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Zu Beginn des 21. Jahrhunderts ging TAG Heuer völlig neue Wege für die Fertigung von Uhren und deren Uhrwerken.
Diese Innovationen bieten eine rekordverdächtige Präzision in Uhren, in denen sich ihre Spitzentechnologie widerspiegelt.
Die Monaco V4 Concept Watch führte einen völlig neuen Ansatz für den Antrieb einer mechanischen Uhr ein. Ihre Konstruktion erinnert an einen Rennsportmotor. Diese radikale Uhr nutzte zur Energieerzeugung einen Barren auf einem Kugellager, kleine Riemen, um diese Energie zu übertragen, und vier Federhäuser, die optisch einen Motorblock imitieren. Die Gehäuse der Monaco V4 waren unter anderem aus Platin, Titan, Carbon-Matrix-Verbundwerkstoff und Roségold gefertigt. TAG Heuer feierte das 10-jährige Jubiläum des Modells mit einer Tourbillon-Variante.
2004 führte TAG Heuer die Aquaracer Uhrenserie ein, deren Wurzeln bis zu den ersten Heuer Taucheruhren aus den frühen 1980er-Jahren zurückreichten. Die erste Aquaracer Generation bot eine Wasserdichtigkeit bis zu einer Tiefe von 300 Metern, während die darauffolgende Generation (aus dem Jahr 2009) diesen Wert auf 500 Meter steigerte. Die Aquaracer Modelle verwenden eine große Vielfalt an Materialien, Farben und Uhrwerken und wurden allesamt dazu entwickelt, einem Taucher eine gut ablesbare, zuverlässige Uhr zu bieten.
Im Jahr 2010 brachte TAG Heuer sein erstes eigenes Chronographenwerk auf den Markt, das Calibre 1887. Das Calibre 1887 ist ein integriertes Uhrwerk mit einem Säulenrad und der gleichen Art Schwingtrieb, wie es Heuer in 1887 patentiert hatte. Das Uhrwerk Calibre 1887 trieb eine neue Generation an TAG Heuer Carrera Chronographen an und sollte als Basis für das hauseigene Uhrwerk Heuer 01 dienen.
Mitte der 2000er-Jahre entwickelte TAG Heuer eine Werkstatt, in der hoch moderne Technologien entwickelt und angewendet werden, um eine sehr begrenzte Anzahl an innovativen Uhren herzustellen - alle in Handarbeit. Der Mikrograph (2011) verwendete ein integriertes Uhrwerk, um eine Präzision von 1/100-Sekunde zu bieten, mit einem zentralen Chronographenzeiger, der jede Sekunde eine vollständige Umdrehung vollführte. Die Mikrotimer Flying 1000 erhöhte die Präzision dieses TAG Heuer Mechanismus mit extrem hoher Frequenz auf 1/1.000-Sekunde, mit einem zentralen Chronographen-Sekundenzeiger, der 10 Umdrehungen pro Sekunde vollführte. Der Name leitete sich von der Heuer Microtimer aus dem Jahr 1966 ab, einem elektronischen Timer, der weltweit erstmals eine Präzision von 1/1.000-Sekunde bot. Der letzte Zeitmesser dieser Serie war die Mikrotimer aus dem Jahr 2012, die es auf eine Präzision von 5/10.000-Sekunden brachte. Die TAG Heuer Carrera "Pendulum", eingeführt im Jahr 2010, verwendete anstatt der traditionellen Spiralfeder Magnete zur Kontrolle des Uhrwerks. TAG Heuer erweiterte die Pendel-Technologie, als die Marke die Mikropendulum Tourbillon vorstellte, die eine Präzision von 1/100-Sekunde und ein Tourbillon bot, während die MirkopendulumS zwei magnetische Pendel und ein doppeltes Tourbillon besaß.