Les jumeaux numériques : Un guide pour les fabricants

L'adoption de l'internet des objets (IoT ) dans les environnements industriels s'est accrue au fil des ans, parallèlement aux systèmes de fabrication intelligents, et les entreprises cherchent de plus en plus à tirer parti de ces outils pour améliorer leur mode de fonctionnement ainsi que leur productivité et leur efficacité.

Une tendance qui s'est développée ces dernières années est l'utilisation de jumeaux numériques pour connecter des objets physiques dans un environnement de fabrication avec des systèmes numériques afin d'augmenter et d'améliorer la façon dont les produits sont développés. Selon Deloitte, les investissements dans la technologie des jumeaux numériques devraient atteindre 16 milliards de dollars d'ici à 2023.

Dans ce billet, nous allons explorer l'histoire des jumeaux numériques, la façon dont ils ont été adoptés dans les industries manufacturières et les avantages qu'ils offrent aux entreprises en ce qui concerne la conduite de Amélioration continue.

Un jumeau numérique est une représentation ou un modèle dynamique et virtuel d'une pièce, d'un objet, d'une machine ou même d'un processus de production complet. Il se compose de l'objet physique lui-même, de sa représentation virtuelle et de la fonctionnalité de connexion qui permet aux données de circuler entre l'objet physique et l'objet virtuel.

Compte tenu de sa fonctionnalité interactive et dynamique, un jumeau numérique va au-delà d'un simple plan numérique et inclut tous les éléments et la dynamique de l'existence et du fonctionnement d'un objet dans le monde réel.

Cela permet aux humains de voir comment un objet physique réagirait dans des conditions et des circonstances différentes, tout en exploitant des données en temps réel provenant du monde physique, mais dans un environnement virtuel.

Afin de collecter des données, les jumeaux numériques utilisent une combinaison de réalité virtuelle et augmentée pour visualiser les objets, ainsi que des dispositifs et des capteurs IoT pour collecter des données à partir de l'environnement physique. Cela permet de garantir que le jumeau numérique représente avec précision un objet ou un processus à un moment donné dans l'usine.

Grâce à ces caractéristiques, un jumeau numérique utilisé dans un environnement de fabrication peut être appliqué à un seul composant critique ou à une machine entière. Dans le cadre d'une utilisation plus large, la technologie peut également être utilisée pour cartographier et surveiller l'ensemble d'une chaîne de production, voire les opérations de production dans leur ensemble.

Le concept de jumeaux numériques a été introduit pour la première fois en 1991 dans le livre Mirror Worlds, écrit par David Gelernter. Il y décrit les "mondes miroirs" comme des poupées vaudou de haute technologie, des représentations numériques d'environnements physiques à grande échelle (écoles, hôpitaux, villes) que l'on peut manipuler et avec lesquelles on peut interagir à l'aide d'un ordinateur de bureau.

Alors que les écrits de Gelernter étaient largement spéculatifs, prévoyant ce qui pourrait arriver dans un avenir lointain, il n'a pas fallu longtemps aux technologues pour commencer à appliquer le concept de manière très concrète. Par exemple, en 2002, le Dr Michael Grieves a commencé à trouver des moyens d'appliquer concrètement la technologie dans l'industrie manufacturière, en développant un modèle qui appliquait tous les éléments d'un jumeau numérique à la gestion du cycle de vie d'un produit cas d'utilisation.

Le terme "jumeau numérique" a été inventé en 2010 par John Vickers dans un rapport de la NASA intitulé Technology Area 12 : Materials, Structures, Mechanical Systems, and Manufacturing Road Map (domaine technologique 12 : matériaux, structures, systèmes mécaniques et fabrication). Depuis lors, ce concept a été appliqué à d'innombrables industries différentes, permettant aux humains d'interagir avec des produits et des environnements physiques à l'aide d'un support numérique transparent.

L'un des exemples les plus courants pour expliquer le concept de jumeau numérique est celui d'une éolienne. Les éoliennes peuvent être utilisées dans un certain nombre d'environnements différents, à la fois sur terre et en mer, dans une grande variété de climats, de températures, de conditions météorologiques, etc.

