Le jumeau numérique est un système qui permet de faire la reproduction d’un processus physique, d’un objet réel ou d’un environnement physique. Les jumeaux numériques s’appuient sur les systèmes de collecte de données ainsi que sur l’internet des objets (IOT). Dans l’industrie, ils favorisent :
- l’analyse des performances et l’amélioration des processus de fabrication ;
- une meilleure production ;
- une simulation en temps réel afin de détecter les éventuels problèmes et apporter des solutions ;
- la maintenance prédictive des produits comme des machines de production.
Comment fonctionne donc ce système ? Quelles sont ses applications dans l’industrie ? Découvrez tout ce que vous devez savoir dans ce mini guide.
Qu’est-ce qu’un jumeau numérique dans l’industrie ?
Un jumeau numérique ou digital twin dans l’industrie représente une copie virtuelle de :
- une personne ;
- un processus de fabrication ;
- un objet réel ;
- une chaîne d’approvisionnement ;
- un système technique ou commercial ;
- un produit physique ou digital ;
- un équipement ;
- etc.
La technologie de digital twin s’appuie de façon essentielle sur des données récoltées sur l’objet réel grâce à des capteurs et à l’internet des objets. Ces données sont ensuite intégrées à la copie virtuelle de l’objet réel. Grâce à ces informations, nous obtenons une vision en temps réel de toute modification qui survient sur l’objet ou le processus physique.
Soulignons qu’avec le digital twin, l’échange de données est bidirectionnel. Les capteurs apportent les données concernant l’état en temps réel de l’objet physique au jumeau numérique. Le système après analyse et simulation propose des solutions qui s’appliquent à l’objet réel.
Ce système selon la plateforme ou le logiciel utilisé peut être accessible via le Cloud. Ainsi, le personnel même sur le terrain peut surveiller les processus de production.
Le digital twin favorise l’anticipation des changements. Avec lui, nous pouvons réaliser des ajustements et des adaptations sur le système virtuel et observer les résultats avant de les appliquer au processus réel. Cette simulation basée sur des données obtenues en temps réel permet d’éviter tous risques d’altération.
Quels prérequis pour le fonctionnement d’un système de jumeaux numériques dans l’industrie ?
Les technologies et outils requis pour le fonctionnement du jumeau numérique dans l’industrie dépendent de l’application qui va en être faite. Ils sont aussi fonction de la fidélité souhaitée. Analyser le niveau de vibration d’un moteur et le visualiser en intégralité ou le piloter n’exige pas les mêmes capacités de traitement.
Pour que le système de digital twin fonctionne bien, la réplique doit être très proche de l’actif réel. Elle doit avoir les mêmes variables et bénéficier du même flux de données que le processus ou le système physique.
Ce n’est que comme ça que le jumeau numérique pourra détecter au plus tôt les problèmes liés au processus physique. L’aspect variable des sujets, des systèmes et processus de production ne favorise pas la création d’une liste universelle de prérequis.
De quelle manière le jumeau numérique aide-t-il à une meilleure maintenance ?
Avec l’industrie 4.0, la mise en place de solutions de maintenance prédictive est facilitée. Dans les usines, la sécurité des équipes et du matériel est garantie par le fonctionnement sans arrêt des machines.
Précisons que ces dernières ne sont jamais mises en veille. Elles consomment donc de l’énergie de façon permanente. Le personnel d’usine ne possède pas toujours les compétences ni la formation requise pour gérer un arrêt des équipements.
Plus d’infos sur le jumeau numérique d’un bâtiment
Que cela soit accidentel ou non, les agents d’usine ne peuvent faire face à ces interruptions sans risquer de se blesser. Dans une telle situation, une éventuelle panne peut s’avérer problématique.
Grâce aux solutions de maintenance prédictive, les équipes de maintenance ne font plus face à des pannes imprévues ou brusques. Les périodes d’arrêt de production imprévues sont aussi évitées et les collaborateurs bénéficient d’une meilleure sécurité.
En usine, la maintenance s’effectue bien souvent suivant un planning fixe et ceci même quand elle n’est pas nécessaire. Cette façon de procéder occasionne des dépenses inutiles. Les équipements d’usine sont pendant ce temps immobilisés sans raison valable.
