Magazine Jeudi 21 février 2019 - 07:30

L’Internet des objets (IdO) et la fabrication additive

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L’avenir de la fabrication additive relève de sa place au sein de l'industrie du futur. Après avoir abordé plusieurs thématiques autour de la quatrième révolution industrielle, A3DM Magazines’est penché sur la fabrication additive au sein de l'Internet des objets (Internet of Things – IoT). Lorsque les innovations technologiques rencontrent la productivité !

L'arrivée d'Internet a entraîné la troisième révolution industrielle, également appelée « révolution numérique ». Avec elle, la fabrication high-tech a pu s’appuyer sur diverses TIC (technologies de l’information et de la communication) pour atteindre une productivité accrue, des coûts de production plus bas et une qualité supérieure. Les nouveaux procédés de robotique, d'automatisation de la fabrication et de systèmes d'informations ont eu une incidence directe sur la fabrication à distance, les systèmes de fabrication intégrés et la fabrication sur Internet. La quatrième révolution industrielle – ou industrie 4.0 – représente une évolution directe des systèmes de fabrication. La production industrielle se caractérisera à l’avenir par une forte personnalisation des produits et une intégration des souhaits des clients et des partenaires commerciaux. Elle entraînera également une importance croissante des systèmes cyber-physiques ayant un impact direct sur l’optimisation de la production et de la logistique. En quelques mots, l’industrie 4.0 est pilotée par Internet, et plus particulièrement par un agencement entre monde virtuel et du monde réel, également appelée « Internet des objets » ou « IdO » (Internet of Things – IoT).

La Nouvelle France Industrielle et l’IdO

En 2013, la France a lancé son plan de réindustrialisation, la Nouvelle France Industrielle (NFI), qui a ensuite été développé sous le nom d’« Industrie du futur ». Ce plan est axé sur la modernisation de la production, ainsi que sur le développement de nouveaux modèles économiques et de nouvelles structures organisationnelles, comme le développement de technologies telles que la fabrication additive ou l’Internet des objets. Son objectif est d'« amener chaque entreprise à franchir un pas sur la voie de la modernisation de son outil industriel et de la transformation de son modèle économique par le numérique », explique le ministère de l'Économie sur son site. La Nouvelle France Industrielle repose sur neuf solutions industrielles pour apporter « des réponses concrètes aux grands défis économiques et sociétaux et positionnent nos entreprises sur les marchés d’avenir dans un monde ou le numérique fait tomber la cloison entre industrie et services ». Des moyens importants sont mis en place pour soutenir des projets industriels ambitieux et accélérer l’essor de produits et services d’avenir :

• économie des données ;

• objets intelligents ;

• confiance numérique ;

• alimentation intelligente ;

• nouvelles ressources ;

• ville durable ;

• mobilité écologique ;

• médecine du futur ;

• transports de demain.

L’Internet des objets (IdO) permet aux objets du quotidien comme les téléphones, les voitures, les appareils électroménagers, les vêtements et même les aliments de disposer d’une connexion sans fil à l’internet au moyen de puces intelligentes et de collecter et transmettre des données. Il fusionne les mondes physiques et virtuels en créant des « environnements intelligents » permettant d’améliorer la vie des citoyens. Il est la prochaine étape vers la numérisation de notre société et de notre économie, dans lesquelles les objets et les personnes seront interconnectés par le biais de réseaux de communication intelligents. L’IdO peut également profiter directement à l’économie européenne, en générant de la croissance et de l’emploi. Selon une étude récente de la Commission européenne, la valeur marchande de l’Internet des objets dans l’Union européenne pourrait atteindre 50 milliards d’euros en 2020.

