News Lundi 4 avril 2022 - 15:06

Des métiers et des talents dans l’industrie 4.0

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Dans un numéro précédent d’A3DM Magazine, nous rencontrions des contributeurs talentueux dans le domaine de l’industrie 4.0. Ceux-ci nous présentaient leurs travaux du pilotage de la commande des machines au sein du Laboratoire universitaire de recherche en production automatisée (LURPA) aux systèmes de sécurisation des données numériques.

Julien Zins, ingénieur PLM en charge du développement des activités de transformation digitale au CPI

Coordinateur continuité numérique pour la fabrication, ingénieur PLM et responsable des ventes DELMIA Works, Julien Zins est en charge du développement des activités de transformation digitale, de supervision des données de production et de formation sur les solutions Dassault Systèmes au sein de CPI. Il nous présente son travail et la transformation numérique qui est en cours, vers l’industrie 4.0.

Issu de l’usinage, CPI est un bureau des méthodes industrielles externalisé (une société d’ingénierie) fondé en 2004 par deux ingénieurs des Arts et Métiers, l’un passionné par l’usinage, l’autre motivé par le développement humain et commercial de l’entreprise. Il aide les sociétés manufacturières à améliorer leur performance industrielle grâce aux outils numériques : gestion d’outils coupants, CFAO, simulation et post-process. Il accompagne notamment des grands groupes comme Dassault Aviation, pour les aider à industrialiser leurs pièces, à les mettre en production, à choisir les machines et les procédés, que ce soit en soustractif ou en additif. CPI possède également une autre activité, celle de commercialiser aussi des produits pour aider les industriels à améliorer leur production. La société est notamment le distributeur de solutions MES de Dassault Systèmes, partenaire principal, pour les PME et les ETI.

Bonjour Julien. De quels outils numériques parle-t-on dans l’industrie 4.0 ?

Pour aller vers l’industrie 4.0., la première chose à faire est de connecter les machines. Nous conseillons nos clients pour connecter leurs outils de production à des systèmes d’information. Il s’agit d’Internet des objets (IdO), de capteurs, qui permettent d’instrumenter les machines. Nous disposons alors des capteurs et/ou distribuons des solutions comme Spectral, start-up française qui commercialise une solution de réalité augmentée pour digitaliser des processus papier. Celles-ci peuvent servir pour mettre en route une machine, pour une solution de maintenance ou encore pour de la formation. Ensuite, nous proposons des solutions pour faire du business intelligence, de l’intelligence artificielle ou encore de la maintenance prédictive. Il s’agit d’identifier les points critiques de leur production pour conserver le process sous contrôle, puis de les monitorer, c’est-à-dire, relever des informations en temps réel et les traiter dans des tableaux de bord. Nous aurons ainsi des tendances, comme celle de la production en temps réel. Nous pourrons analyser celles-ci, mettre des valeurs hautes et basses et faire de l’analyse prédictive pour anticiper les actions futures. Nous proposons tout un tas d’outils industriels, de différents fabricants. Et nous conseillons nos clients en fonction de leur production, de leur type de besoin, etc.

Avez-vous défini des outils pour définir des pièces qui auraient un avantage à être produites en fabrication additive ?

Les seuls outils que je vois sont les outils avancés de simulations numériques et d’optimisation topologique. Ceux-ci peuvent aider à voir si la pièce doit être fabriquée en soustractif, en additif ou à l’aide des deux procédés. Je pars du principe que l’utilisation du numérique et de la modélisation des processus ne permet pas forcément de réaliser des gains à une entreprise manufacturière, ni de l’innovation sur le produit, mais permet de rendre l’entreprise plus performante et de calculer si tel procédé est plus intéressant. Il faut avoir une vue processus centrique. Les gains peuvent être sur différents endroits de la supply chain et pas seulement sur la vitesse de production.

Comment sécuriser toutes les données ?

La plupart de nos clients ne travaillent pas sur le cloud, mais sur de la data au sein de l’entreprise. Pour les intervenants extérieurs, ce sont simplement eux qui donnent des accès à leurs plateformes.

À quoi ressemblera l’usine du futur ?

Je pense à une usine plus efficiente, plus résiliente et plus durable. Suite à la crise de la Covid-19, les industriels ont pris conscience que l’arrêt de la production a été catastrophique. L’usine 4.0 aura pour but de ne pas s’arrêter, quels que soient les phénomènes qui peuvent arriver. Comme nous l’avons vu précédemment, pour cela, tous les processus doivent être modélisés et numérisés pour que l’usine puisse continuer de fonctionner même si le personnel n’est pas dans les locaux. Je pense également que l’entreprise sera durable car elle va consommer moins de matières et émettre moins de polluants. Ici aussi, grâce aux informations récoltées.