Ces opérations de maintenance s’avèrent parfois contre productives. Elles génèrent un énorme manque à gagner. Pour pallier ce manque à gagner, Rolls-Royce, le constructeur de réacteurs d’avion a par exemple expérimenté une solution de maintenance prédictive.
Cette solution lui permet d’effectuer l’identification des pièces du réacteur qui requièrent une opération de maintenance.
Cette solution s’appuie sur des capteurs qui mesurent l’usure des pièces. Ils retransmettent ensuite les données recueillies à un système prédictif qui les analyse, les interprète et fournit des recommandations.
Les causes des pannes sont ainsi anticipées et très vite identifiées. Nous comprenons donc que les solutions de maintenance préventive permettent de prévoir les besoins en ce qui concerne les pièces de rechange. Elles permettent aussi de mieux organiser la mobilisation des spécialistes. La productivité est alors optimisée.
Il va sans dire qu’un arrêt de production constitue une perte de profit. C’est dans une telle situation de manque à gagner que se ressent toute l’utilité des jumeaux numériques.
Le digital twin aide à la mise en œuvre et au test de meilleures pratiques de maintenance.
De plus, cette mise en œuvre des bonnes politiques de maintenance peut se faire bien avant l’entrée en production de l’actif concerné.
La technologie des jumeaux numériques peut en effet servir à la visualisation d’une ligne de production entière ou d’un atelier bien avant qu’il n’existe. En fonction de la qualité du système de digital twin, des simulations complètes peuvent se faire.
À chaque simulation, plusieurs conditions et différentes variétés d’entrées peuvent être testées. Les données recueillies de la simulation serviront à aider dans la fabrication, l’installation et la configuration de l’actif.
Le système de jumeaux numériques permet de former les agents d’usine sur l’utilisation de l’équipement bien avant qu’il ne soit installé ou créé.
Le digital twin permet aussi de guider les agents en pleine intervention sur le terrain.
Quelles sont les applications des jumeaux numériques dans l’industrie ?
Dans l’univers de l’industrie, plusieurs secteurs peuvent mettre en place les jumeaux numériques et bénéficier de leurs avantages.
Parmi les domaines, nous pouvons citer l’aérospatiale, l’agriculture, le secteur de l’automobile, etc. Selon chacun de ces secteurs de l’industrie, les applications peuvent être différentes.
La conception de produits
Lors de la phase de création, les jumeaux numériques peuvent s’utiliser comme un prototype virtuel. Ils subiront donc divers ajustements pour tester diverses conceptions ou simulations.
Ce n’est qu’après ces phases de simulation que l’équipe de production va décider d’investir dans un prototype physique.
L’usine de production gagne ainsi du temps. De plus, les coûts liés à la conception se réduisent puisque le nombre d’expériences requises pour la mise en fabrication du produit diminue.
Optimisation des processus
Les capteurs d’une chaîne de fabrication peuvent permettre de mettre en place un jumeau numérique du processus de production. Ainsi, il devient possible de réaliser une analyse des indicateurs de performance.
Les ajustements et modifications effectuées sur le système peuvent permettre de trouver de nouvelles manières d’optimiser la production. Ils favorisent la réduction des écarts et facilitent l’analyse des causes profondes.
Gestion de la qualité
Les données récoltées par les capteurs favorisent la surveillance de la production. Cela aide à l’obtention d’un produit de qualité optimale. Avec un système de jumeaux numériques, la modélisation de chaque section du processus de production devient possible.
Ceci permet d’améliorer le processus en observant chaque section afin d’identifier où se situent les éléments qui nuisent à la qualité. Plusieurs critères ou conditions peuvent s’utiliser à cet effet.
Gestion de la chaîne d’approvisionnement
Les jumeaux numériques sont utiles en ce qui concerne la gestion de la logistique ou la distribution.
Ils permettent par exemple une optimisation de l’emballage, facilitent la gestion de la flotte et optimisent les itinéraires de distribution. Le digital twin s’avère utile en particulier pour l’optimisation de la traçabilité des produits en temps réel.
La maintenance prédictive
Concernant la maintenance des processus de fabrication ou des équipements, le jumeau numérique se montre aussi utile.
