y être logées. Rien ne les retient, et la fermeture reste ouverte derrière le curseur. Le nombre de dents emboîtées affiché cesse d’augmenter.

Une réparation domestique courante consiste à resserrer très légèrement l’arrière du curseur avec une petite pince. Allez-y doucement : un curseur est une petite pièce moulée qui peut se fissurer. Si le curseur est seulement dur, le catalogue de YKK demande de ne pas forcer, car les dents risqueraient alors de s’engager de travers ; frottez plutôt de la paraffine ou de la cire sur les deux faces des dents et faites aller et venir le curseur.

Sept fermetures à comparer

La fermeture métallique est le plus ancien type, et celui que Sundback a breveté. Le catalogue de YKK décrit aujourd’hui trois familles : métal, spirale et plastique moulé (le nom que YKK donne à ce dernier est VISLON). La commande Type de fermeture et les boutons de l’atelier sous les commandes placent chacune d’elles sur la scène. Toutes partagent le même curseur et la même disposition de chaîne : le principe vu plus haut s’applique donc sans changement.

Spirale. Au lieu de dents séparées, un seul fil de plastique, en polyester ou en nylon, est enroulé en spirale le long du bord de chaque ruban. Chaque tour de la spirale forme une tête, et les têtes des deux spirales s’emboîtent dans le curseur comme le font les têtes métalliques. Le catalogue la qualifie de plus souple des trois types. Elle se plie facilement, c’est pourquoi le modèle la place sur les portes de tente, où la fermeture suit une courbe. La chronologie des produits de YKK mentionne les fermetures en nylon en 1952.

Plastique moulé. Ici, chaque dent est injectée directement sur le ruban. Le catalogue indique comme matériau le polyacétal (POM) et dit que la fermeture est plus légère qu’une fermeture métallique de même taille. Les dents sont plus massives que celles en métal, avec un grand bloc au-dessus du cordon et une coupelle large et peu profonde. YKK a vendu ce type pour la première fois en 1961 sous le nom de fermeture Delrin.

Invisible. Une fermeture à spirale cousue de sorte que le ruban se replie sur la spirale. De face, on voit deux bords repliés qui se rejoignent, pas de dents. La chronologie de YKK date sa fermeture CONCEAL de 1958, et le catalogue la propose pour les robes et les jupes parce qu’elle n’interrompt pas le tissu. Activez Voir l’intérieur pour regarder à travers le pli.

Imperméable. Une spirale peut aussi être utilisée tournée vers l’intérieur, avec la spirale au dos. La fermeture AquaGuard de YKK est fabriquée ainsi de série, avec un film de polyuréthane laminé sur le ruban. Les deux bords du film se rejoignent au milieu et couvrent les coutures. Une autre conception, PROSEAL, retient l’eau et l’air grâce à des dents en maillechort pressées fortement l’une contre l’autre sur un ruban de caoutchouc ou de plastique ; le catalogue la spécifie pour une pression d’eau de 0,2 à 1,0 bar et compte un test d’étanchéité à l’air comme réussi lorsqu’aucune bulle ne monte pendant 15 secondes.

Deux curseurs. Le catalogue montre des doubles curseurs disposés tête à tête et dos à dos. Le modèle a le type dos à dos. Le curseur supérieur fonctionne comme d’habitude. L’inférieur est retourné, son côté large tourné vers le bas : poussé vers le haut depuis le bas, il sépare la chaîne en dessous de lui, et entre les deux curseurs la chaîne reste fermée. Faites glisser l’un ou l’autre curseur, ou utilisez la commande Curseur inférieur.

Séparable. Une veste doit pouvoir s’ouvrir entièrement : elle n’a donc pas de butée inférieure. Le catalogue en nomme les pièces : un boîtier de retenue sur un ruban, une tige du boîtier, et une broche d’insertion sur l’autre ruban. Le curseur repose sur le boîtier. La broche d’insertion traverse le curseur jusque dans le boîtier, ce qui aligne les deux rangées pour que le curseur puisse les engager. Les instructions du catalogue sont de descendre complètement le curseur jusqu’au boîtier, d’enfoncer la broche à fond, de tenir le côté de la broche et de remonter le curseur. Utilisez la commande Insérer la broche pour retirer la broche et la remettre.

Le numéro indique la largeur de chaîne

Le numéro imprimé sur une fermeture n’est pas un code de modèle arbitraire. Le catalogue de YKK classe les fermetures selon la largeur de chaîne, c’est-à-dire la largeur des dents emboîtées, d’après la norme japonaise JIS S 2015:2019. Le n° 3 relève de la classe Légère (4,0 à 5,5 mm), le n° 5 de la classe Moyenne (5,5 à 7,0 mm), le n° 8 de la classe Moyenne-forte (7,0 à 8,5 mm) et le n° 10 de la classe Forte (8,5 à 12,0 mm). Le tableau de l’atelier les liste.

