Jumeaux numériques : Un guide pour les fabricants

L'adoption de l'Internet des objets (IoT) dans les environnements industriels ayant augmenté au fil des ans aux côtés des systèmes de fabrication intelligents, les entreprises ont de plus en plus cherché 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 les objets physiques dans un environnement de fabrication avec des systèmes numériques pour aider à augmenter et à améliorer la façon dont les produits sont développés. Selon Deloitte, l'investissement dans la technologie des jumeaux numériques devrait atteindre 16 milliards de dollars d'ici 2023.

Dans cet article, 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 matière d'amélioration continue.

Un jumeau numérique est une représentation ou un modèle dynamique et virtuel d'une pièce, d'un objet, d'une machine, voire d'un processus de production complet. Il se compose de l'objet physique lui-même, de la représentation virtuelle de cet objet 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.

Les humains ont ainsi la possibilité de voir comment un objet physique réagirait dans des conditions et des circonstances variables, tout en exploitant les données en temps réel du monde physique, mais dans un environnement virtuel.

Pour collecter les données, les jumeaux numériques utilisent une combinaison de réalité virtuelle et augmentée pour visualiser les objets, ainsi que des appareils et des capteurs IoT pour collecter les données de l'environnement dans lequel l'environnement physique existe. Cela garantit que le jumeau numérique représente avec précision un objet ou un processus à tout moment dans l'usine.

En raison de ces caractéristiques, un jumeau numérique utilisé dans un cadre 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 une ligne de production entière, 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 "Mirror Worlds" comme des poupées vaudoues de haute technologie, des représentations numériques d'environnements physiques à grande échelle (écoles, hôpitaux, villes) qui peuvent être manipulées et avec lesquelles on peut interagir à l'aide d'un ordinateur de bureau.

Si les écrits de Gelernter étaient largement spéculatifs et prévoyaient ce qui pourrait arriver dans un avenir lointain, il n'a pas fallu longtemps pour que les technologues commencent 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 un cas d'utilisation de la gestion du cycle de vie des produits.

Le nom "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. Depuis lors, il a été appliqué dans d'innombrables secteurs différents, 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 une éolienne. Les éoliennes peuvent être utilisées dans un certain nombre d'environnements différents, à la fois sur terre et en mer, dans une variété de climats, de températures, de conditions météorologiques, etc.

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

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

Il en résulte une prévision beaucoup plus précise de la fonctionnalité et du rendement de l'éolienne sur une période donnée.

Ce même concept peut être appliqué à un certain nombre de produits physiques, offrant aux fabricants un moyen plus précis de prévoir 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 de jumelage numérique de plusieurs façons distinctes, ce qui donne des résultats différents et uniques à cette entité de production.

Voici quelques façons dont les fabricants utilisent la technologie de jumelage numérique pour améliorer leurs opérations.

Test 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, faisant de la conception et de l'amélioration des produits un processus plus efficace. L'intégration avec d'autres systèmes garantit également que les processus de test et d'évaluation sont ancrés dans des données correctes et précises.

Améliorer la conception des systèmes de production : Les applications de jumelage numérique vont au-delà des produits singuliers. Au contraire, elles incluent également des systèmes de production entiers.

Les fabricants utilisent les jumeaux numériques pour analyser les systèmes de lignes de production et les dispositions proposées, ce qui permet au personnel clé de se faire 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 les systèmes numériques pour avoir une vue d'ensemble optimisée des processus en dehors de l'usine, notamment des chaînes d'approvisionnement et de livraison.

Surveillance des équipements et maintenance préventive : Cette technologie est largement appliquée aux équipements de l'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 des équipements.

Grâce aux capacités d'IA et d'apprentissage automatique de l'industrie 4.0, les jumeaux numériques peuvent signaler les pannes 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 vraie machine au sol. On obtient ainsi une forme et des spécifications précises sur lesquelles le technicien peut baser son travail.

Alors que la quatrième révolution industrielle se poursuit, 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 de fabrication.

Ces avantages sont les suivants

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

• Amélioration de l'efficacité globale des équipements : Les fabricants utilisent les jumeaux numériques pour la gestion du cycle de vie de leurs actifs. L'approche de surveillance constante en temps réel leur permet de devancer 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 pratiques de gestion de la qualité.

• Une gestion logistique plus efficace : L'utilisation de jumeaux numériques pour planifier et surveiller l'ensemble des opérations fournit 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 résument à une amélioration de la rentabilité de l'entreprise de fabrication. 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.

Alors que 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 vraiment significatifs pour les fabricants. Et alors que cette technologie commence tout juste à être adoptée par l'industrie, il est prévu que la fonctionnalité de jumeau numérique devienne une caractéristique standard dans environ 88% des plateformes IoT d'ici 2025.

Comme la technologie devient plus largement disponible, il est logique que les entreprises comprennent comment s'y prendre pour construire des jumeaux numériques afin de soutenir leurs opérations. Voici quelques recommandations d'experts du secteur :

1. Définissez 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 façon dont vous travaillez actuellement ? Comprendre l'objectif de la mise en œuvre de toute technologie et communiquer clairement les attentes avec les principales parties prenantes est une pratique importante dans tout projet à grande échelle.

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, en temps réel, avec lequel il est possible d'interagir. L'équipement peut inclure n'importe quel nombre de dispositifs IoT, de capteurs et de moniteurs, et les logiciels peuvent inclure des solutions de CAO 3D pour concevoir le modèle ainsi que des plateformes IoT pour afficher le jumeau réel 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 s'y prendre :

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

2. Les outils numériques de fabrication tirent parti de l'Internet des objets pour tirer des données de l'équipement au sol et les transmettre en temps réel au logiciel de jumeau numérique.

3. Ce logiciel, connu sous le nom de moteur de jeu, rend les données et applique une physique avancée pour fournir un jumeau numérique compréhensible qui reflète les entrées IoT en temps réel.

4. Le logiciel jumeau numérique choisi doit disposer de fonctions de contrôle de version. Cela permet de synchroniser toutes les modifications du jumeau numérique, fournissant au personnel autorisé un accès au même fichier à jour.

En plus des jumeaux numériques, les fabricants sont constamment à la recherche de nouvelles opportunités d'amélioration continue au sein de leurs opérations.

La plateforme intuitive et composable deTulippermet aux entreprises de suivre chaque action au fur et à mesure qu'elle se produit sur les lignes de production, les sites et les installations du monde entier.

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