Il identifie toute défaillance dans le processus avant que ne survienne un problème grave.
Ainsi, les équipes de maintenance peuvent réaliser une maintenance préventive afin de résoudre le problème à venir bien avant son arrivée. Le digital twin est aussi utile en ce qui concerne l’étalonnage des outils. Il sert aussi à l’optimisation des niveaux de charge ainsi qu’au suivi de la performance.
La collaboration entre équipes
Le système des jumeaux numériques bouleverse la manière de travailler au sein d’une usine et dans toute l’industrie.
En effet, grâce au digital twin, les données opérationnelles sont disponibles dans l’immédiat. De plus, le partage des informations entre les différentes équipes est facilité.
Il naît alors une meilleure collaboration entre les équipes. Le jumeau numérique favorise une communication beaucoup plus efficace et une rapidité dans la prise de décision.
Le marketing, l’ingénierie, les ventes, la production, etc., toutes les équipes peuvent travailler ensemble. Ceci améliore sans nul doute le rendement de l’usine.
Quels sont les défis liés au jumeau numérique dans l’industrie ?
Le jumeau numérique est une technologie complexe par nature. Elle impose aux acteurs du secteur de l’industrie de nombreux défis à relever. En effet, plusieurs points sont à prendre en compte pour la mise en place d’un digital twin fonctionnel.
Comment faire un jumeau numérique ?
Intégration du concept dès la phase de conception
Avec l’avancée des outils numériques, lors de la phase de conception, les industriels accordent plus d’importance aux outils de simulation qu’au prototypage physique.
Cela permet de réduire les coûts liés au développement des produits. Cependant, délaisser le prototypage physique revient à s’éloigner d’une source de données précieuses.
L’élaboration des prototypes physiques fournit des informations liées à la production. Ces données devraient être intégrées très tôt au cycle de vie du produit afin que le double virtuel en soit très tôt imprégné.
Il faut dire que pour l’heure les industriels réalisent plutôt le double d’un produit déjà finalisé. Alors que le double numérique peut se mettre en place dès les premières heures de mise au point du produit.
Ainsi, le double digital pourra se nourrir des informations issues de chaque itération du produit ou processus physique. Rappelons que la force du digital twin réside dans sa capacité à proposer un modèle qui peut évoluer dans le temps.
Prendre en compte le jumeau dès le début de la conception du produit, permet d’identifier tôt les données essentielles à la vie du jumeau. De fait, il devient possible d’intégrer les solutions idoines pour faciliter l’échange de données entre le prototype physique et le prototype numérique.
La continuité numérique
L’échange de données bidirectionnel entre produit physique et représentation digitale est la base du jumeau numérique. Il n’existe donc pas de digital twin sans données récoltées sur le terrain. Les acteurs du secteur de l’industrie doivent donc investir dans les outils pour maintenir la bonne évolution du jumeau numérique.
Pour nourrir le système de digital twin, l’internet des objets joue certes un rôle prépondérant.
Toutefois, les capteurs ne sont pas les seules sources de données à considérer. La mise en place d’un système de jumeaux numériques effectif nécessite de casser les silos de données.
À chaque phase du cycle de vie du produit physique, les données doivent pouvoir circuler sans contraintes.
La structure du modèle digital doit permettre d’incorporer et de restituer toutes les données avec facilité.
La gestion de l’incertitude des modèles
Dans l’industrie, le jumeau numérique et ces outils sont de plus en plus adoptés.
Cependant, le digital twin parfait n’existe pas. Du fait de la grande complexité des procédés de production dans l’industrie, des variations peuvent survenir à plusieurs niveaux.
Cela induit une dose d’incertitude dans le système. Néanmoins, il est important de pouvoir en faire l’évaluation. Il faut pouvoir définir le cadre dans lequel le digital twin est résilient et sûr.
Un certain niveau de confiance doit pouvoir être attribué au système de jumeau numérique.
Cela est d’autant plus important s’il doit prendre des décisions de façon automatique.
Il existe des moyens pour effectuer l’évaluation de ce niveau de confiance. L’une des méthodes est le transient simulation.
Il s’agit d’une technique qui utilise la simulation de données en régime transitoire. Cette méthode permet de vérifier la fiabilité du digital twin.
