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juin
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Quel sera donc le futur de l’industrie avec toutes les nouvelles technologies qui émergent chaque année ?

Industry 4.0 – Source : zdnet

Présentation de l’auteur : Je m’appelle Solal Tinant, j’ai actuellement 21 ans et je suis en 4e année à l’INSA de Strasbourg dans la filière Génie électrique par alternance.

Je travaille chez Schneider Electric à Grenoble dans le centre de recherche et développement monde de l’entreprise. J’occupe un poste d’automaticien et je travaille sur les récentes technologies mises en place dans les nouvelles lignes de production qui fabriquent les produits de dernière génération qui sortent de R&D.
Dans le cadre de mon travail, je m’intéresse de près à l’émergence de « l’industrie 4.0 » car je travaille directement sur les nouveaux types de lignes de production et ses technologies associées.
Précisément, je travaille majoritairement sur un logiciel dont le but est de collecter des données de production, les traiter en temps réel, ainsi que de faire de la gestion des processus industriels.

Présentation de l’article : Dans cet article je commencer par une brève introduction sur le sens du terme industrie 4.0 ainsi qu’un petit historique du progrès technologique dans la production industrielle, j’expliciterai ensuite les différentes nouvelles technologies qui ont permis l’émergence de nouvelles manières de produire et enfin, les promesses d’une telle industrie, les difficultés à sa mise en place et les attentes des industriels concernant les employés.

J’aurais aimé vous fournir un exemple direct de mon travail et donc l’application des différentes technologies que j’explicite mais, malheureusement, comme je travaille sur un domaine en pleine expansion et dont aucun grand groupe n’a pris le leadership, le secret professionnel est de mise.

 

Sommaire

  1. Qu’est-ce que l’industrie 4.0
  2. Les principales technologies de l’industrie 4.0
    • Internet of things
    • L’impression 3D
    • Les cobots : robots collaboratifs
    • La réalité augmentée
    • Les systèmes cyber-physiques
    • Le big data industriel
  3. Les promesses de l’industrie 4.0
  4. Les difficultés de mise en place au sein de l’entreprise

 

1. Qu’est-ce que l’industrie 4.0 

L’industrie 4.0 est un projet initialement mené par les industriels allemands et supporté par le gouvernement dans son « High-Tech Strategy 2020 Action Plan » afin de promouvoir l’informatisation des processus de fabrication industriel.

Le but est l’usine intelligente hautement connectée, afin d’arriver à termes à :

  • Une haute adaptabilité pour répondre à la demande en temps réel
  • Une bonne gestion des matériaux et de l’énergie
  • Une durabilité environnementale
  • Une traçabilité poussée
  • Un rendement optimal
Historique

Le terme « Industrie 4.0 » fait référence à une 4e révolution industrielle. La première révolution commença avec l’utilisation de la puissance vapeur et des premières machines. La deuxième révolution industrielle introduit l’énergie électrique et la division des tâches afin de produire en masse. La troisième démarra avec l’utilisation de l’électronique, des API (Automate Programmable Industriel) et des SCADA (Systèmes de supervision) dans l’optique de produire de manière automatisée.

From Industry 1.0 to 4.0 – Source : DFKI (2011)

Un groupe de travail allemand sur l’industrie 4.0 a été mis sur pied en 2012 et le rapport final « Recommandations pour l’implémentation d’une initiative stratégique : Industrie 4.0 » a été publié en Avril 2013 à la foire de Hanovre. Le but est clair : donner à l’Allemagne un leadership dans la fabrication industrielle et de maintenir sa domination dans le secteur de la fabrication d’équipements pour les prochaines décennies. 

Des actions gouvernementales similaires ont été menées aux Etats-Unis avec le « Smart Manufacturing Leadership Coalition », en Italie avec « La Fabbrica del Futuro » et en France avec « L’Industrie du Futur ». Les experts prévoient que cette 4e révolution industrielle devrait devenir une réalité d’ici 10 ou 20 ans, mais c’est déjà en train de générer de nouveaux modèles de business dans certaines industries.

