Mettre en œuvre l’ingénierie mécanique avancée via un jumeau numérique

L’AME permet aussi d’accélérer le démarrage de la production, et ce grâce à la conception et à la mise en service virtuelles, qui améliorent la validation initiale, réduisent les délais de mise en service et boostent la productivité.

Qu’est-ce que l’ingénierie mécanique avancée ?
Le développement de nouvelles technologies de fabrication innovantes fait progresser les processus d’ingénierie mécanique, impulsant des changements positifs dans le secteur des machines industrielles et incitant les constructeurs à agir face aux défis et aux tendances auxquels ils sont confrontés. La personnalisation exigée par les consommateurs fait partie de ces tendances, et elle entraîne une réduction de la taille des séries fabriquées et de la durée de vie des produits. Utiliser ces technologies innovantes pour créer des machines intelligentes peut augmenter le flux d’informations et déboucher sur une hyper-automatisation, permettant ainsi aux constructeurs de machines d’exploiter de grandes quantités de données et de garder une longueur d’avance face à la concurrence internationale des start-up agiles.
 
En réponse à ces tendances, l’ingénierie mécanique avancée (ou AME, pour advanced machine engineering) permet le développement de machines de nouvelle génération, en favorisant la collaboration entre les nombreuses disciplines impliquées dans la fabrication de machines sophistiquées. L’AME permet aussi d’accélérer le démarrage de la production, et ce grâce à la conception et à la mise en service virtuelles, qui améliorent la validation initiale, réduisent les délais de mise en service et boostent la productivité. En outre, des fonctionnalités avancées gèrent désormais l’ensemble de la nomenclature pour toutes les options et variantes, ce qui facilite la tâche des constructeurs de machines pendant toute la durée de vie de leurs produits, c’est-à-dire de la conception à la fabrication et tout au long de la période de service.
 
Conception pluridisciplinaire
Aujourd’hui, les machines ne sont plus seulement des assemblages mécaniques. Les moteurs électriques et les mécanismes rotatifs qui actionnent les pignons des arbres à cames sont pilotés par des logiciels et des codes de contrôleur logique programmable (PLC), ce qui permet d’améliorer les performances en enrichissant et en optimisant ces programmes. Ces logiciels s’adaptent aux conditions régnant dans l’usine, ce qui permet aux machines de réagir aux mesures en temps réel effectuées par les capteurs. Les dispositifs et fonctionnalités mécaniques étant progressivement remplacés par des logiciels, les concepteurs doivent également prendre en considération les aspects mécanique, électrique et fluidique de la conception de machines.
 
Mettre en commun les connaissances et les compétences au sein d’un environnement plus collaboratif garantit une conception de qualité, c’est-à-dire une machine dont tous les composants fonctionnent correctement ensemble. Concevoir une machine moderne ne se réduit pas à l’équiper de capteurs électriques et de câbles, mais s’apparente davantage à une forme d’art. La machine constituant une solution intégrée, cela crée une harmonie dans la conception pluridisciplinaire, qui n’existait pas lorsque les disciplines impliquées travaillaient isolément.
 
Gestion de la nomenclature pluridisciplinaire et des configurations
À une époque où la plupart des machines modernes sont configurées à la demande, la nomenclature pluridisciplinaire offre aux constructeurs une plus grande flexibilité pour répondre aux exigences de personnalisation de leurs clients. Une nouvelle commande de machine constitue souvent un nouveau projet. Par conséquent, les constructeurs doivent assurer le suivi des différentes options et variantes afin d’intégrer le cahier des charges dans la gestion du projet et des modifications, tout en gérant l’ensemble de la nomenclature pendant toute la vie du produit. Ce processus commence par l’ingénierie originale des phases de conception et de fabrication et se poursuit par la gestion de la nomenclature pendant toute la période de service de la machine.
 
Une certaine capacité de planification est requise pour chaque discipline d’ingénierie, car cela permet une approche plus agile. Il est également nécessaire de garantir tout au long du projet la traçabilité des exigences du client et de l’ingénierie, mais aussi celle de l’activité des ingénieurs en conception mécanique, en électricité et en contrôle. Ce processus part du document général contenant le cahier des charges du client et se poursuit par sa prise en compte dans la structure de la nomenclature et son association à la tâche requise pour la production de l’élément livrable.
 
