Fabrication en 2050 :le monde à l'envers ?

Des tendances puissantes pousseront la fabrication vers une automatisation complète d'ici 2050, tandis que les personnes qui travaillent encore dans l'industrie seront habilitées à innover rapidement comme jamais auparavant.

Il y a des années, Warren Bennis avait prédit que « l'usine du futur n'aura que deux employés, un homme et un chien. L'homme sera là pour nourrir le chien. Le chien sera là pour empêcher l'homme de toucher à l'équipement.”

Nous n'en sommes pas encore là. Mais un certain nombre de tendances puissantes et interconnectées nous rapprocheront de cet état d'ici 2050, tandis que les personnes encore dans le secteur manufacturier seront habilitées à innover rapidement et à construire comme jamais auparavant.

Multitâche et automatisation

Il y a fort à parier que d'ici 2050, la machine-outil moyenne sera entièrement automatisée et plus performante. Le multitâche sera commun, peut-être presque universel. La tendance est bien établie.

Comme l'a observé Scott Walker, vétéran de l'industrie, président de Mitsui Seiki USA (Franklin Lakes, NJ) :« Au début des années 2000, le marché nord-américain des machines à cinq axes était de 150. Aujourd'hui, il est de 3 000. Les machines combinent également le meulage et le fraisage, ou le dépôt de métal par laser et le fraisage, ou le meulage et l'écrouissage. Il a ajouté que même si l'avantage est la capacité d'accomplir davantage à l'intérieur de l'enveloppe de travail, le « cauchemar » a été de faire fonctionner correctement et de manière cohérente toutes ces fonctions. "Mais cela changera à mesure que la technologie, la surveillance et les logiciels s'amélioreront."

L'éléphant dans la pièce pour de nombreux fabricants est la mesure dans laquelle l'impression 3D modifiera le mix technologique, et au-delà, ses implications pour la conception des produits et une foule d'autres problèmes. Jusqu'à présent, les limitations de vitesse et les coûts élevés des matières premières de la fabrication additive ont considérablement limité sa viabilité au-delà du prototypage. Mais Terry Wohlers, consultant principal et président de Wohlers Associates (Fort Collins, CO), a déclaré que la vitesse "ne sera pas un ennemi" d'ici 2050.

Prenez un système à lit de poudre :la majeure partie du temps de production consiste à tracer la surface avec le laser pour fusionner le matériau. "Mais des systèmes sont désormais disponibles avec de nombreux lasers fonctionnant simultanément sur une plate-forme de construction", a déclaré Wohlers. "L'énergie d'un faisceau d'électrons peut être divisée en 100 faisceaux pour accélérer le processus." D'autre part, ces approches nécessitent beaucoup d'énergie, ce qui coûte cher. Wohlers pense que nous surmonterons ces limitations, peut-être en "exploitant l'énergie du soleil directement pour faire fondre le matériau, plutôt que de nous brancher sur une prise 440".

Wohlers a ajouté que le dépôt d'énergie dirigée est intrinsèquement plus rapide que la méthode du lit de poudre pour la construction de composants métalliques, mais "les utilisateurs sont limités dans les objets qu'ils peuvent créer et il y a un compromis dans la résolution, nécessitant généralement un usinage, et parfois une quantité importante. ” Cela nous ramène aux systèmes hybrides qui combinent additif et fraisage CNC. Comme Walker, Wohlers pense que les problèmes liés à l'harmonie de ces deux approches seront en grande partie résolus au cours des 32 prochaines années.

Un autre facteur plaidant en faveur d'une plus grande utilisation des techniques additives est une baisse attendue des coûts des matériaux et un éventail plus large de choix. "Les machines d'aujourd'hui fonctionnent avec seulement quelques dizaines de thermoplastiques, par exemple", a déclaré Wohlers, "et pourtant des milliers sont disponibles pour la fabrication conventionnelle."