Actuellement, de nombreuses entreprises pensent à leur transformation digitale, la manière selon laquelle l’informatisation de l’économie va modifier leurs produits, leur marché, leur logistique et leur manière de produire. Dans cette optique, l’Industrie 4.0 devient de plus en plus sensée et pas seulement pour les producteurs de machines germaniques. Ces dernières années, un grand nombre de technologies capables de changer la manière de produire ont émergé comme de potentielles trouble-fêtes de l’industrie dite traditionnelle.

Les plus significatives sont les suivantes :

  • Internet of Things (IoT) : en français l’internet des objets, qui pourra mener à de nouveaux produits manufacturés et à de nouveaux services
  • L’impression 3D qui amène de nouvelles technologies de production
  • La réalité augmentée pour améliorer la maintenance des équipements industriels
  • Les robots collaboratifs (ou cobots), afin d’augmenter la productivité, l’efficience et la sécurité des travailleurs
  • Les systèmes cyber-physiques (SCP) afin d’améliorer la vitesse et de sécuriser les flux de production
  • Le Big Data industriel, afin d’augmenter l’efficience des entreprises et de proposer de nouveaux services
  • La simulation d’usines virtuelles  afin d’améliorer la conception et le flux d’ingénierie

 

2. Les principales technologies de l’industrie 4.0

a) Internet of things

L’Internet of Things (IoT) ou l’internet des objets se réfère à l’interconnexion d’objets avec de l’informatique embarquée. Il représente l’extension d’Internet à des choses et à des lieux du monde physique.

Typiquement, on attend de l’IoT qu’il nous offre une informatique omniprésente à travers une connectivité avancée de produits, de systèmes et de services. On s’attend à ce que l’interconnexion de tous ces objets apparaissent dans presque tous les domaines de l’automation et peut-être même de la vie courante dans les prochaines années.

The IoT – Source : la lettre du cloud

« Things », Dans IoT, se réfère à une large portée d’objets comme les Google glasses, les ampoules connectées, ou encore des habits avec GPS intégré ou un moniteur de rythme cardiaque. Chaque mois de nouveaux objets connectés font leur apparition et certains ont d’ailleurs gagné des parts de marché significatives comme les thermostats intelligents.

Due à la nature omniprésente des objets connectés, un nombre remarquable de systèmes seront connectés à Internet. Selon une grande compagnie de recherche, il y aura approximativement 30 milliards de systèmes dans l’IoT d’ici 2020. Une étude récente du Pew Research Internet Project a montrée qu’une large majorité (83%) des experts de la technologie et des utilisateurs d’internet sont d’accord sur le fait que l’IoT aura des effets répandus et bénéfiques d’ici 2025.

En entreprise, il y a 2 aspects de l’IoT : premièrement la production d’objets classiques, qui seront désormais dotés d’électronique et de capacités de communication, et deuxièmement l’utilisation d’outils de communication, de capteurs et de machines à l’intérieur même de l’usine et des systèmes de production.

La production d’objets IoT

Avec l’IoT, les objets les plus communs de notre quotidien seront dotés d’électronique et de communication. C’est déjà possible d’avoir une balance qui analyse l’évolution de notre poids. Demain, les brosses à dents nous diront à quelle fréquence et combien de temps nos enfants se sont brossés les dents, et notre t-shirt enregistrera quelle distance et à quelle allure nous avons marché.

Thermostat connecté – Source : maison connectee

Tout cela requerra des changements majeurs dans les processus de production de ces produits dits basiques. Les entreprises productrices dotées de technologies traditionnelles auront à inclure électronique et à insérer des composants d’ordination et de communication à certaines étapes de leur processus de fabrication.

Les outils communicants

Le second aspect de l’IoT est l’utilisation de ces objets connectés dans les processus de fabrication. Cela veut dire que les capteurs intelligents et les outils intelligents en général seront disponibles dans l’usine. Ces technologies nous aideront à collecter plus de données sur le processus de fabrication afin de vérifier la conformité et d’optimiser la production en temps réel.

Source : Osisence & Télémécanique

Pour cela, des logiciels ont été ou sont en développement : les Manufacturing Execution Software (MES), dont le but est de collecter ces données, les traiter en temps réel, ainsi que de faire de la gestion des processus industriels. La vraie valeur de ces données viendra de l’analyse de celles-ci ; elles seront utilisées pour une vérification de conformité instantanée, de vérification de non-déviation dans le processus de fabrication, de réglage machine ou encore dans une optique de traçabilité pour le client.