Ce processus permet de réduire les risques et d’être sûr de répondre aux exigences du client, et donc d’intégrer des solutions logicielles sophistiquées dans chaque machine.
 
Simulation et mise en service virtuelles des machines
Un jumeau numérique permet aux constructeurs de valider une machine avant son installation physique dans l’usine, en testant virtuellement son code logiciel ; c’est ce que l’on appelle la mise en service virtuelle.
 
Le comportement d’une machine étant piloté par logiciel, simuler le code en l’exécutant sur un jumeau virtuel de la machine permet d’économiser beaucoup de temps et de ressources. Avec la mise en service virtuelle, le logiciel du contrôleur logique programmable est validé dans un environnement géré, dans le cadre d’une stratégie de développement de produits totalement modulaire. Désormais, les constructeurs de machines peuvent utiliser la simulation immédiatement et lier les logiciels aux modules. Cette méthode révolutionnaire permet aux entreprises du secteur d’être compétitives.
 
En outre, la simulation virtuelle offre des avantages en matière de sécurité physique. Il est nettement moins dangereux et moins coûteux de réparer une machine qui est entrée en collision dans le monde virtuel que d’intervenir sur une machine physique endommagée. La mise en service virtuelle contrôle le comportement des moteurs et l’intègre dans la cinématique. Cette fonctionnalité est extrêmement utile car il se peut que le mouvement d’un mécanisme d’une machine soit plus rapide que prévu, résultant en une charge d’impact plus importante. Répliquer la cinématique dans la mise en service virtuelle permet donc de découvrir les risques potentiels et d’y remédier rapidement.
 
De plus, grâce à la visualisation et à la mise en service virtuelles, les constructeurs peuvent permettre à leurs clients d’interagir avec leurs machines en réalité virtuelle. Il devient ainsi possible de former virtuellement le personnel qui utilisera les machines physiques, afin qu’il soit opérationnel dès leur installation. D’un point de vue financier les avantages sont énormes, car personne n’achète une machine sans l’avoir vue, ni sur la foi de l’affirmation par le constructeur qu’il a réalisé une simulation virtuelle en exécutant du code logiciel. Par conséquent, avant d’accepter qu’une machine soit livrée dans son usine, un client a besoin d’avoir la preuve qu’elle fonctionne virtuellement.
 
La société Tronrud Engineering est une parfaite illustration des avantages de la mise en service virtuelle. Depuis plus de 40 ans, cette entreprise développe, produit et commercialise des machines et des équipements innovants. Le jumeau numérique d’une nouvelle machine permet à ses concepteurs, ingénieurs et programmeurs de travailler simultanément et de continuellement interagir et partager leurs connaissances. En adoptant la simulation et la mise en service virtuelles, Tronrud Engineering a réduit de 70 % son délai de mise en service et de 25 % la durée de la phase d’ingénierie. Ce qui a eu un effet très bénéfique sur son résultat net.
 
Mettre en œuvre un jumeau numérique
Aujourd’hui, concevoir, valider et gérer des machines de fabrication et d’assemblage de manière à atteindre une excellente qualité tout en optimisant les coûts représente un défi colossal. C’est pourquoi l’ingénierie mécanique avancée allie le développement d’un jumeau numérique et le cadre de conception collaborative de ces disciplines (conception pluridisciplinaire, mise en service virtuelle et gestion de la nomenclature pluridisciplinaire et des configurations) pour développer une suite complète de construction de machines.
 
Le jumeau numérique représente de façon virtuelle l’intégralité de la configuration d’un produit et des informations associées, et ce tout au long du cycle de vie du produit. Cette représentation offre une continuité numérique qui permet de créer et maintenir à jour ce jumeau numérique. Un jumeau numérique est une description d’un système basée sur la physique, qui résulte de la génération, de la gestion et de l’application de données, de modèles et d’informations issus de sources faisant autorité pendant tout le cycle de vie de ce système. Le jumeau numérique est bien plus qu’un modèle descriptif ou un ensemble de données numériques : c’est une description physique complète du produit et de ses comportements.
 
