Les pays développés déploient d’importants efforts pour promouvoir le concept d’usine intelligente (Smart Factory). Selon eux, cela leur permettra de continuer à produire de façon plus efficiente et de préserver des emplois industriels. Mais qu’est-ce qu’une usine intelligente ?
Dans cet article, nous allons nous intéresser aux détails et passer en revue quelques-uns des concepts qui contribuent à rendre une usine intelligente. Les atouts révolutionnaires de l’usine intelligente sont la connectivité des ateliers, des outils robotiques sophistiqués, une automatisation souple, des normes d’automatisation, l’intégration de la réalité virtuelle et de la réalité augmentée, et la gestion de l’énergie.
Qu’est-ce qu’une usine intelligente ?
Une usine intelligente est un modèle d’usine entièrement numérique qui représente un système de production, un jumeau numérique dédié à la production, et qui est complètement connecté au référentiel de données de PLM principal via des capteurs, des systèmes SCADA, des CLP et d’autres dispositifs d’automatisation. Dans une usine intelligente, tous les événements qui se produisent dans l’atelier lors de la production sont enregistrés, et ceux qui sont pertinents sont retransmis au système de PLM directement ou par l’intermédiaire du cloud.
L’atelier fait partie intégrante du fil numérique. Il utilise une norme unique de communication et d’automatisation pour toutes les technologies de fabrication, ce qui permet d’utiliser immédiatement les nouveaux appareils connectés. Ces usines seront très efficientes sur le plan énergétique, avec une surveillance intégrée de la consommation d’énergie afin de permettre un processus de prise de décisions auto-ajustable. Les informations transmises par le fil numérique sont étudiées et analysées par une technologie d’intelligence artificielle, et les principaux résultats sont retransmis au service chargé du développement des produits, de la planification de la fabrication ou de la planification du site.
Une usine intelligente repose sur un ensemble de concepts de fabrication tels que la connectivité intégrale, la flexibilité, l’agilité, des lots composés d’une seule unité, et le transport des pièces, des sous- assemblages et des produits par des véhicules automatiques. Ces véhicules, qui n’ont pas d’itinéraire prédéfini, se déplacent de poste en poste en fonction du plan des processus de fabrication, mais peuvent replanifier leur prochaine destination (emplacement de production, machine, poste d’assemblage ou d’inspection) selon des critères de disponibilité. À tout moment, un véhicule peut recalculer à la volée le trajet qui le conduit à son prochain emplacement de production. Parallèlement, les instructions de travail électroniques requises sont envoyées dynamiquement à cet emplacement, dans le cours normal des opérations. Les instructions concernant le robot, la machine ou l’imprimante 3D seront téléchargées sur le poste suivant, qui attendra l’arrivée du nouveau travail à accomplir. Il en va de même pour les outils de coupe, les fixations, les gabarits et autres ressources de production requis pour l’étape de production suivante.
Simulation de la logisitique de l'usine
Tous les appareils de production seront intégralement connectés et communiqueront au minimum leur emplacement, leur état (actif, en attente, bloqué), leur température, leur hygrométrie, etc. Si le système de production est un poste ou une machine contrôlé par un ordinateur, les informations collectées pourront être beaucoup plus nombreuses. Dans le cas d’un poste manuel ou utilisant une machine ancienne, les informations seront collectées via des capteurs spécialement installés.
Pour que le système soit aussi souple que possible, les ressources seront capables de communiquer entre elles, mais aussi avec les pièces, les sous-assemblages et les produits. Dans l’usine du futur, chaque produit sera muni d’une puce dans laquelle seront enregistrées toutes les informations pertinentes le concernant relatives à la production et au contrôle qualité. Lorsque le produit arrivera à un poste de production, sa puce transmettra à ce dernier : le processus à exécuter ; l’outil, les fixations et les programmes machine à utiliser ; la liste des autres pièces ou matières premières nécessaires ; ainsi que les compétences qui sont requises pour pouvoir effectuer le travail.
En outre, certaines ressources de production seront situées sur des plateformes mobiles. La flexibilité s’en trouvera encore renforcée car, en cas de besoin, ces ressources pourront être déplacées jusqu’à la pièce ou au produit. Par exemple, un robot à commande numérique pourra être installé sur un véhicule autonome, ce qui permettra de l’envoyer à l’emplacement requis pour réaliser une opération d’usinage ou de finition, afin d’éviter de déplacer la pièce ou le produit.
