"Le tout est plus que la somme de ses parties" : ce qu'Aristote savait déjà bien avant l'ère des usines intelligentes et de l'Industrie 4.0 est aujourd'hui encore plus vrai pour les fabricants de machines. Les éléments matériels et logiciels qui composent une machine n'engendrent pas automatiquement une machine qui fonctionne. Ces éléments doivent interagir en parfaite harmonie pour générer un tout qui fonctionne et qui donne la pleine mesure de son potentiel. C'est précisément dans la mise au point de ces interactions que la simulation joue un rôle déterminant.

Un jumeau numérique accompagne une machine pendant toute sa durée de vie, du développement à l'exploitation en passant par la mise en service. Il peut même couvrir plusieurs générations de machines en servant de base au développement de nouvelles fonctions ou améliorations.

Quel rôle joue la simulation dans la fabrication des installations et des machines de fabrication ? "La réponse est simple", répond Isabella Laasch, chef de produits simulation chez B&R. "Son rôle est de rendre le développement, la mise en service et l'exploitation des machines plus efficaces."

La complexité des machines ne cesse de croître. La conception des interactions entre composants mécaniques et électriques et composants d'automatisation n'en est que plus difficile. Qu'une machine soit en cours de développement, de mise en service ou d'exploitation, tester et adapter son comportement sur un système physique réel peut revenir cher et prendre du temps.

Identifier les défauts de conception le plus tôt possible

Dès la phase de développement, la machine doit passer par plusieurs stades où se cachent potentiellement des défauts de conception conséquents. Or le coût de la correction d'un défaut augmente d'un facteur 10 à chaque nouveau stade du développement s'il n'a pas été détecté au stade précédent. Plus la correction d'une erreur est précoce, plus le développement de la machine sera rapide et économique.

Tout défaut passé inaperçu lors de la phase de développement se manifestera lors de la mise en service du prototype. "Une mise en service où des problèmes surviennent les uns après les autres est un cauchemar," souligne I. Laasch. "Alors que des dépenses ont déjà été engagées pour la construction d'un prototype, il faut faire appel à des ressources de développement supplémentaires pour la recherche des défauts." En cas de dommage matériel, il faut aussi s'attendre à des dépenses supplémentaires pour les pièces de remplacement ainsi que sur de possibles retards de livraison. Dans le pire des cas, le fabricant de machines doit acquitter des pénalités de retard contractuelles si sa nouvelle machine ne peut pas être livrée à temps.

Mise en service virtuelle via la simulation

"Il faut donc pouvoir travailler avec un modèle numérique de la machine à chaque phase de son cycle de vie," affirme I. Laasch. "Et la voie à suivre est celle de la simulation." Dans un environnement de simulation virtuel, chaque aspect de la machine peut être répliqué numériquement. Le jumeau numérique ainsi créé permet la visualisation des interactions entre les différents composants, voire des mises en service virtuelles de machines.

Philipp Wallner

Industry Manager, MathWorks

"Le développement basé sur des modèles permet d'assurer précocement que la machine aura un fonctionnement conforme. Les modèles de simulation constituent la base sur laquelle s'appuient la conception, la mise en service virtuelle et les jumeaux numériques. Un investissement dans la simulation est amorti dès la première année."

Une coopération étroite pour une simulation à tous les niveaux

Un large choix d'outils de simulation s'offre aujourd'hui aux fabricants de machines. Certains outils modélisent le matériel de la machine, tandis que d'autres simulent le process. Depuis de nombreuses années, B&R travaille avec des sociétés spécialisées dans la simulation et intègre différents types d'outils dans son système d'automatisation.

"Grâce à nos partenaires MathWorks, Maplesoft, machineering et ISG, les possibilités de simulation que nous offrons sont très vastes. Nous pouvons ainsi proposer une solution adaptée pour chaque application. Il est essentiel que nos clients soient libres de choisir l'outil de simulation qui convient le mieux pour leur machine. Quel que soit leur choix, ils savent que la solution retenue fonctionnera parfaitement au sein l'environnement de développement de B&R qui reste leur outil central."

B&R a intégré les outils de simulation ISG-virtuos (ISG), iPhysics (machineering), MATLAB/Simulink (MathWorks) et MapleSim (Maplesoft) dans son système d'automatisation afin de répondre aux besoins de chaque application.