 

b) L’impression 3D

L’impression 3D ou « fabrication additive » est une méthode pour faire un objet à partir d’un modèle 3D à travers un processus dans lequel les couches de matériaux sont posées sous un contrôle informatique précis.

Impression 3D – Source : 3dnatives.com

Les premiers équipements et matériaux ont été développés dans les années 80. Le premier usage de l’impression 3D a été pour le prototypage car elle est assez onéreuse, trop lente et les produits étaient pour l’instant trop fragiles pour une utilisation industrielle.
Cependant, récemment, l’utilisation industrielle d’une telle technologie a augmenté de manière spectaculaire. Dans l’industrie aérospatiale, beaucoup de fabricants ont annoncé le début de l’impression 3D et la certification de nouvelles parties d’avions produites par celle-ci. Un des plus notable exemple est les injecteurs que GE Aviation et Safran ont introduit en 2016 comme la première partie 3D d’un moteur d’avion.

General Electric annonce que cela leur a permis de concevoir une partie qui ne pouvait pas être faire autrement, avec des bénéfices majeurs :

  • Plus léger
  • Design simplifié
  • De nouvelles fonctionnalités en termes de conception et une durabilité 5 fois supérieure par rapport à une fabrication conventionnelle

Mais l’impression 3D a des inconvénients majeurs : c’est un processus de production assez lent, avec seulement quelques matériaux bruts disponibles et dont les machines restent très onéreuses quand on parle d’impression métallique. Cela marche bien pour l’industrie aérospatiale qui a besoin de produire beaucoup de pièces très complexes à une faible cadence, mais ce n’est pas le cas de toutes les industries.
Cependant cela bouge rapidement et déjà Mercedes prévoit d’introduire l’impression 3D en 2018 pour la fabrication de pièces dans son processus de fabrication de sa classe S.

En fait, l’impression 3D nous offre potentiellement deux rêves pour les fabricants :

  • Une conception rapide et peu chère pour la fabrication : Le modèle informatique 3D d’un objet peut directement générer un objet sans le besoin d’outils ou de composants spécifiques
  • Un changement de produit instantané : Vu que la machine a seulement besoin d’un téléversement de fichier pour commencer la production d’un nouveau produit

Et cela ouvre la voie à une personnalisation de masse, la possibilité de faire un produit spécifique pour chaque client, de manière efficiente. Par exemple, Feetz qui imprime des chaussures personnalisées à partir de 3 photos de votre pied.

 

c) Les cobots : robots collaboratifs

Le robot collaboratif est un système moins onéreux, moins contraignant et plus flexible que le robot classique; son rôle est d’assister les humains dans leur travail.

                         Cobot d’assistance à l’effort – Source : Usine digitale

La grande différence entre un robot industriel classique et un cobot, ce n’est pas le fait que le cobot dispose de deux bras et d’une tête équipée de caméras, mais sa capacité à travailler parmi les ouvriers, en toute sécurité. Qu’il s’agisse d’humanoïdes, de bras robots ou de portiques robotisés, cette faculté va vraisemblablement tout changer dans les ateliers.

Ses implications directes sont les suivantes :

  • Equiper les postes de travail les plus pénibles

La première application du cobot, c’est aider l’humain dans ses tâches les plus difficiles. Nous avons un exemple chez la Fonderie mécanique générale castelbriantaise (FMGC) qui exploite depuis un an un cobot d’assistance à l’effort, inventé par le français RB3D. Ils ont placé un cobot sur un poste d’ébarbage, qui est un poste extrêmement pénible. Les opérateurs utilisent des meuleuses de plusieurs kilos afin d’éliminer des morceaux de fonte sur les contrepoids. Théoriquement, il est impossible de robotiser ce poste d’un point de vue économique. Les contrepoids produits par FMGC vont de 500 kg à 15 tonnes. Le cobot, lui, annihile le poids et les vibrations de la meuleuse. Si l’opérateur pilote le cobot, ce dernier porte le poids de l’outil et bloque tout mouvement potentiellement dangereux.

