Industries
Now Reading
L’usine du futur, l’industrie 4.0 et la fabrication additive

L’usine du futur, l’industrie 4.0 et la fabrication additive

by Gaëtan Lefèvre17 juin 2016
Partage :

Le développement de nouvelles technologies comme les technologies de l’information et des communications (TIC), le projet de l’Industrie 4.0 et d’« usine intelligente » (Smart Factory) impactent la fabrication additive. Parallèlement, cette technologie fournit des procédés de fabrication flexibles et adaptatifs à cette nouvelle vision industrielle. A3DM Magazine s’est mis en marche vers un monde moderne.

Par Giorgio Magistrelli, expert en fabrication additive, gestionnaire d’entreprise et de projets.

 

L’industrie est un pilier fondamental de l’économie européenne. Le secteur manufacturier dans l’Union européenne (UE) représente 2 millions d’entreprises, 33 millions d’emplois et 60 % de la croissance de la productivité. L’Europe envisage d’augmenter la part du PIB du secteur manufacturier à 20 % en 2020. « L’agenda Europe 2020 » de la Commission européenne vise à devenir « une économie intelligente, durable et inclusive », tout en atteignant des niveaux élevés d’emploi, de productivité et de cohésion sociale. Le projet repose sur cinq objectifs ambitieux : l’emploi, l’innovation, l’éducation, l’inclusion sociale et le climat / énergie – à atteindre d’ici 2020. Il met en place sept « initiatives phares ». Parmi ces stratégies, le développement de l’innovation joue un rôle clé dans quatre politiques.

  • L’union de l’innovation pour améliorer les conditions- cadres et l’accès au financement pour la recherche afin de renforcer la chaîne d’innovation et de stimuler les niveaux d’investissement relatifs dans les 28 États membres.
  • Un agenda numérique pour l’Europe permettant d’accélérer le déploiement de l’Internet à haute vitesse et d’atteindre les avantages d’un marché unique numérique pour les individus et les entreprises.
  • Une Europe efficace dans l’utilisation des ressources pour aider à décupler la croissance économique par la décarbonisation de l’économie, l’utilisation accrue des sources d’énergies renouvelables, la modernisation du secteur des transports et la promotion de l’efficacité énergétique.
  • Une politique industrielle à l’ère de la mondialisation pour améliorer l’environnement des affaires, en particulier pour les petites et moyennes entreprises (PME), et pour soutenir le développement d’une base industrielle forte et durable, capable de soutenir la concurrence mondiale.

Le programme-cadre « Horizon 2020 », avec son budget de 80 milliards d’euros pour la période 2014-2020, est l’un des outils de mise en oeuvre de l’agenda Europe 2020.

Le développement des TIC et la fabrication additive

La dernière décennie du XXe siècle a représenté un tournant pour l’industrie manufacturière européenne, en particulier pour le développement des technologies de l’information et des communications (TIC). Leur impact sur la chaîne de valeur a embrassé une série de conséquences directes sur la façon dont les produits sont conçus, mis au point, fabriqués, contrôlés, distribués, et même réparés.

Cependant, alors que certains secteurs de l’économie ont rapidement adopté des technologies et des procédés numériques, l’industrie européenne doit encore améliorer la pleine utilisation des possibilités informatiques pour devenir compétitives au niveau mondial. Les PME sont particulièrement en retard dans leur transformation numérique. Les études récentes estiment que la numérisation des produits et services augmentera de 110 milliards d’euros par an le chiffre d’affaires pour l’industrie, en Europe, au cours des cinq prochaines années.

Dans ce but, de nombreux États membres de l’UE ont déjà lancé des stratégies visant à soutenir la numérisation de l’industrie. Cependant, une approche globale au niveau européen est nécessaire pour éviter la fragmentation des marchés et pour obtenir les avantages de l’évolution informatique. Dans le même temps, l’amélioration des infrastructures de TIC représente un soutien croissant et une opportunité pour le développement constant des technologies de fabrication additive. Le flux de processus de cette technologie provient des dessins numérisés en trois dimensions (3D) d’un produit par un logiciel de conception assistée par ordinateur (CAO), tout en exigeant une étape ultérieure à travers laquelle les processus additifs sont préparés en couches et communiqués au système. Les fichiers peuvent être transmis partout, mais ils exigent un réseau de TIC fiable, rapide et sécurisé pour permettre la fabrication d’un produit à proximité du client et de l’utilisateur final. Deux concepts sont à considérer lorsque nous évaluons le développement des TIC et son impact sur le présent et l’avenir de la fabrication : l’Industrie 4.0 et la définition de « Smart Factory » (« usine intelligente »).