De même, il sera possible d’imprimer en 3D une pièce ou un sous-assemblage, et de terminer le travail de façon parfaite en envoyant un robot effectuer l’opération de finition dès que l’impression sera achevée.
Comparaison d'une pièce conçue pour l'usinage (gauche) et d'un pièce qui a la même fonction, mais réalisée par fabrication additive
La pièce de gauche a été conçue en vue d’un usinage traditionnel. La pièce de droite, de forme organique, a été optimisée pour la fabrication additive. Elle est plus légère mais tout aussi robuste. Grâce à leur technologie de conception générative et de simulation, les nouvelles solutions de fabrication additive de Siemens produisent des pièces repensées (telles que celle représentée à droite), avec des formes à la topologie optimisée pour les performances et le poids.
Un système de gestion des opérations de fabrication (MOM) collectera les informations émanant des ressources, ce qui permettra d’améliorer fortement les systèmes et processus de maintenance des usines et de les rendre plus adaptatifs, et donc de garantir un haut niveau de disponibilité et une productivité accrue.
Les informations transmises pendant la production par les processus, les pièces, les produits et les ressources de production seront partagées avec les services chargés de la conception des produits et de la planification de la fabrication. Elles permettront d’améliorer les produits et de rendre le processus de fabrication plus robuste, et aideront les gestionnaires de production à identifier les bonnes pratiques en comparant les processus de production des différentes usines implantées à travers le monde.
Quelle relation avec le personnel ?
Dans une usine intelligente, le personnel travaillera avec des robots coopératifs (co-bots), qui posséderont plus de capteurs et seront davantage conscients de la présence humaine. Les robots équipés de systèmes de vision et d’une intelligence artificielle pourront travailler de façon autonome, changer d’emplacement, reproduire le travail effectué par les êtres humains et s’adapter à l’évolution des situations, telle que des changements dans la position des pièces ou des produits.
Dans l’usine intelligente, la formation sera facilitée par l’utilisation de la réalité virtuelle. Les employés chargés de la production pourront explorer virtuellement les chaînes et les systèmes de production bien avant que ceux-ci ne soient installés dans les ateliers. Les équipes de maintenance pourront se former à l’entretien de ces systèmes de fabrication très complexes, et les équipes de production pourront apprendre à les utiliser et à effectuer les tâches de production. Une fois la chaîne de production installée, le personnel des ateliers pourra utiliser les techniques de réalité augmentée, qui le guideront dans le
processus de production. Par exemple, elles projetteront sur les pièces ou les produits des animations représentant les processus — telles que les opérations requises par la prochaine étape de production — et vérifieront que les employés ont exécuté la tâche correctement. Ces nouvelles possibilités permettront aussi au personnel de manœuvrer des robots et des outils d’assistance pour atteindre des endroits qui lui sont inaccessibles et y exécuter des opérations de fabrication.
Toutes les modifications effectuées dans l’atelier seront enregistrées automatiquement et téléchargées vers le référentiel de PLM central via un système MOM tel que Siemens Teamcenter. Ainsi, quand l’ingénieur de fabrication et les équipes de conception des systèmes de production seront chargés de développer un processus en vue du lancement d’un nouveau produit sur une chaîne existante, ils pourront le faire en perdant un minimum de données.
L’efficacité énergétique ou la réduction des émissions de CO2 liées à la production sont des indicateurs- clés de performance d’une usine intelligente. L’aspect énergétique sera pris en compte lors de la phase de conception en utilisant des modèles de simulation intelligents, qui aideront à trouver des moyens de réduire la consommation énergétique et les émissions de CO2 dès la conception et, bien sûr, pendant la phase d’exploitation. Siemens possède des outils déployables immédiatement, qui permettent de mesurer de façon précise ces deux valeurs lors de la production. Fermer la boucle entre le monde réel et le monde virtuel peut aider les entreprises du secteur manufacturier à atteindre, avec le temps, un haut degré d’amélioration continue.
Par Zvi Feuer et Zvi Weissman, Manufacturing Engineering Software Solutions chez Siemens PLM Software