  • Augmenter la productivité à moindres coûts

D’autres cobots sont plus proches des robots traditionnels et sont conçus pour améliorer la productivité. Boog, une PME sarrebourgeoise spécialisée dans l’usinage, a déployé trois robots collaboratifs Universal Robotics. Ces bras robotisés alimentent en pièces deux centres d’usinage et un tour à commande numérique, remplaçant ainsi l’opérateur qui devait se tenir en permanence devant ces machines. Celui-ci ne passe plus qu’une fois toutes les trois heures pour mettre à disposition des robots des bacs de pièces à usiner.
La productivité du poste a été accrue de 35 % depuis la mise en place du cobot. Et ce à moindre coût, car pour les industriels et tout particulièrement les PME, le prix d’une cellule robotisée est élevé. Il faut compter entre 300 000 et 400 000 euros pour le robot lui-même et son enceinte sécurisée, c’est-à-dire les barrières et dispositifs destinés à protéger les opérateurs humains des mouvements aveugles du robot. Avec la robotique collaborative, cette contrainte disparaît. Le robot est équipé de caméras et de capteurs qui scrutent son environnement en permanence. Dès qu’il détecte un humain, il s’immobilise. Les modèles les plus légers s’arrêtent au moindre contact. Une simplicité qui permet à leurs constructeurs de casser les coûts d’accès à la robotique. Universal Robotics annonce un prix inférieur à 50 000 euros pour un poste tout équipé. Même prix cassé pour un cobot RB3D, plus de deux à trois fois inférieur au prix d’un robot traditionnel.

  • Repenser le poste de travail

Le cobot n’est pas là pour remplacer l’opérateur, mais pour le seconder. Afin de réaliser des gains significatifs en termes d’ergonomie et de productivité, il faut repenser la façon dont le binôme va travailler. Un atout clé du cobot, c’est sa simplicité de programmation. Une journée de formation et n’importe quel opérateur de machine-outil peut le programmer. Chez OTV Plast, le robot collaboratif a été installé en deux jours, et son opérateur formé le troisième jour. Il lui faut maintenant seulement quinze minutes pour apprendre au robot à prendre la pièce, la placer dans la fraiseuse, puis la retirer lorsque l’opération d’usinage est terminée. Le cobot pallie ainsi l’absence de souplesse, un inconvénient majeur du robot industriel. Sur un bras tel que l’Universal Robots UR5, l’opérateur programme son nouveau compagnon en le prenant par la main, littéralement. Il lui montre les mouvements à accomplir. Le robot mémorise les points de passage, les actions à faire. Il est immédiatement opérationnel. Plus besoin de faire appel à un programmeur. Et comme un cobot peut facilement être déplacé et s’adapter à une nouvelle tâche, il est possible de le changer de poste de travail, au gré des besoins.

 

d) La réalité augmentée

Le temps passé à la maintenance des équipements dans les industries représente des centaines d’heures par personne et par an. Pour simplifier les démarches et renforcer la traçabilité des équipements, une interface numérique en réalité augmentée s’invite dans les processus de maintenance.

                                                                  Source : magellium

L’entreprise Spie Sud-Ouest  a récemment conçu un outil numérique suite à une demande croissante de nombreux acteurs industriels voulant une dématérialisation et une simplification du processus de maintenance de leurs installations.

Après un diagnostic détaillé des installations (nombre d’équipements, observation du processus de maintenance, temps passé à la saisie des données, problèmes rencontrés etc.), des tags élaborés par la start-up toulousaine partenaire Ubleam sont posés sur les équipements ciblés.

Ces tags peuvent être gravés ou imprimés sur n’importe quel support et sont donc résistants aux environnements difficiles. Tout cela résulte en une utilisation simplifiée pour le technicien.

Dès qu’il reçoit son ordre de mission, le technicien est informé via sa tablette ou son smartphone du client à dépanner, de la nature de l’intervention et du travail à effectuer sur la machine.

Une fois sur place, il scanne le tag et accède à toutes les informations pertinentes et actualisées de la machine grâce à une interface en réalité augmentée : documentation technique à jour, plans, informations sécurité, état réglementaire de l’équipement en temps réel, listes des opérations à exécuter et des visites de contrôle réglementaires, etc.