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Caractéristiques principales et applications de l’IdO

Les applications de l’IdO peuvent être divisées en deux grandes catégories : « industriel » et « grand public » : la catégorie « grand public » ou « consommateur » comprend les modes de vie intelligents, les services à domicile, la personnalisation des produits, les dispositifs portables, la sécurité domestique ou encore les dispositifs de santé intelligents ; les applications industrielles couvrent l’automatisation de la fabrication et de la vente. Avec l’avènement d’Internet, le contrôle à distance, le partage des données et l’accessibilité permettent de (presque) tout connecter : un réveil et une machine à café, un bracelet et une porte, etc. Les appareils sont devenus « intelligents », ils peuvent communiquer les uns avec les autres et remplir leurs fonctions sans aucune intervention humaine. L’IdO jouera un rôle crucial dans le développement du secteur de la logistique et de l'informatique. Il aura également un impact sur des secteurs tels que les transports, les assurances, l'industrie pétrolière et gazière, le secteur manufacturier, les infrastructures ou encore le commerce de détail.

Actuellement, l’Internet des objets est principalement utilisé sur des appareils qui ne sont généralement pas censés disposer d'une connexion Internet. Une plate-forme IdO peut les héberger à distance et numériquement, tout en permettant un contrôle depuis n’importe ou dans le monde. En favorisant la collecte d’informations supplémentaires, la connectivité permet également d’accroître l’efficacité des produits. Il convient toutefois de sécuriser ces produits, notamment sur les questions liées à la confidentialité et les réglementations connexes mises à jour en fonction des évolutions technologiques.

Les objets imprimés en 3D possédant des dispositifs électroniques intégrés gagnent, petit à petit, du terrain. 

IdO et fabrication additive

La fabrication additive est une technologie qui repose principalement sur des processus numériques, allant de la conception CAO à la production en passant par le transfert de fichiers STL (ou autres formats). Elle peut donc être fortement liée à l'IdO. Les systèmes s’automatisent, se connectent à Internet et permettent le partage des données. Ils peuvent être contrôlés et surveillés à distance. La production peut être modifiée à la lumière des données récoltées, offrant des possibilités d'ajustement de la production à la demande. La fabrication additive s'intègre ainsi parfaitement à l'« usine intelligente ». Dans le même temps, si l'on considère que de nombreux éléments imprimés en 3D nécessiteraient un code d'identification unique, intégré à l'objet, sous forme étiquettes RFID (de l'anglais radio frequency identification) par exemple. La fabrication additive permettrait alors de créer des codes 3D uniques à l'intérieur de l'objet, immédiatement connectés à l'IdO. Le prototypage rapide est un moyen rapide, simple et économique de transformer des idées en produits performants. Il est l’une des applications historiques de la technologie. Bien moins chère que le moulage par injection, l'impression 3D permet de modifier et d'améliorer le prototype à un coût pratiquement nul. L'IdO peut également aider le développement de produits et la fabrication de prototypes. De la modélisation au prototypage fonctionnel, il permet la flexibilité nécessaire pour créer, tester et affiner le produit final avant de passer à la phase de fabrication. L’utilisation de ces technologies permet un gain de temps et d’argent non négligeable.

Les objets imprimés en 3D possédant des dispositifs électroniques intégrés gagnent, petit à petit, du terrain. L’IdO est utilisé pour développer divers capteurs : pour collecter des données, pour prédire des comportements, pour analyser des informations ou encore pour détecter des problèmes de production. De nombreux métiers liés à la production ou à la gestion de la chaîne logistique sont susceptibles d’utiliser des éléments intelligents. En 2015, la société Pratt & Whitney avait présenté au Salon du Bourget un moteur d’avion équipé de 5 000 capteurs – plus de vingt fois la moyenne du secteur. Les centaines de téraoctets d’informations collectées pendant chaque vol sont traitées par des systèmes d’intelligence artificielle afin d’ajuster les performances du moteur. En conséquence, le moteur émet moins de bruit et moins d’émissions. La consommation de carburant a diminué de 15 %, ce qui se traduit par des économies de coûts importantes pour les compagnies aériennes. De plus, les programmes de maintenance définis par les données provenant des capteurs constituent un changement potentiellement énorme en termes de taux d’utilisation du système. Une tendance en fabrication additive est l’inclusion d’un type de connexion numérique basée sur l’Internet des objets. La société Rize, située à Boston, aux États-Unis, a présenté des pièces augmentées numériquement, améliorant les composants imprimées en 3D avec des informations numériques (figure 1). Le procédé breveté Augmented Deposition de Rize combine deux technologies : l’extrusion et le jet de matériau. Il permet de lier des filaments thermoplastiques avec des encres fonctionnelles. L’encre de marquage peut être projetée, à tout moment, dans le fichier pour produire du texte et des images dans et sur la pièce (figure 2). Il est ainsi possible d’imprimer des pièces industrielles avec des marqueurs intégrés. Grâce à cette nouvelle fonctionnalité, les utilisateurs peuvent créer un lien entre les données numériques et l’objet physique. Ces avancées permettent d’accélérer les technologies de l’industrie 4.0, notamment les applications blockchain.

