Tendances : du nouveau dans le monde virtuel

Produits et processus de production sont déjà développés et testés dans des environnements virtuels. Mais les transposer dans le monde réel reste un défi. Alors que Siemens progresse dans cette voie, de nouvelles possibilités se présentent, comme les usines autoconfigurables et les sites Web interactifs permettant aux clients de concevoir leurs propres produits.

environnement virtuell
L’environnement virtuel permet de visualiser et de tester les futurs processus de production ainsi que les produits.

De minuscules composants avancent, inexorablement, sur les chaînes de production automatisées. L’une d’elles assemble des cartes de circuit imprimé pour des systèmes d’automatisation. Un autre produit des contacteurs pour moteurs. Une troisième fabrique des boutons-poussoirs.

Trois équipes se relaient pour assurer la production continue dans une usine de Siemens Automation and Drives (A&D), près d’Amberg, à l’est de Nuremberg. Cette usine fait partie des 23 sites de Siemens répartis à travers le monde qui fabriquent des composants pour le marché de l’automatisation - un marché de 121 Md€ annuels, quasiment insatiable grâce à sa capacité à faire économiser temps, argent et énergie. Pour répondre à la demande de produits actuels et futurs, le site d’Amberg a décidé de créer son double numérique. Sous la direction du chef de projet Holger Griesenauer, 10 ingénieurs ont recours à des outils perfectionnés d’optimisation et de simulation d’usine et de processus développés par UGS – depuis peu Siemens PLM Software – pour intégrer les spécifications de chaque produit fabriqué et de chaque machine utilisée, ainsi que les interconnexions entre ces dernières.

« À l’issue de cette étape, nous serons en mesure d’inclure les processus de production à l’environnement virtuel, de les tester avec précision et d’obtenir la certitude que nous pouvons répondre aux demandes des clients avant d’apporter des modifications à l’usine réelle », explique Holger Griesenauer. « Cela nous permettra d’économiser du temps et de l’argent, d’optimiser les processus de production et de réduire les temps d’arrêt. De plus, les ingénieurs des 23 sites disposeront d’une base de données commune pour développer et tester des solutions personnalisées, indépendamment de leur situation géographique ».

Allier cycles de vie et chaînes logistiques

Pour passer des méthodes traditionnelles (schémas papier, classeurs Excel et solutions de CAO locales) aux bases de données interactives autorisant l’utilisation multisite d’images fonctionnelles en 3D, les usines telles que celle d’Amberg s’appuient sur une technologie avancée basée sur le concept de PLM (Product Lifecycle Management, gestion du cycle de vie des produits).

Le PLM implique l’intégration et la documentation de l’ensemble des informations relatives à un produit - matières premières, fournisseurs, conception, fabrication, livraison, maintenance, élimination - dans une base de données unique et transparente. Aujourd’hui, ce processus prend de l’ampleur. Les solutions isolées et autonomes appliquées à la conception de produits, à la production et aux services seront bientôt réunies en un système intégré unique. Mais l’approche PLM d’un produit n’est complète que si elle tient compte de l’approche SCM (Supply Chain Management, gestion de la chaîne logistique), qui fournit un aperçu des données financières et logis tiques du produit. A l’horizon 2020, l’intégration des logiciels nécessaires à la mise en œuvre de l’approche PLM-SCM d’un produit sera si globale que chaque aspect du cycle de vie du produit pourra être simulé, ce qui permettra sa mise en service virtuelle et la génération automatique d’une solution de production dans le monde réel. Bien que la technologie de simulation orientée PLM-SCM soit encore récente, elle transforme radicalement le comportement des entreprises. D’après AMR Research, société de conseil experte en optimisation de la chaîne logistique, près de 20 % des modifications de produits et de méthodes de production sont réalisées dans le monde virtuel.

Et pour cause. Des études menées par le Fraunhofer Institute indiquent que les technologies de simulation avancées telles que celles mises en œuvre à Amberg et au sein de Siemens Transportation Systems, à Krefeld, en Allemagne, se traduisent par une accélération de 15 % de la phase de mise en cadence (« ramp-up »), une augmentation de 10 % de la productivité, une baisse de 20 % des coûts de planification des nouvelles installations de production et une amélioration de 15 % de la qualité des produits. La simulation n’offre pas uniquement des avantages d’ordre économique. En effet, elle représente la seule réponse réaliste aux grandes tendances qui affectent la plupart des entreprises, à savoir l’individualisation et la complexification accrues des produits, la fragmentation des chaînes de valeur et la pression incessante qui oblige à passer de la simple idée de produit à la commercialisation en un temps record.

Siemens tendances
Qu’il s’agisse de visualiser une chaîne de production (à gauche) ou de planifier toute une usine (à droite), la simulation peut optimiser chaque étape de la production.

Autoconfiguration des usines

La nécessité de recourir davantage à la simulation s’explique notamment par l’abandon, par Siemens, d’activités liées aux biens de consommation courante (dans le secteur des communications et des pièces automobiles) au profit d’activités de projets concernant des produits fabriqués en petite quantité, tels que les locomotives et les turbines d’éoliennes. « Chaque commande de projet étant unique, la simulation joue un rôle important en termes d’accélération de la phase de ramp-up », commente Robert Neuhauser de Siemens Corporate Supply Chain and Procurement et l’un des porte-drapeaux de l’initiative commune « Innovation and Manufacturing » récemment engagée par le Groupe.