Ces informations sont au préalable intégrées et mises à jour par les équipes de Spie Sud-Ouest. Il cible la solution technique et bascule le statut de l’équipement sur « en maintenance ». Après avoir réalisé l’opération, il peut ensuite envoyer son rapport directement au client qui est informé en temps réel du contenu de l’intervention.

L’interface peut également servir à des demandes d’interventions, des commandes de pièces de rechange, ou encore à une demande d’assistance.

Cette technologie pourrait à termes se décliner à l’ensemble des activités, il ne manque que le développement de ces solutions.

 

e) Les systèmes cyber-physiques

Un système cyber-physique est un système où des éléments informatiques collaborent pour le contrôle et la commande d’entités physiques.

Dans l’usine de l’avenir, les systèmes cyber-physiques (CPS) sont indispensables. Ils fournissent de manière autonome des informations les concernant et échangent des informations avec d’autres appareils intelligents du réseau. Ils sont identifiés individuellement et toutes leurs activités sont enregistrées et tracées. 

Source : intechopen

Les systèmes de mesure cyber-physiques fournissent des données précieuses concernant la qualité, les états, etc. et forment par conséquent la base de l’usine de l’avenir.

Électronique 

Intelligence interne, circuits de protection, echnologies standard, temps réel

Métrologie 

Acquisition de signaux, haute précision, réduction des incertitudes

Informatique

Connexion entre le monde physique et le monde numérique, interaction avec des capteurs/actionneurs, intégration dans le réseau de l’entreprise, interconnexion entre les systèmes et à l’extérieur, technologies internet

Automates 

Connexion aux logiciels d’automates les plus courants, transfert de données physiques, SPC embarqué

Fusion de données 

Combinaison et calcul de données de différentes sources, fusion de données, réseaux de capteurs/actionneurs

Mécanique 

Boîtier robuste, résistance contre les chocs, intégration dans la machine, fonctionnement continu

 

f) le Big data industriel

Une des autres technologies de l’industrie 4.0 est le big data industriel. Le concept du big data trouve son origine dans l’énorme quantité de données journalières que les compagnies Internet et les médias sociaux rassemblent, et les nouvelles technologies qui émergent pour cela. La compagnie de recherche Gartner défini comme qui suit : « Le Big data est le haut volume, à haute vitesse, et/ou la haute variété d’informations qui requièrent de nouvelles formes de traitement pour nous permettre d’améliorer la prise de décision et l’optimisation de processus ».
                                                             Source : Humanae conseil

En équipant leurs machines et composants avec des fonctionnalités industrie 4.0 et en les connectant, les entreprises pourraient poser les bases d’une gigantesque collection de données de terrain. Cela leur permettrait de détecter rapidement des défauts et des déviations, ce qui veut dire que des actions correctives peuvent être prises immédiatement. Mais encore plus important, les données accumulées serviront à une nouvelle base pour de nouveaux services. En appliquant l’analyse de données, de nouvelles perspectives peuvent s’ouvrir et se transformer en nouveaux services. 

Tous les aspects de la production comme la performance opérationnelle, la réduction des rebuts, l’optimisation des réglages machine, l’amélioration du rendement seront au rendez-vous des améliorations liées à l’étude du big data.

Aussi pourra-t-on avoir une traçabilité exceptionnelle sur les produits fabriqués. Où a-t-il été fabriqué, par quelle équipe, dans quelles conditions, quels sont les tests qu’il a passés etc… Tout ça directement depuis un smartphone, en scannant simplement un QR code sur le côté du produit.

 

3. Les promesses de l’industrie 4.0

Les promesses de l’industrie 4.0 sont bien plus que juste celles du rendement de fabrication :