Enfin, je rajouterai l’importance du phénomène émergent de marketplace. Nous devons réfléchir à la mutualisation pour fabriquer à la demande des pièces diverses, non de série. Les clients veulent de plus en plus de diversification de produits, ce qui implique d’être capable de s’autoreconfigurer rapidement.

Christophe Tournier, professeur des universités à l’ENS

Christophe Tournier est professeur des universités à l'École normale supérieure Paris-Saclay, au Laboratoire universitaire de recherche en production automatisée (LURPA). Il coordonne également l’initiative de recherche stratégique de fabrication additive Paris-Saclay. Ce projet regroupe seize laboratoires de divers établissements du plateau de Saclay pour une plateforme partagée avec une machine FormUp 350, ainsi qu’une cellule robotisée équipée d’un robot d’usinage et d’un robot de fabrication additive WLAM (Wire Laser Additive Manufacturing). Le LURPA travaille sur le pilotage et la commande de ces procédés afin de garantir une qualité géométrique, métallurgique, microstructurale, etc.

Bonjour Christophe. Présentez-nous vos travaux de pilotage de la commande des procédés de fabrication.

Au LURPA, nous développons des modèles de pilotage incluant la génération de trajectoires, leur influence thermique et leur interpolation temporelle et géométrique par la commande numérique. Sur la machine FormUp 350, acquise lors de la création de la plateforme, nous avons réalisé un jumeau numérique de la machine. Nous avons ainsi développé un modèle qui décrit le fonctionnement interne de la tête de scanning – CTI 3 axes – grâce auquel nous avons une cartographie du comportement de l’imprimante 3D, des galvanomètres et de la modulation de focale. Nous avons également proposé un modèle de la chaîne optomécanique avec défauts pour identifier ceux dus à l'assemblage de la machine. Ces modèles ont permis de développer une méthode de calibration très efficace dans le cadre du projet Sofia, et qui est utilisée par la société AddUp pour configurer ses machines. Associés à un modèle de densité d'énergie en fonction du placement du spot laser sur le plan de travail et de l'orientation du faisceau incident, nous sommes ainsi capables de savoir où la machine va ralentir et où il faut moduler la puissance pour avoir un apport d'énergie constant. Enfin, le développement d’un modèle thermique analytique exécuté sur GPU nous permet de faire du calcul de trajectoire en prenant en compte les données thermiques afin de les optimiser. Nous pouvons alors moduler la puissance, la vitesse, la trajectoire et donc optimiser la température durant l'impression. Ces paramétrages sont en cours d'implémentation sur la machine FormUp et ont fait l’objet de trois brevets.

Quels sont les bénéfices de ces dispositifs ?

L'objectif de ce travail – sur la répartition de la température et les trajectoires – est de créer des pièces avec moins de déformations, moins de contraintes résiduelles et une productivité améliorée. L'idéal serait que cette optimisation des trajectoires et de la puissance n'affecte pas la vitesse, et que l'opérateur puisse avoir un rendement maximal sur sa machine. Pour ce faire, il faut également tirer parti des effets de préchauffage du laser, ce que ne permettent pas les stratégies actuelles de lasage dans les machines. L'idée serait de s’en servir plutôt que de les subir et de se retrouver avec des zones chaudes qui déforment la pièce.

Vous travaillez actuellement sur une imprimante 3D FormUp 350. Votre technologie est-elle aussi applicable à d'autres machines ?

Oui, elle est applicable à toutes les machines. Seulement, grâce à notre partenariat dans le cadre du projet Sofia avec AddUp, nous avons eu accès à des données techniques auxquelles nous n'aurions pas eu accès chez des concurrents. Cela nous a permis d'avancer plus vite dans notre développement.

Au sein de l'ENS, comment cette plateforme est utilisée par les étudiants ?

Le LURPA est un laboratoire de recherche. Il accueille donc les étudiants lors de leur stage de recherche en master 2 et en doctorat. Les étudiants peuvent y travailler toute la chaîne de fabrication, de la conception au post-traitement. Si leurs recherches l'exigent, ils peuvent y imprimer des échantillons ou des pièces fonctionnelles. Pour la FAO, ils utilisent le logiciel propriétaire AddUp Manager pour piloter la machine FormUp. Un ingénieur dédié les accompagne pour prendre en main le logiciel, choisir les bons paramètres, etc., et valide chaque production avant de la lancer sur l'imprimante.