La norme fixe aussi des résistances. Tirée latéralement en travers de la chaîne, une fermeture moyenne en métal ou en plastique sur ruban en fibres chimiques doit tenir 300 N, et une fermeture à spirale 450 N. Un curseur métallique verrouillé sur une fermeture métallique n° 5 doit tenir 40 N avant de bouger. Le modèle n° 5 a une largeur de chaîne de 6,6 mm, à l’intérieur de sa classe. La commande Taille met l’ensemble du modèle à une largeur de chaîne située dans chaque classe : 4,8, 6,6, 7,8 et 10 mm.

La taille compte aussi pour le tissu. Un des rapports de problèmes du catalogue concerne une fermeture n° 3 utilisée sur une matière épaisse, dont les pièces du bas se sont cassées ; la réponse donnée est d’utiliser du n° 4 ou plus sur un tissu épais.

Pourquoi le curseur tient fermé

Les premières fermetures n’avaient pas de verrou, et YKK explique simplement le problème : en marchant, la gravité pouvait faire descendre le curseur et ouvrir les vêtements. Un ergot de verrouillage y remédie. Dans un curseur à verrou automatique, un petit ergot caché dans le curseur tombe entre les dents dès qu’on lâche la tirette, de sorte que le curseur ne peut plus bouger. Tenir la tirette et tirer relève l’ergot. Un curseur de jean est semi-automatique : il se verrouille quand la tirette est rabattue à plat. Un curseur à verrou à ergots a des ergots sous la tirette qui sont enfoncés entre les dents.

Dans le modèle, la commande Ergot de verrouillage montre l’ergot sous le pontet. Activez Écarter les côtés, puis désactivez le verrou : la traction du tissu pousse le curseur vers le bas et la fermeture s’ouvre petit à petit, comme le devant d’une veste qui s’ouvre tout seul. YKK Asia cite les bagages comme principal usage des curseurs sans verrou, où un curseur qui bouge librement est ce que l’on souhaite.

Les modes de panne

L’atelier présente une rangée de boutons qui règlent chacun une panne, et la liste des problèmes et solutions du catalogue explique la plupart d’entre elles.

• Traction de biais. Le catalogue prévient que, si le curseur d’une fermeture invisible est tiré en diagonale vers le haut, les dents se déforment et cessent de s’emboîter, et que forcer davantage la casse. Dans le modèle, un angle de traction de plus de 12° (valeur du modèle) laisse les rangées non emboîtées derrière le curseur. Pour réparer, redressez la traction, descendez le curseur au-delà des rangées ouvertes, puis remontez-le.
• Une dent manquante. Quand une dent a disparu, les dents voisines de l’espace n’ont plus rien pour les retenir. Tant que l’espace est sous le curseur et que le tissu écarte les côtés, la chaîne s’ouvre à cet endroit. L’exercice de l’atelier demande où le curseur doit s’arrêter pour que la fermeture tienne.
• Un curseur usé. Décrit plus haut : les rangées sortent du curseur côte à côte sans être emboîtées.
• La broche pas complètement insérée. Sur une fermeture à extrémité ouverte avec une spirale fine, on peut forcer le curseur vers le haut avec la broche à moitié seulement dans le boîtier, ce qui abîme les pièces du bas.
• Un sac trop rempli. Forcer la fermeture d’un sac trop rempli casse les dents et le ruban. Retirez d’abord quelque chose et rapprochez les deux côtés.
• Du tissu coincé. Déplacez doucement le curseur dans l’autre sens tout en dégageant le tissu.
• Chaleur et produits chimiques. Les limites de repassage du catalogue sont de 160 °C pour les fermetures à spirale et invisibles, de 150 °C pour sa FLATKNIT tricotée et de 130 °C pour la VISLON moulée. Le soufre des élastiques corrode les dents, et certains curseurs contiennent du nickel ; des pièces sans nickel existent donc pour le contact avec la peau.

Des fermetures qui retiennent l’air

Les combinaisons pressurisées sont le travail le plus difficile qu’une fermeture ait connu. La fiche de la NASA sur les combinaisons du projet Mercury, une tenue de vol de la Navy modifiée et fabriquée par B.F. Goodrich, termine la séquence d’habillage en fermant la fermeture d’entrée et en rabattant par-dessus le curseur un renfort à pression. La conception Mark V de Goodrich pour Apollo, aujourd’hui au National Air and Space Museum, avait une fermeture diagonale en travers du torse, mais elle était trop large pour trois astronautes assis côte à côte.