Cela représente un défi de taille pour les entreprises énergétiques qui tentent de prévoir la quantité d'énergie qu'une éolienne donnée est capable de produire, compte tenu de la variabilité importante de l'environnement physique dans lequel l'éolienne est placée.

Pour que l'entreprise énergétique puisse prévoir avec plus de précision le fonctionnement d'une turbine en fonction de l'environnement dans lequel elle est placée, elle pourrait envisager de construire un jumeau numérique, ce qui lui permettrait de collecter des données en temps réel à partir de capteurs placés sur la turbine physique, d'introduire ces données dans une réplique numérique de la turbine et d'exécuter différents modèles d'intelligence artificielle pour tester les différentes conditions auxquelles la turbine pourrait être exposée.

On obtient ainsi une prévision beaucoup plus précise du fonctionnement et de la production de l'éolienne sur une période donnée.

Ce même concept peut être appliqué à un grand nombre de produits physiques, offrant aux fabricants un moyen plus précis de prédire le fonctionnement de leurs produits en fonction des différents environnements et conditions auxquels ils peuvent être exposés.

Les différentes opérations de fabrication ont des exigences diverses et des systèmes spécifiques à leurs processus de production. C'est pourquoi les fabricants peuvent appliquer la technologie des jumeaux numériques de plusieurs manières différentes, ce qui donne des résultats propres à l'entité de production concernée.

Voici quelques exemples de la manière dont les fabricants exploitent la technologie du jumeau numérique pour améliorer leurs opérations.

Essais et évaluation de prototypes : Les entreprises qui utilisent des techniques de fabrication innovantes préfèrent les jumeaux numériques aux prototypes physiques. Les premiers peuvent être manipulés plus facilement pour inclure des changements et des rectifications, ce qui rend la conception et l'amélioration des produits plus efficaces. L'intégration avec d'autres systèmes garantit également que les processus d'essai et d'évaluation s'appuient sur des données correctes et précises.

Améliorer la conception des systèmes de production : Les applications des jumeaux numériques ne se limitent pas aux produits individuels. Elles englobent également des systèmes de production entiers.

Les fabricants utilisent les jumeaux numériques pour analyser les systèmes et les dispositions des lignes de production proposées, ce qui permet au personnel clé d'avoir une idée plus précise avant le début de l'installation. Par exemple, les fabricants peuvent utiliser les données extraites des jumeaux numériques pour effectuer des simulations de lignes de production afin d'identifier et de rectifier tout problème potentiel dans le système.

En outre, les fabricants utilisent des systèmes numériques pour avoir une vue d'ensemble optimisée des processus en dehors de l'usine, y compris les chaînes d'approvisionnement et de livraison.

Surveillance des équipements et maintenance préventive : Cette technologie est largement appliquée aux équipements en usine. Les jumeaux numériques des machines offrent un équivalent virtuel précis en temps réel, fournissant au personnel de maintenance des paramètres détaillant la santé et les performances de l'équipement.

Grâce aux capacités d'IA et de Apprentissage machine de l'industrie 4.0, les jumeaux numériques peuvent signaler les défaillances imminentes, ce qui permet aux fabricants de les devancer.

Le personnel de maintenance peut alors utiliser des lunettes de réalité augmentée pour visualiser les modèles précis posés sur la machine réelle au sol. Cela permet d'obtenir des formes et des spécifications précises sur lesquelles le technicien peut baser son travail.

À l'heure de la quatrième révolution industrielle, les usines intelligentes adoptent de plus en plus de technologies pour rendre leurs opérations de production plus rentables. La technologie des jumeaux numériques est une approche qui offre de nombreux avantages à ces entreprises manufacturières.

Ces avantages sont les suivants

• Une meilleure efficacité de la production : Les simulations de chaînes de production réalisées à l'aide de jumeaux numériques identifient les éventuels goulets d'étranglement dans les opérations, ce qui permet aux fabricants d'optimiser leur système pour améliorer la productivité et l'efficacité de la production.