Der Einsatz von Robotern im direkten Umfeld von Werkzeugmaschinen, sei es für Handling- oder Bearbeitungs-Aufgaben, gewinnt zunehmend an Bedeutung. Zusammen mit der KUKA Roboter GmbH hat Siemens für die integrierte Automatisierung von Werkzeugmaschinen und Robotern die intelligente Schnittstelle Run MyRobot entwickelt. Damit können sowohl die Werkzeugmaschine als auch der Roboter allein über die CNC-Steuerung programmiert, bedient und überwacht werden. The use of robots directly alongside machine tools, whether it is for handling or for processing tasks, is steadily gaining momentum. In cooperation with KUKA Roboter GmbH, Siemens has developed the intelligent Run MyRobot interface for the integrated automation of machine tools and robots. This means both the machine tool and the robot can be programmed, operated and monitored via the CNC control alone.

Industrie 4.0

Nous avons déjà présenté en détail dans le premier numéro d’A3DM Magazine1 l’initiative allemande Industrie 4.02 qui considère que la fabrication industrielle, dans l’avenir, sera caractérisée par une forte personnalisation dans les grandes séries de production, par l’intégration étendue de clients et partenaires d’affaires et par une importance accrue du développement des « systèmes cyber-physiques ». Un impact direct de l’optimisation de la production et de la logistique ! La France, de son côté, a lancé le plan d’industrialisation française en 2013, The New Industrial France2, développé sous le nom de « l’industrie de l’avenir ». Celui-ci se concentre sur la modernisation de la production, des modèles d’affaires et des structures organisationnelles, comme le développement des technologies telles que la fabrication additive et l’Internet des objets (IdO)3. Selon une récente étude de la société de conseils Deloitte4, les impacts de l’Industrie 4.0 seront les suivants :

  • la mise en réseau vertical des systèmes de production « intelligents » tels que les usines « intelligentes », les produits « intelligents », les réseau « intelligents », des logistiques « intelligentes »… ;
  • l’intégration horizontale via une nouvelle génération de réseaux de partenaires commerciaux et de clients dans différents pays et sur divers continents ;
  • l’ingénierie développée à travers la chaîne de valeur et le cycle de vie du produit ;
  • l’accélération grâce aux technologies exponentielles permettant des applications étendues, des réductions de coûts et une augmentation de la puissance.

Industrie 4.0 - a3dm magazine

De l’usine traditionnelle à l’« usine intelligente »

Au sein de l’Industrie 4.0, le développement des TIC, depuis les années quatre-vingts et son évolution au cours des années quatre-vingt-dix, a conduit à une amélioration constante des systèmes d’exploitation. Des techniques de fabrication innovantes sont nées d’un niveau croissant d’automatisation, de l’adoption mondiale des concepts de Lean Manufacturing et Six Sigma ainsi que de l’intégration de systèmes informatiques d’entreprise comme ERP5 (Enterprise Resource Planning), MES6 (Manufacturing Execution Systems) ou PLM7 (Product Life Cycle Management). Aujourd’hui, l’attribut « intelligent » est partout, dans nos téléphones, nos maisons, les jeux de nos enfants, les réseaux des villes et, bien sûr, les usines. Mais qu’entend-on lorsque l’on parle d’« usine intelligente » ? Le terme est largement utilisé sans aucune définition uniforme, considérant que divers chercheurs et ingénieurs doivent inclure les nombreux visages d’une même médaille. Regardons d’abord les principaux impacts du développement des TIC sur la fabrication et les applications « intelligentes » de l’Internet à l’industrie.