Dans ce contexte, Siemens prévoit une évolution des sites de production actuels vers des usines numériques intelligentes. « Les représentations numériques des usines permettront de moderniser les infrastructures bien plus rapidement et précisément qu’à présent », indique Ralf-Michael Franke, responsable du service Industrial Automation Systems d’A&D. « Une fois installés dans l’usine réelle, les équipements pourront s’autoconfigurer et communiquer entre eux, d’où la suppression des délais de mise en route. Les processus de production seront capables de s’optimiser voire de se corriger eux-mêmes en cours d’utilisation. Le réel et le virtuel seront de plus en plus imbriqués ».

Gerd Ulrich Spohr, responsable du département Technology Strategy d’A&D, anticipe le rapprochement entre ces deux mondes : « Nous voulons que les machines et les processus réels génèrent des informations permettant de créer leurs répliques virtuelles afin que, lorsque l’usine réelle nécessite des changements, nous soyons capables de simuler une solution avec une telle précision que le logiciel destiné à modifier le comportement de la machine se développe automatiquement. Notre vision est celle d’un processus intégré, unique et n’exigeant que très peu d’interventions manuelles, et nous espérons la concrétiser d’ici 10 ans ».

Le défi de la mécatronique

Avant cela, toutefois, Siemens va devoir relever le défi de la mécatronique - une sorte d’« Everest technologique » où les données liées aux caractéristiques mécaniques et physiques des objets sont combinées à leurs fonctions logicielles et électroniques dans des prototypes virtuels dynamiques en temps réel.

Pour ce faire, il va falloir surmonter les difficultés dues au fait que l’ingénierie mécanique, électronique et logicielle sont trois « disciplines qui se sont développées individuellement, avec leurs propres outils d’aide à la conception », comme le souligne Bernhard Nottbeck, responsable du service Production Processes de Siemens Corporate Research and Technology (CT). « Si nous parvenons à les combiner, nous réaliserons de formidables progrès. »

Mais il ne s’agit pas seulement de créer un prototype global combinant les systèmes : les développeurs doivent aussi tenir compte de nombreux paramètres physiques (température, pression, champs magnétiques…) dans le monde virtuel. « Les interactions entre ces forces se soldent par une explosion de la complexité », précise Albert Gilg, responsable du département Virtual Design de Siemens CT.

Ces défis pourront-ils être relevés par Siemens ? Les pièces maîtresses de la vision intégrée du Groupe commencent à s’assembler, comme l’atteste l’annexion récente de Siemens PLM Software à A&D. Sa vaste gamme de produits sera en outre bientôt complétée par la suite Simatic Automation Designer d’A&D qui, selon Wolfgang Schlögl, chef de projet, « permet aux ingénieurs mécaniciens, électroniciens et automaticiens de travailler ensemble sur des projets communs ». Alliée aux outils de simulation de Siemens PLM Software, cette technologie pourrait donner naissance à un nouveau mode de développement des produits, dans lequel les informations de fabrication seraient générées automatiquement à partir des spécifications du produit.

« Par exemple, si un concepteur spécifie les caractéristiques de surface d’un produit, le système choisira automatiquement le processus de production approprié », explique Wolfgang Schlögl. « En combinant tous ces éléments, on peut même envisager une technologie qui, s’appuyant sur des simulations extrêmement précises, configure automatiquement l’usine et les processus de fabrication. »

Des débuts de réponses

La vision de Siemens inclut bien d’autres aspects. Ainsi, les chercheurs du service Software and Engineering (SE) de CT étudient comment structurer les informations de fabrication afin qu’elles puissent être transmises de façon transparente, sans requérir plusieurs saisies. « Nous sommes désormais en mesure de déterminer si différents outils logiciels fonctionneront correctement ensemble », annonce Ulrich Löwen, responsable du département Systems Engineering de SE.

À Princeton, New Jersey, George Lo et ses collaborateurs de Siemens Corporate Research (SCR) travaillent à la reconceptualisation des hiérarchies logicielles centralisées dans les systèmes de production en vue de favoriser leur viabilité. « Nous développons un système doté de contrôleurs hautement distribués capables de se reconfigurer eux-mêmes après un événement critique, afin d’assurer la continuité des opérations essentielles. ».

Dans le but de créer des environnements à la fois ouverts et transparents autorisant l’interaction entre simulations et machines réelles, SCR et A&D testent actuellement une plateforme logicielle basée sur des modèles sémantiques communs. « Si vous demandez à plusieurs personnes de dessiner une maison, vous obtenez autant de modèles qu’il y a de personnes. Il en va de même pour les logiciels utilisés par nos entités. Mais si nous parvenons à uniformiser la sémantique, la communication sera beaucoup plus efficace », poursuit George Lo. Où ces développements vont-ils nous mener ces 20 prochaines années ? « Nous allons vers une représentation virtuelle de l’ensemble de la chaîne de valeur, c’est-à-dire tout, depuis les matières premières jusqu’à la maintenance à vie et aux services à distance en passant par la planification des produits et de la production, dans un environnement PLM-SCM global et transparent », prévoit Paul Camuti, Directeur général de SCR. « Dans 20 ans, les mondes réel et virtuel seront parfaitement intégrés. Nos simulations copieront la réalité dans ses moindres détails. Il en résultera une souplesse de production quasi illimitée. »

Il se peut également qu’on assiste à un bouleversement des schémas de vente et d’achat. Certains magasins de confection ont déjà adopté le « sur-mesure de masse ». Mais avec l’avènement de la technologie de simulation, les bornes high-tech et les sites Web interactifs qui nous relient aux fabricants nous permettront de visualiser, personnaliser et tester toutes sortes de produits - téléphones, scooters, vêtements, mobilier… - et pourquoi pas de nous projeter nous-mêmes dans un monde virtuel.

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Auteur : Arthur F. Pease