Concevoir des machines plus complexes ne suffit pas pour satisfaire les besoins actuels en matière de personnalisation et d’efficience opérationnelle des équipements sophistiqués. Une continuité numérique supportant les jumeaux numériques des produits englobe tous les domaines, surtout celui des logiciels, et ce pendant tout le cycle de vie des produits. Un jumeau numérique doit être continuellement synchronisé avec la configuration la plus récente de la machine. Disposer d’un jumeau numérique complet est indispensable pour pouvoir construire des machines complexes dans un environnement concurrentiel.
 
Des machines, du code et des logiciels, tous plus intelligents
Pour les constructeurs de machines confrontés à la mondialisation de la concurrence, à l’érosion de leurs marges, au développement rapide de la personnalisation, aux réglementations environnementales et gouvernementales, ainsi qu’à Industrie 4.0 et à d’autres initiatives visant à rendre les usines intelligentes, utiliser des logiciels sophistiqués est devenu une nécessité. Face à ces défis de taille, les machines doivent devenir plus intelligentes.
 
En ce qui concerne la conception des machines, il est principalement nécessaire d’innover dans les domaines du processus de développement et du fonctionnement. La différence entre une bonne machine et une excellente machine, c’est le niveau de qualité et d’innovation du code d’automatisation. Un code excellent se traduit par des interfaces utilisateur intuitives ; il simplifie l’utilisation des machines et exploite les nouvelles fonctionnalités matérielles. Il utilise des algorithmes logiciels pour permettre aux machines de fonctionner de façon plus rapide et plus sûre et réduire les contraintes physiques sur leurs composants.
 
Pour autant, il ne suffit pas que le code soit bien écrit. Le code des machines actuelles est extrêmement complexe. Il est crucial de le tester dans le monde virtuel, pour tous les scénarios d’utilisation possibles, avant de le charger sur une machine physique. Les entreprises sont sous pression car elles doivent produire rapidement des machines plus complexes et hautement personnalisées. Il ne leur est donc plus possible de procéder en toute sécurité à une validation exclusivement physique de leurs machines.
 
Chaque machine est livrée au client avec des fichiers binaires contenant la version compilée du code qui pilote leur fonctionnement et l’interface utilisateur. Avec les pratiques conventionnelles, les programmeurs travaillent d’arrache-pied avant la livraison de la machine pour apporter les modifications de dernière minute au code embarqué. Dans cet environnement chaotique, il est impératif de conserver une copie verrouillée de la version définitive du code, qui pourra être utilisée à différentes fins : maintenance, sauvegarde en prévision d’une catastrophe, enseignements à retenir pour les futures machines et mise à niveau des machines précédentes déjà déployées.
 
Par conséquent, disposer d’un référentiel de code est nécessaire mais pas suffisant. Chaque variante logicielle doit aussi être traçable et récupérable à l’aide du numéro de série de la nomenclature de la machine. Ces enregistrements traçables de toutes les mises à niveau matérielles et logicielles représentent le « jumeau numérique vivant » de la machine.
 
L’avenir de l’ingénierie mécanique avancée
Des solutions d’ingénierie mécanique avancée apparaissent, qui permettent de faire face aux défis et aux tendances auxquels le secteur de la construction mécanique est confronté. Ces solutions englobent la conception pluridisciplinaire, la simulation et la mise en service virtuelles et la gestion de la nomenclature pluridisciplinaire et des configurations.
 
Xcelerator, notre gamme complète et intégrée, inclut des logiciels, des services et une plateforme de développement d’applications. Elle accélère la digitalisation des entreprises et déclenche un puissant effet de réseau industriel, deux conditions essentielles pour pouvoir transformer la complexité en avantage concurrentiel – quels que soient l’entreprise et le secteur d’activité – et effectuer une transition en douceur afin d’être en mesure de créer les machines complexes et efficientes de demain.
 
À propos de l’auteur :
Bill Davis est directeur des solutions pour le secteur de la construction mécanique et des équipements lourds chez Siemens Digital Industries Software. Son expérience et son savoir-faire sont le fruit de plus 30 ans de carrière dans les domaines de l’ingénierie et de la gestion des opérations au sein de différents constructeurs de machines industrielles et d’équipements lourds. Il est titulaire d’un MBA (Master of Business Administration) de l’université de Marquette (Wisconsin), avec une spécialisation en gestion des opérations et en marketing stratégique, et d’un diplôme de Bachelor of Science en ingénierie mécanique de la Milwaukee School of Engineering.

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Marie Almeida

marie.almeida@siemens.com