  • La convergence complète des systèmes informatiques et des infrastructures d’automatisation des systèmes de production permet l’intégration de la fabrication verticale (d’un département « projet » à l’atelier ou d’un centre de contrôle à un système de fabrication, liés informatiquement) et horizontale (entre le siège et une usine de filiale, un centre de contrôle central et une machine dans une usine à l’autre bout du monde). Dans ce cas, nous devons parler de systèmes cyber-physiques (Cyber-Physical Systems – CPS) ayant les caractéristiques d’être « localement physiques, mais virtuels à l’échelle mondiale » – commandés centralement à travers un cyber-réseau virtuel et avec la capacité d’intervenir à distance. Les CPS reposent sur des technologies sans fil, le Cloud computing, le Big Data, la surveillance à distance et la cybersécurité.
  • La fabrication sur demande et la livraison à temps de produits en série et sur mesure nécessitent une gestion de la chaîne d’approvisionnement organisée et flexible. Les fabricants sont en lien avec les fournisseurs et les prestataires de services logistiques pour coordonner la livraison des matériaux, des produits intermédiaires et/ou des outils nécessaires. Cette combinaison permet de faibles coûts unitaires des processus de production de masse, plus de flexibilité, de personnalisation, permet et de répondre à une demande imprévisible.
  • La maintenance prédictive permet d’éviter ou de minimiser les coûts dus à des temps d’arrêt. À l’aide de capteurs à distance, les machines peuvent constamment vérifier leurs états et communiquer des problèmes éventuels au centre de contrôle. Elles peuvent dans le même temps planifier l’entretien régulier de la machine via MES ou ERP, et prévoir la livraison des pièces de rechange. Ces informations sur l’état de la machine et d’éventuels problèmes peuvent être directement transmises au fabricant (et également à l’utilisateur final) de la machine.
  • Des pièces et des machines « intelligentes ». La configuration des produits et les propriétés des matériaux peuvent être communiquées, sans fil, à la machine, qui pourra ensuite se calibrer automatiquement pour atteindre un traitement optimal. Cette machine aura la possibilité d’interagir avec d’autres machines pour les interroger sur les réglages appropriés. En cas de dysfonctionnement, cette machine pourrait également identifier une station de remplacement et communiquer les données connexes et la planification. Le client sera dans le même temps mis au courant du retard de livraison.
  • La fabrication avec optimisation d’énergie permet une allocation plus efficace des ressources et la planification de la fabrication.
  • L’allocation des capacités non engagées, dans le cas où des machines de production ne fonctionneraient pas à pleine capacité, peut être offerte à d’autres usines du groupe et/ou à d’autres entreprises, avec l’accomplissement de plusieurs ordres.
  • Une production flexible et versatile. Les TIC et les modules de production intelligents peuvent modifier une organisation, permettre l’expansion des installations de productions, des services, et l’intégration des étages de fabrication en les rendant plus efficaces, tout en communiquant par l’intermédiaire d’un réseau intégré.

Ayant comme référence la littérature sur les usines intelligentes, nous avons tendance à favoriser cette définition complète : « La Smart Factory est une solution de fabrication qui fournit des procédés de production flexibles et adaptatifs qui permettront de résoudre les problèmes liés à une installation de production dans un monde de complexité croissante. Cette solution pourrait d’une part être liée à l’automatisation (définie comme une combinaison de logiciels, matérielle et/ou mécanique, qui devrait conduire à l’optimisation de la fabrication par une réduction de la main-d’œuvre redondante et du gaspillage des ressources inutiles), et d’autre part être vue dans une perspective de collaboration entre les différents partenaires industriels et non industriels, où les divers composants intelligents viennent former une organisation dynamique ».

Usine intelligente - a3dm magazine

Fabrication intelligente et fabrication additive

La fabrication additive comprend diverses techniques de fabrication d’un objet en trois dimensions à partir d’un modèle 3D dans lesquelles des couches successives de matériau sont fixées sous le contrôle de l’ordinateur. Elle augmente la qualité du design et sa conformité, tout en améliorant le temps de mise sur le marché et en simplifiant la logistique entre les différentes phases de fabrication. Elle est directement liée au développement des usines « intelligentes », en particulier pour fournir la gestion de la chaîne d’approvisionnement, le développement de produits et de l’outillage. Si nous analysons les avantages spécifiques de cette technologie, nous découvrons que ceux-ci sont directement associés à l’intégration des composantes des TIC.