Selon la brochure du site historique de l’ASME, la combinaison Apollo utilisait deux fermetures dans le torse : une fermeture intérieure étanche à la pression, qui retenait l’oxygène, et une fermeture extérieure par-dessus qui reprenait les efforts, de sorte que la fermeture de pression n’était jamais sollicitée. Cette fermeture intérieure ne durait pas longtemps. Un article de la NASA sur la combinaison de la navette indique que la fermeture étanche de la combinaison Apollo pouvait supporter environ 50 cycles d’ouverture et de fermeture, et que chaque tenue de vol Apollo nécessitait environ trois remplacements avant le lancement. La combinaison de la navette l’a remplacée par un anneau métallique reliant le haut et le bas du torse.

La commande Cousu dans place la fermeture du modèle dans une veste, un sac, une porte de tente, une combinaison blanche ou un jean. Le tissu est une texture à la même échelle que la fermeture ; il sert à montrer où vont les rubans, pas à copier un objet précis.

Les différences avec la réalité

Une vraie fermeture a du jeu. Dans le brevet de Sundback de 1917, chaque dent est une petite coupelle dont l’extérieur s’emboîte dans le creux de la dent suivante, et les saillies et les creux sont proportionnés de sorte qu’aucun ne touche un autre quand la fermeture est pliée latéralement. Le modèle a des dents rigides : il fait donc de la place en courbant les rangées un peu plus qu’une vraie fermeture ne le fait.

Les rubans du modèle sont une texture tissée dessinée par le code et restent à plat sur la table. Les vrais rubans sont cousus dans un vêtement et tirent latéralement sur les dents, ce qui explique en partie pourquoi un curseur usé provoque une ouverture qui s’agrandit. Le curseur est construit à partir de plaques simples ; un vrai curseur est une pièce moulée d’un seul tenant, dont la forme intérieure varie plus progressivement.

Les fermetures à spirale et en plastique moulé utilisent la même disposition de chaîne que celle en métal, avec leurs propres formes de dents ; leur espacement est donc un choix du modèle. Le pli de l’invisible, le film de l’imperméable et le tissu sont des surfaces qui suivent les bords des rubans. Le curseur inférieur de la fermeture à deux curseurs ne peut pas descendre à moins de 18,6 mm du bas dans le modèle, car en dessous son séparateur couperait les dents ; un vrai curseur inférieur repose plus près de la butée inférieure.

Des agrafes à la fermeture sans crochets

Whitcomb Judson, de Chicago, a reçu deux brevets le 29 août 1893, l’un pour un « système de fermeture de chaussure » et l’autre pour un « dispositif d’agrafage et de désagrafage pour chaussures ». Le Lemelson-MIT Program note que le prototype « se bloquait fréquemment » mais fonctionnait, et que Judson et son associé Lewis Walker l’avaient cousu dans leurs propres bottes. Judson a présenté ce dispositif à l’Exposition universelle de Chicago en 1893, où le public l’a largement ignoré. Son dispositif utilisait des crochets et des œillets, pas des coupelles, et il était destiné à remplacer les lacets, pas à fermer des vêtements.

L’entreprise fondée par Judson et Walker a engagé en 1906 Gideon Sundback, un ingénieur suédois. Sundback a repensé la fermeture, et Lemelson date de 1913 la version plus fiable. Sa demande pour la fermeture séparable décrite plus haut a été déposée le 27 août 1914 et accordée le 20 mars 1917 sous le brevet américain 1,219,881, cédé à la Hookless Fastener Company de Meadville, en Pennsylvanie. Le National Inventors Hall of Fame lui attribue aussi la machine qui fabriquait les dents, en les découpant dans un fil spécial en forme de Y et en les sertissant sur le ruban.

Le nom est venu plus tard. La B. F. Goodrich Company a utilisé la fermeture sur des bottes de caoutchouc en 1923 et l’a appelée zipper, d’après le bruit. Le National Museum of American History du Smithsonian conserve une botte Goodrich Zipper originale, et le modèle de brevet de Sundback, 12 pouces sur 1 pouce de métal et de tissu, est exposé dans son exposition American Enterprise. Le musée note que la fermeture éclair n’a été largement utilisée sur les vêtements que dans les années 1930, lorsqu’elle a remplacé les boutons des braguettes de pantalons d’hommes.

À Tokyo, Tadao Yoshida a fondé San-S Shokai en janvier 1934 pour fabriquer et vendre des fermetures, et a déposé la marque YKK en 1946. La chronologie de YKK parcourt ensuite la plupart des fermetures présentes sur cette scène : les fermetures en nylon en 1952, l’invisible CONCEAL en 1958, la fermeture moulée Delrin (aujourd’hui VISLON) en 1961, la fermeture étanche à l’eau et à l’air aujourd’hui appelée PROSEAL en 1983. L’entreprise dit fabriquer aujourd’hui plus de trois millions de kilomètres de fermetures par an, et que plus de 100 000 types de fermetures sont enregistrés comme ses produits au Japon seulement.