Quels sont les outils que vous utilisez pour travailler sur les pilotages et les commandes ?

Principalement des outils de développement informatique, MATLAB & Simulink et Python essentiellement, que nous interfaçons avec AddUp Manager pour piloter la machine ou le banc d'essai. Ce dernier est équipé de la même tête de scanning que la machine, les mêmes drivers et la même commande. Il sert à faire des essais hors poudres. Un capteur CCD et des caméras optiques sont placés sur le plan de travail et nous permettent d'observer la position du spot laser. L'avantage de cette opération est qu'elle permet de régler toute la partie commande sans avoir besoin d'aller dans la zone poudre ou de faire des pièces. Toutes les opérations qui peuvent être faites en amont de la production se font sur ce banc d'essai.

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fabrication additive pilotage machine FormUp 350

Dans le cadre du projet SOFIA, le laboratoire LURPA travaille sur le pilotage et la commande d'une machine FormUp 350.

Marie Thiébault, Country Manager France et Espagne chez 3YOURMIND

3YOURMIND est une entreprise créée en 2014 par Aleksander Ciszek et Stephan Kuehr, à l’université technique de Berlin, en Allemagne. Elle fournit des solutions logicielles pour identifier des cas d'usage et gérer les flux de production en fabrication additive pour des grands comptes industriels et des services d'impression 3D. La technologie 3YOURMIND accompagne les entreprises sur différents niveaux de maturité pour leur permettre d’industrialiser la fabrication additive, à travers trois offres complémentaires :

  • Premier niveau : l'offre AM-Ready Digital Inventory, pour accompagner les entreprises sur l'identification et la qualification de pièces pour la FA et leur permettre de créer leurs inventaires digitaux exhaustifs.
  • Deuxième niveau : l'offre Shopfloor Automation (automatisation de la production), qui répond à des enjeux d'automatisation et de gestion de la qualité des pièces et des process de fabrication additive.
  • Troisième niveau, le plus avancé : l'offre Distributed Manufacturing, qui permet de mettre à l’échelle le modèle d’exploitation et de créer un modèle de production décentralisé à la demande, avec une continuité totale des données de l’inventaire digital qualifié aux machines.

3YOURMIND se concentre sur les problématiques de ses clients industriels liées à l’automatisation des processus de fabrication. Les imprimantes sont connectées les unes avec les autres et remontent en temps réel les informations sur les productions. Mais encore faut-il savoir les lire, les traiter et les protéger. Marie Thiébault, qui s’occupe des filières française et espagnole de 3YOURMIND, nous explique...

Bonjour Marie. Quelles sont les informations essentielles pour les industriels dont nous parlons, notamment dans le big data ?

La première information est celle des productions en cours. Il est possible de programmer des impressions dans le logiciel. Par exemple, la veille au soir, programmer la fabrication de pièces pour le lendemain matin. Pourtant, il n'est pas impossible que l'heure de début change ou que l'imprimante 3D ait rencontré un problème. Le logiciel va faire remonter le problème puis va indiquer l'heure de début réelle de la production et l'heure prévue de fin. Tout est centralisé dans un logiciel. L'utilisateur sait où en sont ces imprimantes directement sur une interface.

Cette connectivité est intéressante pour de nombreux acteurs ayant un grand parc machines ou une production décentralisée, comme la structure intégrée du maintien en condition opérationnelle des matériels terrestres (SIMMT) de l'armée de terre française, avec qui 3YOURMIND collabore. Le groupement de l'armée de terre possède plusieurs sites de production à travers le territoire, mais aussi à l’étranger, en opex (opération extérieure). Grâce au logiciel d'automatisation, le centre des opérations peut voir où en sont toutes les machines dispersées à travers le monde : quelle production a été lancée, qui l'a lancée, quand, etc. La connectivité est l'étape essentielle à la digitalisation de la production.

Vous pouvez nous en dire plus sur votre collaboration avec la SIMMT ?

Avec la SIMMT, la connexion se fait entre toutes les machines Ultimaker de métropole. Il y a deux problématiques principales : gérer les productions à l'échelle locale, pour que les opérateurs sur place puissent être au courant de ce qui se passe, et anticiper les stocks de consommables, les disponibilités des machines, les budgets, etc.

Votre logiciel de gestion de production répertorie-t-il uniquement les imprimantes 3D ou également les outils annexes ?

La vision de 3YOURMIND est de pouvoir intégrer toutes les étapes : de post-traitement, la robotique, etc. L'objectif est de tracer la production de bout en bout. Aujourd'hui, la société se concentre principalement sur les imprimantes 3D, car chaque modèle a sa propre architecture à laquelle il faut se connecter. L'idéal serait que les industriels acceptent de se connecter à une interface unique, comme Umati. Mais pour le moment, les connexions se font au cas par cas, avec les fabricants.