  • La complexité de fabrication est gratuite. En fabrication traditionnelle, plus la forme et la structure d’un objet sont compliquées, plus cet objet coûte à être produit. Avec la fabrication additive, la production d’un objet complexe coûte le même prix. De plus, les structures complexes pourraient être conçues en CAO et optimisées topologiquement sans la nécessité d’un accès direct à des machines- outils, réduisant ainsi la nécessité de composants multiples.
  • La variété est gratuite. Une seule machine peut créer de très nombreuses formes en même temps, à condition, évidemment, que les différents plans numériques et les matériaux de fabrication soient fournis.
  • L’assemblage n’est pas nécessaire. Alors que la fabrication traditionnelle nécessite une « chaîne de montage », la fabrication additive permet très souvent de supprimer cette étape d’assemblage.
  • La réduction des délais de réalisation. Immédiatement après la finalisation du fichier en STL ou AMF, les ingénieurs peuvent créer un prototype avec une imprimante 3D. Dès que l’impression est terminée, les tests de propriétés sont réalisables. Terminés les longues semaines ou mois d’attente pour récupérer un prototype.
  • Des nuances infinies de matériaux. Les ingénieurs peuvent également concevoir des pièces avec des couleurs spécifiques et les imprimer grâce aux nombreux matériaux.

Le Cloud et la fabrication additive

Un autre point commun entre les entreprises de fabrication additive et les usines intelligentes est la nécessité d’utiliser le Cloud pour partager et développer des fichiers en CAO, pour fabriquer dans un lieu différent de celui de la conception et pour conserver leurs produits, évitant ainsi des coûts de stockage et des charges d’inventaire. Le « Cloud computing » (que l’on appelle aussi en France le « nuage informatique ») fournit des services ou des applications informatiques en ligne, accessibles partout, à tout moment et de n’importe quel terminal (smartphone, ordinateur de bureau, ordinateur portable ou tablette).

Le développement de la technologie du Cloud modifie les business models des entreprises de logiciels. Jusqu’à aujourd’hui, les logiciels étaient utilisés localement, en général sur un poste de travail et sur les serveurs à proximité. Le Cloud computing a créé un changement, le logiciel pouvant être chargé de n’importe où et utilisé d’encore plus loin.

Siemens bringt ein auf der Intel-Quark-Chipfamilie aufbauendes Gateway zwischen Cloud, firmeneigener IT und Produktion auf den Markt. Simatic IOT2000 ist für industrielle IT-Lösungen zur Sammlung, Verarbeitung und Übermittlung von Daten direkt im Fertigungsumfeld angelegt. Siemens is launching a gateway based on the Intel Quark chip family onto the market which links cloud, in-company IT and production. The Simatic IOT2000 is designed for industrial IT solutions that acquire, process and transfer data directly in the production environment.

Le développement des TIC

Dans toute la chaîne de valeur de la fabrication additive, les TIC jouent un rôle crucial et trop peu souvent reconnu. Les fichiers CAO/STL/AMF et leurs transmissions du département de projet au centre de fabrication demandent un puissant système de TIC. Selon Digital Europe, « une condition essentielle pour une économie prospère est une infrastructure à large bande réactive ». La transformation numérique améliore l’intégration des services et des produits « intelligents ». Des industries clés comme l’ingénierie, l’automobile, la santé et les produits pharmaceutiques – grâce aussi à l’utilisation croissante des technologies et services de fabrication additive – sont de plus en plus touchées.

La puissance majeure de l’Industrie 4.0 est basée sur la combinaison des technologies numériques avec d’autres technologies de pointe comme la fabrication additive, afin d’atteindre une efficacité maximale des ressources. Selon la récente présentation du Forum stratégique sur l’entrepreneuriat numérique, « la transformation numérique n’est pas une option – il est un must ». Plus précisément, le développement des infrastructures des TIC devrait se concentrer sur trois aspects : la vitesse, la qualité et la sécurité.

En matière de vitesse, le développement du haut débit a son importance pour une société. Il est reconnu et défini dans la stratégie « Europe 2020 ». Pour réaliser les avantages offerts par les TIC et la fabrication additive, et pour rivaliser avec succès dans l’économie mondiale, l’Europe a besoin d’accéder à un Internet ultrarapide, largement disponible et à un prix compétitif. Les pourcentages des abonnements de lignes fixes supérieures à 10 Mbps sont en augmentation. En janvier 2015, seul un très faible pourcentage (2 %) des souscriptions dans l’UE avait le plus bas niveau de vitesse à large bande (entre 144 Kbps et 2 Mbps), excepté dans un petit nombre d’États membres comme l’Estonie et la Slovénie. La pénétration des abonnements à haut débit de plus de 30 Mbps à large bande rapide est en augmentation, passant de 2,5 % en 2012 à 6,3 % en 2014. Cependant, l’adoption du haut débit rapide reste faible (seulement 3 % des ménages dans l’UE). Les connexions rapides sont les plus largement utilisées en Belgique et aux Pays-Bas, ainsi qu’en Lettonie, en Suède et en Lituanie. D’autres États membres comme l’Italie, Chypre ou la Grèce n’ont pratiquement pas d’abonnements haut débit.