Les bons outils pour chaque besoin

Les logiciels de simulation de Maplesoft et de MathWorks permettent la création de modèles exaxcts et détaillés de composants de machines ainsi que la simulation de couples et de forces pour la conception et le dimensionnement. Différentes conditions de charge peuvent être ainsi simulées facilement. Réaliser de tels tests sur un système réel prend beaucoup d'heures et mobilise beaucoup de ressources. De plus, lors d'un test physique, une surcharge peut entraîner des dommages matériels. Sur une simulation, en revanche, il est possible de voir d'un seul coup d'œil si la machine peut supporter une charge ou non.

Chris Harduwar

VP of Business Development, Maplesoft

"Quand les fabricants de machines sont confrontés à des problèmes de performance, ils doivent trouver une solution rapide qui n'annule pas leurs marges bénéficiaires. Grâce aux jumeaux numériques dynamiques basés sur la modélisation de phénomènes physiques, ils peuvent détecter et résoudre des problèmes de conception sans engendrer de coût matériel supplémentaire."

Les outils de machineering et d'ISG simulent quant à eux des process. Ils montrent le comportement dynamique d'une machine complète en 3D. Le jumeau numérique qu'ils génèrent permet de tester en temps réel tous les facteurs dynamiques qui ont un impact sur le flux des produits en cours de fabrication. Le fabricant de machines voit ainsi immédiatement l'effet que peuvent avoir différentes combinaisons de composants machine sur la production. Ce type de simulation permet aussi de détecter à un stade précoce des problèmes susceptibles de causer des arrêts machine.

Données temps réel pour une maintenance prédictive

Le jumeau numérique est aussi d'une grande utilité après le développement et la mise en service des machines. Dans l'armoire électrique, il continue de tourner en utilisant des données d'exploitation temps réel et en simulant ainsi le comportement dynamique de la machine. Cette copie virtuelle permet d'effectuer des prédictions sur l'usure ou sur la durée de vie restante des composants machine réels. "Un changement du comportement du jumeau numérique dû, par exemple, à un roulement usé est immédiatement détecté," explique I. Laasch. Les données collectées trouvent de nombreuses utilisations : maintenance prédictive, documentation, télémaintenance...

Georg Wünsch

Managing Director, machineering GmbH & Co. KG

"Notre logiciel de simulation iPhysics crée une homogénéité entre les différents domaines de compétence, depuis la CAO électrique et mécanique juqu'à la production et au service après-vente. La connexion additionnelle de systèmes de réalité augmentée et virtuelle sécurise le fonctionnement de systèmes mécatroniques complexes.

Les outils de simulation comme iphysics de machineering permettent de simuler des procédés et affichent le comportement dynamique d'une machine complète en 3D.

Réduire le temps de formation

Les jumeaux numériques ouvrent aussi de nouvelles perspectives pour la formation des utilisateurs de machine et des techniciens de maintenance. Ces derniers peuvent les utiliser pour se familiariser avec l'interface homme-machine ou la machine elle-même avant sa livraison sur site.

Les jumeaux numériques sont aussi de plus en plus utilisés pour des showrooms virtuels. Les fabricants de machine peuvent s'en servir pour présenter de nouvelles machines à leurs clients potentiels, à n'importe quel moment et indépendamment des salons. Grâce aux lunettes à réalité augmentée, ils peuvent aussi présenter une machine digitale dans un environnement réaliste. Tous les scenari éventuels peuvent être ainsi explorés dès les phases de conception et de développement.

Christian Daniel

Business Manager - Simulation Technology, ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH

"Les scenari de simulation configurés avec des jumeaux numériques et des composants virtuels et réutilisables d'une bibliothèque peuvent être aussi utilisés par l'utilisateur pour optimiser la production, pour des retrofits, ou pour des concepts de formation innovants."

Rendre le développement des machines plus rapide

"Le jumeau numérique accompagne la machine tout au long de sa durée de vie," explique I. Laasch. "Il peut aussi couvrir plusieurs générations de machines, par exemple en servant de base pour le développements d'optimisations ou d'améliorations." Un fabricant de machines peut aussi l'utiliser pour visionner le fonctionnement d'une machine en cours d'exploitation et tester des modifications qu'il compte faire pour optimiser ce fonctionnement. La mise en œuvre de nouvelles fonctionnalités ou optimisations s'en trouve améliorée, de même que le développement de nouvelles générations de machines.

Isabella Laasch

Product Manager for Simulation, B&R

"En partenariat avec MathWorks, Maplesoft, machineering et ISG, nous proposons de nombreuses options pour la simulation. Nos clients sont ainsi libres de choisir la solution la plus adaptée pour leur machine. Quel que soit leur choix, ils savent que la solution retenue fonctionnera parfaitement au sein l'environnement de développement de B&R qui reste leur outil central."

Auteure : Carola Schwankner, Corporate Communications Editor, B&R

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