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Les défis européens

La compétitivité de l’Europe dépend fortement de sa capacité à fournir des produits innovants, de haute qualité, en utilisant les dernières avancées en matière de TIC. Les technologies de l’information telles que l’Internet des objets, le cloud, la robotique ou encore la fabrication additive peuvent soutenir la compétitivité et la productivité des entreprises, faciliter l’accès aux marchés internationaux et développer de nouveaux modèles économiques numériques. Cependant, les PME et les ETI ont encore du mal à s’adapter à l’ère numérique en rapide mutation. Pour mener à bien la transformation numérique, elles ont besoin d’être soutenues, ce qui implique notamment des compétences en numérisation.

Les programmes de recherche et d’innovation de l’Union européenne ont constamment soutenu le développement de technologies permettant au secteur manufacturier européen de tirer profit des possibilités offertes par le numérique. De nombreux projets européens sont financés par des partenariats public-privé et couvrent des domaines tels que l'automatisation numérique, l’optimisation des processus de fabrication, les technologies de simulation et d’analyse ou encore l’innovation dans les TIC. Actuellement, le programme européen Horizon 2020 mène des projets concernant des usines intelligentes connectées, qui pourraient également impliquer des parties prenantes liées à la fabrication additive :

• ICT-08-2019 – Security and resilience for collaborative manufacturing environments (date limite 28 mars 2019) ;

• DT-ICT-07-2018-2019 – Digital Manufacturing platforms for connected smart factories (date limite 28 mars 2019) ;

• DT-ICT-03-2020 – I4MS phase 4- uptake of digital game changers and digital manufacturing platforms (prévu pour 2020) ;

• ICT-38-2020 – Artificial intelligence for manufacturing (prévu pour 2020) ;

• ICT-39-2020 – Digital advances for local/urban manufacturing (prévu pour 2020) ;

• ICT-03-2018-2019 – Photonics Manufacturing Pilot Lines for Photonic Components and Devices (à venir) ;

• ICT-05-2019 – Application driven Photonics components (à venir) ;

• ICT-09-2019-2020 – Robotics in Application Areas (à venir).

La Commission européenne a récemment approuvé un projet regroupant la France, l’Allemagne, l’Italie et le Royaume-Uni, qui vise à octroyer une aide publique de 1,75 milliard d’euros à un projet commun de recherche et d’innovation en microélectronique (couvrant partiellement la fabrication additive). Les quatre pays concernés prévoient également de débloquer des investissements privés pour un montant de 6 milliards d’euros. Le projet devrait être achevé d’ici 2024 (avec des délais différents pour chaque sous-projet). Les participants au projet et leurs partenaires axeront leurs travaux sur cinq domaines technologiques différents.

• Les puces à haute efficacité énergétique.

• Les semi-conducteurs de puissance.

• Les capteurs intelligents.

• Les équipements optiques avancés.

• Les matériaux composites.

Contenu Encadré

Avantages de la fabrication additive liés à l’IdO

• Convergence complète des systèmes informatiques et de l’infrastructure d’automatisation des machines

• Fabrication à la demande et sur mesure

• Maintenance prédictive

• Pièces et machines intelligentes

• Fabrication optimisée en énergie

• Allocation de capacités libres

• Production flexible et polyvalente

• Évaluation des résultats du processus d’impression 3D pour prédire le comportement des matériaux

• Analyse des variations de propriétés, telles que l’orientation, le volume et la direction d’impression

• Obtention d’une description précise du comportement du matériau et de la mécanique des défaillances

• Exploration des effets de la fabrication et du comportement

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