En matière de qualité des services dans l’UE, la différence entre la vitesse à large bande annoncée et réelle reste la même. En octobre 2014, les consommateurs ont reçu 76 % de la vitesse annoncée.

Enfin, un niveau élevé de sécurité des réseaux et de l’information à travers l’UE est essentiel pour assurer la confiance des consommateurs et soutenir l’économie en ligne. La cybersécurité signifie la résilience cybernétique en augmentant les capacités, la préparation, la coopération, l’échange d’informations et la sensibilisation dans le domaine de la sécurité des réseaux et de l’information, pour les secteurs publics et privés, ainsi qu’aux niveaux national et européen. Pour réduire la cybercriminalité, il est nécessaire de renforcer l’expertise des personnes chargées d’enquêter, en adoptant une approche plus coordonnée entre les services répressifs dans l’UE et en renforçant la coopération avec d’autres acteurs. L’élaboration d’une politique de défense informatique de l’UE implique de favoriser les ressources industrielles et technologiques nécessaires pour bénéficier d’un marché numérique unique et de préconiser l’application du droit international existant dans le cyberespace.

Notes

1 – Lire l’article « La Commission européenne – un soutien de poids » paru dans A3DM Magazine n°1 en janvier 2016 ou sur le site Internet http://www.a3dm-magazine.fr/la-commission-europeenne-un-soutien-de-poids/.

2 – La première révolution industrielle était basée sur la mécanisation entraînée par la puissance de la vapeur. La seconde, menée par la puissance électrique, a conduit à la production de masse. Tandis que la troisième est basée sur l’automatisation de la production, activée par l’électronique et l’informatique. Enfin, la quatrième révolution industrielle (« Industrie 4.0 ») est entraînée par l’Internet, et plus précisément par cette combinaison spécifique des mondes virtuels et réels, aussi appelé « Internet des objets ».

3 – L’Internet des objets (IdO) vise à fusionner les mondes physiques et virtuels créant des « environnements intelligents » et permettant d’améliorer la vie des citoyens. Il représente la prochaine étape vers la numérisation de notre société et de l’économie dans laquelle les objets et les personnes seront reliés entre eux par le biais de réseaux de communication. L’IdO peut également offrir des avantages économiques pour l’Europe. Selon une récente étude de la Commission européenne, la valeur de marché de l’IdO dans l’UE devrait dépasser 1 billion d’euros en 2020.

4 – http://www2.deloitte.com/content/dam/Deloitte/ch/Documents/manufacturing/ch-en-manufacturing-industry-4-0-24102014.pdf

5 – Enterprise Resource Planning, http://www.gartner.com/it-glossary/enterprise-resource-planning-erp/

6 – Manufacturing Execution Systems, http://www.businessdictionary.com/definition/manufacturing-execution-system-MES.html

7 – Product Life Cycle Management, http://www.productlifecycle-management.info/

Liens utiles

ICT Innovation in FoF PPP : https://ec.europa.eu/digital-agenda/en/about-112

Factories of the Future : http://ec.europa.eu/research/industrial_technologies/factories-of-the-future_en.html

EFFRA European Factories of the Future Research Association : http://www.effra.eu/

EU Digital Agenda : http://ec.europa.eu/digital-agenda

Les avantages de la fabrication additive liés à la smart factory

  • La convergence complète des systèmes informatiques et des infrastructures d’automatisation des moyens de production.
  • La fabrication sur demande et la livraison dans les temps de produits en série et sur mesure.
  • La maintenance prédictive.
  • Les pièces et les machines « intelligentes ».
  • La fabrication avec optimisation d’énergie.
  • L’allocation des capacités non-engagées.
  • La production flexible et versatile.

 

Enregistrer

About The Author
mm
Gaëtan Lefèvre

Leave a Response