Le jumeau numérique au service de l'industrie 4.0

Cette conférence a abordé l’utilisation et l’apport d’un jumeau numérique pour la mise en place d’une usine 4.0, au regard de divers aspects tels que la modélisation et la prédictibilité.

Geoffroy Jennes, Ingénieur Digitalisation 4.0 chez Safran Blades nous a présenté le cas d’usage concret d’un jumeau numérique et sa plus-value dans le cadre de la mise en place de la nouvelle usine de forge de précision de Safran Blades, à Marchin.

Safran Blades est un centre d’excellence du Groupe Safran dont le métier est la forge de précision et une capacité d’usinage de pointe pour la production d’aubes de compresseur en titane. L’enjeu concurrentiel fort, aujourd’hui, de porter l’élément 4.0 au cœur de cette usine est double :

• L’automatisation : gain de productivité, processus sensibles centrés et répétitifs, automatisation raisonnée (centrée sur la valeur ajoutée) ;
• La digitalisation (gestion de la donnée) : atelier robuste, amélioration du processus de fabrication, optimisation de la qualité, gestion du flux des pièces, jumeau numérique pour tester les modifications en grandeur réelle et les améliorer, rendre l’usine intelligente.

Par rapport au métier de Safran Blades, la ligne directrice pour l’implémentation du 4.0 est de répondre aux besoins et enjeux suivants :

• Le takt-time (temps entre la sortie des pièces) de 34 sec à 19 sec ;
• Des normes métrologiques et de suivi de recette aéronautique ;
• La prise de décision sur pièce le plus tôt possible dans la production, le plus rapidement possible pour garder les cycles de production et de manière totalement tracée, à la pièce ;
• L’analyse de déviance de production et de comportement machine pour une maintenance prédictive et prescriptive.

Afin de bien repositionner le jumeau numérique, Geoffroy Jennes a passé en revue les 9 piliers de l’usine digitale (instrumentation des machines en T-1, communication et réseau, architecture système pensée pour interagir avec le volume des données, Manufacturing Execution System (MES4.0), intelligence artificielle...). Aussi, il a expliqué que dans une usine orientée sur les données, il y a 4 grandes typologies de données que l’on mesure : celles liées à l’ordre de fabrication et de fabrication de pièce, d’une part, et les données « machine » et ressources énergétiques, en lien avec le fonctionnement de l’usine, d’autre part.

Avant d’aborder l’outil réel qui a été créé pour la nouvelle usine complètement digitale de Marchin, Geoffroy Jennes a défini le jumeau numérique dans l’industrie 4.0 en 5 points :

1. Représentation virtuelle : modèle numérique en temps réel d’un actif physique, processus ou système, reflétant fidèlement son état, son comportement et ses performances ;
2. Intégration de données : connecté à des capteurs IoT pour collecter, analyser et visualiser des données en continu ;
3. Simulation et prédiction : utilisé pour simuler des scénarios, optimiser les processus et prévoir les défaillances ou besoins de maintenance ;
4. Cycle de vie complet : couvre toutes les phases, de la conception à l'exploitation et au démantèlement ;
5. Décision augmentée : outil d’aide pour prendre des décisions éclairées grâce à des analyses basées sur des données réelles et simulées.

Un jumeau numérique permet ainsi d’améliorer l'efficacité, de réduire les coûts et d'innover plus rapidement dans un contexte industriel.

Dans l’usine Safran Blades, les 4 leviers principaux de la mise en place du jumeau numérique, outre l’enjeu de communication sont :

• La modélisation de l’usine avec une représentation 3D telle qu’elle va être déployée, la création d’objets en mouvement... pour aider au positionnement des machines ;
• Définir le design et l’ergonomie les plus efficaces des nouvelles cellules afin d’affiner le design des machines (aspect PMO et Invest) ;
• Analyser et valider des flux de production (simulation de processus, modélisation CONWIP et analyse « réaliste ») ;
• Analyser et simuler « hors ligne » des procédés de fabrication (modélisation des procédés de fabrication et analyse « réaliste »).

Aujourd’hui, l’usine est en phase d’industrialisation de pièces. Les défis à venir, quand elle sera en phase de production, consisteront à intégrer « en live » le jumeau numérique en vue d’analyser les données de façon synchrone et d’améliorer en continu le modèle.

La présentation de Geoffroy Jennes a ensuite été suivie d’un moment d’échanges avec Olivier Brüls et Eric Béchet, respectivement Professeur et Chargé de cours à la Faculté des Sciences Appliquées, Aérospatiale et Mécanique de l’ULiège.

De la discussion, retenons que :

• Le jumeau numérique n’est pas une fin en soi, il constitue une réponse à un besoin ;
• Il y a 3 grandes possibilités d’implémentation du jumeau numérique :
  o Modèle numérique 3D (hors ligne pour simuler, concevoir l’usine)
  o Ombre numérique (lien avec la ligne plus ou moins synchrone)
  o Jumeau numérique totalement intégré (échange de données dans les deux sens)
• Le jumeau numérique permet d’affiner des procédés et de les rendre répétables. Il permet de comprendre le passé et ensuite de prédire/simuler le futur ;
• Dans le cadre de l’usine Safran Blades, le jumeau numérique est décorrélé de la ligne de production. En termes de synchronisation des données et de communication bidirectionnelle, d’autres outils comme le MES ont une vue beaucoup plus transversale (MES = chef d’orchestre de la ligne) ;
• Les ressources nécessaires pour implémenter un jumeau numérique sont abordables à tous niveaux (ressources humaines et IT) pour une entreprise de petite taille ;
• La collaboration avec le monde académique/scientifique est intéressante pour l’industrie en vue de modéliser et trouver des applications de terrain.

Pour conclure, le jumeau numérique permet la modélisation 3D de l'usine, facilite la définition et la validation des flux de fabrication, permet de mettre au point toutes les étapes d’automation et de robotisation de la ligne de production ainsi que la modélisation des procédés de fabrication.

L’ensemble de ces tâches pouvant se faire de manière « hors-ligne », en assurant la continuité des opérations.