Une des questions qui se pose lors d’une fabrication décentralisée est celle de la propriété intellectuelle. Imaginons qu'un client ait imprimé une pièce vendue par un tiers : le tiers a-t-il accès à la plateforme ?

Il existe deux scénarios potentiels : soit le client possède la propriété intellectuelle de la pièce et peut décider de l'imprimer en interne ou en externe ; soit il ne l'a pas et doit aller voir son fournisseur. Il faut qu'ils puissent rapidement échanger de l'information, mais le fournisseur n'est pas averti à chaque impression. Pour suivre les pièces imprimées par un tiers qui ne dispose pas de la propriété intellectuelle, il existe les smart contracts. Le client paie à la pièce imprimée, et pour s'assurer qu'il n’imprime pas plus qu'il n’en déclare, la relation de confiance est renforcée par la blockchain. La start-up Vistory, avec son produit Main-Chain, propose ce service.

La blockchain sécurise-t-elle ces données ?

La blockchain peut servir à sécuriser les fichiers. Elle peut être installée en interne ou sur un cloud. Dans le smart contract, il est même possible que l'utilisateur qui imprime ne dispose pas des fichiers, mais que ceux-ci soient directement envoyés, cryptés, à la machine de fabrication additive. Ce qui est le plus sécurisé possible.

Comment voyez-vous l'usine du futur ?

Personnellement, j'imagine une usine entièrement connectée. Tout interagit ensemble et communique, hardware et software connectés et centralisés. L'automatisation commence avec les imprimantes 3D, puis les systèmes logiciels seront intégrés, le post-traitement, demain la robotique. Les opérateurs porteront des lunettes à réalité augmentée. L'usine du futur, par sa connectivité, offrira une meilleure anticipation des productions, des stocks, etc. Elle n'est plus si loin. Pas à pas, les usines d'aujourd'hui se connectent pour devenir celles du futur.

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Les informations provenant des imprimantes sont collectées, traduites et envoyées à la plateforme de contrôle.

Perez Pelage, Emerging Business Accelerator Leader chez Viaccess Orca

Viaccess Orca est une filiale du groupe Orange spécialisée dans les technologies pour les contenus vidéo. À l'origine dédiée à la sécurité embarquée pour la télévision numérique, elle possède, depuis plus de trois ans, une branche « impression 3D et fabrication additive », vitrine de l'industrie 4.0. Viaccess Orca a donc décidé de transférer ses compétences et technologies de la télévision numérique à la fabrication additive, car le contenu 3D doit également être sécurisé. Perez Pelage, Emerging Business Accelerator Leader, nous a présenté les solutions de Viaccess Orca.

Bonjour Perez. Pouvez-vous nous présenter les solutions de Viaccess Orca ?

La solution que nous proposons s'appelle « Secure Manufacturing Platform ». Elle repose sur trois piliers :

  • Le premier est la protection du contenu des modèles 3D ou toutes informations sensibles. Viaccess Orca propose de le protéger sur deux plans : le plan de l'intégrité et celui de confidentialité, pour tous types de menace.
  • Le deuxième aspect est de pouvoir contrôler le nombre de pièces produites par rapport à un cahier des charges. L'objectif est de s'assurer que l'industriel qui commande les pièces à un tiers réalise le bon nombre de productions.
  • La troisième solution concerne la traçabilité. L'objectif est de s'assurer que l'ensemble des pièces réalisées sont robustes et peuvent être retrouvées pour les qualifications, les audits, etc.

Proposer ces solutions sur le marché répond au problème de l'impression 3D, qui est un marché émergent sur l'ensemble des verticaux. La solution fonctionne aussi bien pour les machines traitant les polymères que pour celles traitant le métal.

Comment accélérer le marché de la fabrication additive ?

Le premier axe de travail est celui des standards. Sur la Pay TV, l'accélération du marché est venue de la possibilité de gérer l'interopérabilité sur les différents composants. La fabrication additive reste un marché émergent. Pour cette raison, il y a beaucoup de solutions propriétaires. Ce marché se structure de plus en plus, et l'interopérabilité est nécessaire pour pouvoir accélérer. Viaccess Orca contribue sur l'aspect sécuritaire pour le consortium 3MF qui travaille sur le format de fichier 3D entre le bureau d'études et la machine. Nous avons contribué sur les spécifications sécuritaires, qui sont actuellement intégrées au format de fichier 3MF, disponible aujourd'hui auprès de l'ensemble des industriels. Ceux qui ont validé ces spécifications sont les leaders de la fabrication d'imprimantes 3D comme HP, EOS, SLM Solutions ou encore Stratasys, mais aussi les fournisseurs de logiciels comme Autodesk ou Dassault Systèmes. De notre côté, nous poussons pour que ce standard soit plus utilisé, et ainsi accélérer l'interopérabilité et le développement du marché.