  • Pour commencer, la promesse d’une nouvelle génération d’objets intelligents qui vont délivrer une valeur cliente à travers la personnalisation et les services internet. L’évolution d’une entreprise de juste fabricante à une entreprise de service : le produit ne sera qu’un élément de la valeur marchande, et les données générées du produit, associées aux analyses du big data vont nous permettre de fournir de nouveaux services.
  • Dans un second temps, c’est une promesse d’un écosystème de fabrication plus innovant. Avec l’avancée des définitions numériques et de la simulation, la capacité à produire n’importe quel objet 3D de manière rapide et l’innovation ouverte à toute personne pouvant modéliser un objet pour impression 3D afin améliorer les produits, on peut s’attendre à une augmentation du renouvellement des produits.
  • Troisièmement, la chaîne d’approvisionnement va clairement bénéficier de l’industrie 4.0. Avec une connexion en temps réel des usines, une définition numérique complète des produits et des processus va simplifier le transfert d’une usine à l’autre ; la chaîne d’approvisionnement va devenir plus réactive et plus efficace.
  • Enfin, l’industrie 4.0 va apporter plus d’efficience. La partie eco-efficiente de l’industrie 4.0 veut dire plus de réduction de matériaux, plus de réduction de l’énergie utilisé pour la fabrication des objets, et des déchets réduits sur tout le processus de fabrication. Les cobots et la réalité augmentée vont augmenter l’efficience des travailleurs. Et le big data industriel va réduire le temps d’arrêt des machines et le volume de déchets produits.

Malheureusement, toutes ces nouvelles technologies comportent leur lot de problèmes et de difficultés à mettre en place.

 

4. Les difficultés de mise en place

  • La fiabilité

Qui dit nouvelle technologie dit remise en question de la fiabilité de celle-ci. Bien que sur le papier, tout cela ait l’air merveilleux, la sur-utilisation de technologie de haut-vol complexifie énormément une tâche qui autrefois aurait été beaucoup plus simple. La mise en place de toutes ces nouveautés permet de se rendre compte que la tâche est extrêmement ardue.
Pour l’heure, beaucoup d’industriels ne se lancent pas encore car il n’y a pas encore de solution tout-en-un qui assure une fiabilité du niveau des anciennes technologies (taux de rebut élevé, arrêts intempestifs, etc…). Il y aura encore un certain temps de latence avant que tout cela ne se démocratise car nous sommes encore dans les premiers pas du domaine.

  • La sécurité

Qui dit informatique et réseaux de communication dans tous les sens dit possibilité de pirater ces mêmes réseaux. Un automate programmé localement et qui ne renvoie pas de données à l’extérieur est dit en circuit fermé ; pour y accéder, il faut se connecter physiquement à celui-ci. Aucune chance qu’un pirate attaque votre bonne vieille montre mécanique non plus. Par contre, un système cyber-physique qui renvoie des données à un serveur lui-même accessible depuis internet est potentiellement attaquable. Et potentiellement commandable. Des personnes malveillantes pourraient ainsi prendre en otage des entreprises comme cela s’est vu récemment avec des virus de type « rançongiciel », qui se faufilent dans les réseaux d’entreprises pour demander une rançon en échange du déblocage de l’ordinateur. Une entreprise peut-elle prendre le risque que des individus à 10 000 km de l’usine bloque la production à cause de défaillance de sécurité ? C’est impensable en effet. Sans compter tous les risques physiques potentiellement mortels pour les opérateurs travaillant à proximité de machine connectées.

  • L’acceptation des employés

Sans doutes n’y pensions nous pas, mais bien évidemment ce changement de technologie et ce décalage de l’industrie de terrain classique vers une industrie informatisée peut rencontrer des blocages en interne. Comment convaincre et former l’employé qui programme ses automates depuis 30 ans de la même manière que, du jour au lendemain, on change sa manière de travailler et donc qu’un grand pan de ses compétences sont désormais obsolètes, et qu’il lui en manque d’autres ? Un travail énorme attend maintenant les organismes de formations des entreprises, et bien-sûr les écoles qui se doivent de former des personnes compétentes qui ont reçu les formations adaptées à l’entreprise de demain*.

L’ingénieur de demain se devra d’avoir, en plus de ses compétences classiques (ingénierie électrique, mécanique, etc…), une certaine culture en informatique, en réseaux de communication ainsi que dans les technologies explicitées plus tôt, car ces domaines risquent fortement de s’immiscer demain dans le travail quotidien des ingénieurs. Ecoles et universités, à vous les manettes !

*Bien-sûr l’INSA de Strasbourg a rapidement senti le changement futur, et les formations qui y sont dispensées sont tout à fait adaptées aux nouvelles compétences recherchées par les entreprises.

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