• Amélioration de l'efficacité globale de l'équipement : Les fabricants utilisent des jumeaux numériques pour la gestion du cycle de vie de leurs actifs. L'approche de surveillance constante en temps réel leur permet d'anticiper les pannes d'équipement en facilitant la maintenance prédictive.

• Amélioration de la qualité des produits : Les jumeaux numériques jouent un rôle important dans la conception et le prototypage des produits. La technologie fournit des informations détaillées qui permettent aux fabricants de concevoir des produits idéaux pour leurs clients et d'améliorer les pratiquesGestion de la qualité .

• Une gestion logistique plus efficace : L'utilisation de jumeaux numériques pour planifier et contrôler l'ensemble des opérations permet d'obtenir des informations sur le processus de production global de l'entreprise. Les fabricants peuvent ainsi contrôler plus efficacement les chaînes d'approvisionnement et de livraison.

• Amélioration de la rentabilité globale de l'entreprise : Ces avantages se traduisent par une amélioration de la rentabilité de l'entreprise manufacturière. L'entreprise dépense moins pour les opérations de réparation et de rééquipement et satisfait également ses clients avec de meilleurs produits et une meilleure exécution des commandes.

Si le concept de jumeaux numériques peut sembler intimidant et compliqué, la technologie peut être appliquée à un certain nombre de cas d'utilisation différents, avec des avantages réellement significatifs pour les fabricants. Alors que cette technologie commence tout juste à être adoptée par l'ensemble de l'industrie, on prévoit que la fonctionnalité de jumeau numérique deviendra une caractéristique standard dans environ 88 % des plateformes IoT d'ici à 2025.

La technologie étant de plus en plus répandue, il est logique que les entreprises comprennent comment construire des jumeaux numériques pour soutenir leurs opérations. Voici quelques recommandations d'experts du secteur :

1. Définir clairement l'objectif et la portée du projet - Que prévoyez-vous de refléter avec votre jumeau numérique ? Quel sera l'impact de la technologie sur la manière dont vous exercez actuellement vos activités ? Comprendre l'objectif de la mise en œuvre d'une technologie et communiquer clairement les attentes avec les principales parties prenantes est une pratique importante dans tout projet de grande envergure.

2. Comprendre les outils nécessaires au projet - La construction d'un jumeau numérique nécessite un large éventail de logiciels et de matériels différents pour créer un modèle précis et en temps réel avec lequel il est possible d'interagir. L'équipement peut comprendre un certain nombre d'appareils IoT , de capteurs et d'écrans, et les logiciels peuvent inclure des solutions 3D CAO pour concevoir le modèle ainsi que des plates-formes IoT pour afficher le jumeau lui-même. Comprendre l'application réelle de votre jumeau numérique vous aidera à déterminer les différents équipements et solutions dont vous aurez besoin pour mener à bien votre projet.

Voici comment procéder :

1. Utiliser des solutions numériques de conception assistée par ordinateur (CAO) pour créer des répliques virtuelles en 3D qui peuvent être connectées à d'autres outils numériques de fabrication.

2. Les outils de fabrication numérique s'appuient sur l'internet des objets pour extraire des données de l'équipement sur le terrain et les introduire en temps réel dans le logiciel de jumeau numérique.

3. Ce logiciel, connu sous le nom de moteur de jeu, rend les données et applique des principes physiques avancés pour fournir un jumeau numérique compréhensible qui reflète les entrées du site IoT en temps réel.

4. Le logiciel de jumeau numérique choisi doit être doté de fonctions de contrôle des versions. Cette fonction synchronise toutes les modifications apportées au jumeau numérique, ce qui permet au personnel autorisé d'avoir accès au même fichier actualisé.

Outre les jumeaux numériques, les fabricants sont constamment à la recherche de nouvelles possibilités d'exploiter le site Amélioration continue dans le cadre de leurs activités.

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