Viaccess Orca appartient également à un consortium appelé GIP, piloté par DIP, qui vise à développer l'utilisation d'un entrepôt numérique. Pour réussir à installer la production décentralisée dans le cadre de la fabrication additive, il faut développer cette solution pour stocker de manière virtuelle les pièces imprimées. Notre société intervient encore une fois sur les questions de sécurité, pour s'assurer que lorsque quelqu'un imprime une pièce, toutes les protections nécessaires sont mises en place pour garantir la sécurité des données dans le cadre d'une fabrication délocalisée. La crise sanitaire a mis en exergue les limites de la chaîne d'approvisionnement entièrement physique. L'industrie se dirige ainsi vers une fabrication décentralisée. De plus en plus d'acteurs travaillent sur la question. De notre côté, nous collaborons avec l'industrie pétrolière et gazière pour définir des guidelines et permettre à ce secteur d'accélérer son implantation sur le marché. Ce groupe de travail est aussi composé d'acteurs comme Saudi Aramco ou encore Vallourec.

Quel est le deuxième aspect de la sécurité en impression 3D ?

Le deuxième aspect est celui de la « sécurité by design ». Dès qu'une solution est implantée, dans l'impression 3D mais aussi sur une machine industrielle classique, les problèmes technologiques sont pensés en amont. Cependant, les défauts sécuritaires sont toujours réglés a posteriori. Aujourd'hui, grâce à notre expérience, nous pensons qu'il faut intégrer les menaces sécuritaires dès le bureau d'études, jusqu'à la machine de fabrication additive. Ainsi, si une menace avérée intervient, le coût sera réduit pour le système. Il faut que les constructeurs et développeurs logiciels pensent à la résistance aux menaces de leurs solutions.

Voyez-vous des améliorations sur ces aspects sécuritaires ?

Le marché apprend. La plupart viennent du monde de la mécanique. Il y a un apprentissage à faire dans les domaines numériques pour obtenir des systèmes sécurisés, que ce soit des machines de confiance ou des logiciels de confiance.

Travaillez-vous sur d'autres marchés ?

Aujourd'hui, nous sommes sur le marché de l'impression 3D. Demain, nous irons sur un autre marché émergent qui est celui des machines-outils dans l'industrie, qui gèrent des données.

Quels outils utilisez-vous pour sécuriser les produits de vos clients ?

Pour gérer les services de sécurité, nous utilisons notre propre serveur qui va gérer une gestion de clés pour garantir que les données sont protégées de la conception à la production. Les missions sont de contrôler, sécuriser et tracer. Parfois, les clients nous demandent d'utiliser la technologie blockchain, ce que nous pouvons faire. Cependant, elle ne correspond qu'à une mission de traçage. Elle ne protège pas, ni ne sécurise.

Comment contrôler que le nombre de pièces imprimées est conforme à la commande et que le cahier des charges est bien suivi ?

Un fichier est envoyé, auquel des droits seront associés par le client. Par exemple, tel fichier peut être imprimé cinq fois. Le logiciel Viaccess Orca, intégré à la machine, va vérifier si ces droits ont été respectés. Si, lors de l'impression, l'opérateur souhaite imprimer plus de pièces et que cela n'est pas autorisé, le logiciel l'en empêchera. Cette solution fonctionne aussi bien sur une imprimante 3D connectée que sur une machine hors réseau. Aujourd'hui, le logiciel doit être intégré à l'environnement de chaque fabricant de systèmes. L'intégration n'est pas une opération lourde, mais elle est nécessaire.

Y a-t-il des limites à votre solution ?

La limite géographique n'est plus un problème. Actuellement, la seule limite est celle des standards. Pour que notre solution fonctionne à une plus grande échelle, il faut respecter un format universel. Si l'industrie se dirige dans cette direction, l'accélération de la production décentralisée ne connaîtra aucune limite.

L’appartenance au groupe Orange est-elle une valeur ajoutée par rapport à vos concurrents ?

Le fait d'appartenir au groupe Orange, et donc de travailler avec son entité industrie, nous apporte un écosystème déjà présent que nous utilisons pour déployer nos solutions.

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