Peut-être plus important encore, les polymères actuellement utilisés dans l'impression 3D coûtent jusqu'à 50 fois plus que des polymères similaires pour la fabrication conventionnelle. Cela met le seuil de rentabilité dans les centaines à des milliers d'unités selon la taille de la pièce. Mais Wohlers a déclaré que de nombreux brevets sur les machines qui produisent des pièces avec des polymères ont expiré, ce qui a conduit à de nouvelles machines qui utilisent des matériaux à moindre coût. "Le seuil de rentabilité s'améliorera considérablement, de sorte que l'additif défiera le moulage par injection pour une gamme de produits beaucoup plus large, y compris des applications à volume plus élevé."

Il y a un cas similaire à faire pour le métal, mais Walker, pour sa part, est sceptique quant au fait que l'additif atteindra un profil de coût dans les métaux qui justifie le remplacement des méthodes traditionnelles. "Il est tellement plus facile de chauffer 60 tonnes et de rouler de la tôle que de construire quelque chose avec de la poudre de métal ou un revêtement", a déclaré Walker. "Je considère l'additif comme une fonction que vous pouvez mettre dans une enveloppe de machine pour ajouter de la valeur au processus. Mais je ne considère pas l'additif comme un processus de remplacement pour la fabrication de l'acier, à moins que la technologie ne change et que nous n'arrivions à la manipulation moléculaire en utilisant un autre type de source d'énergie."

La fabrication additive a encore un atout, du moins pour certains joueurs :la possibilité de créer des formes qui seraient autrement impossibles. Cela ouvre non seulement le potentiel de nouveaux produits et fonctionnalités, mais contribue également à atténuer le problème de vitesse de l'impression 3D. En effet, une structure en treillis ouvert rendue possible par l'impression 3D peut atteindre la résistance et la rigidité requises pour de nombreuses applications avec beaucoup moins de matériau qu'une structure solide. Et la vitesse de production de l'impression 3D est directement proportionnelle au volume cubique du matériau. De nouvelles structures étranges se chevauchent bien avec notre sujet suivant.

Conception automatisée et créative

Selon Walker, la fabrication est sur le point de réaliser ses plus grands gains de productivité dans deux domaines, dont l'un est la numérisation de tout le travail nécessaire à la préparation d'un processus de fabrication. "Aujourd'hui, un concepteur commence avec un modèle numérique, puis génère une trajectoire d'outil... puis quelqu'un conçoit un montage... puis vous obtenez un forgeage... puis un ingénieur d'application alimente le programme au goutte à goutte et passe outil par outil et surveille comment le couper les sons et à quoi ça ressemble… et finalement il fait fabriquer la pièce par la machine… puis il affine tous les mouvements afin de réduire le temps de cycle. C'est en fait encore pire car obtenir la conception initiale est également fastidieux. Heureusement, de nombreux esprits brillants travaillent dur pour faciliter et accélérer chaque étape de ce processus.

En amont, la technologie de conception générative aide un groupe toujours plus large de créatifs à explorer rapidement de nouvelles possibilités géométriques. Dans le cas de Fashion 360 d'Autodesk (San Rafael, Californie), le logiciel s'exécute sur le cloud et utilise l'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle (IA) pour générer automatiquement des centaines de conceptions qui satisfont chacune aux critères du concepteur en matière de résistance, de coût et de méthode de fabrication. , matériel et ainsi de suite. De plus, explique Bob Yancey, directeur de la stratégie de fabrication et de production d'Autodesk, les conceptions ne sont pas simplement une géométrie idéalisée impossible à utiliser, ce sont de véritables modèles de CAO fonctionnels qui peuvent être manipulés ultérieurement dans un logiciel de CAO.

Ils sont également ce que Yancey appelle « conscients de la fabrication », ce qui signifie qu'ils ont commencé avec les méthodes de fabrication souhaitées intégrées comme une contrainte dès le début. "Donc, si vous spécifiez que la pièce doit pouvoir être usinée sur une CNC à cinq axes, toutes vos options de conception seront conformes à cette contrainte", a-t-il déclaré.

Cela n’élimine pas le besoin d’un concepteur humain. Comme l'a dit Yancey, « Décrire le défi de conception avec précision et expertise est une compétence d'ingénierie qui ne disparaîtra pas. Ce que fait le logiciel de conception générative, c'est vous donner plus d'options de conception que n'importe quel humain pourrait concevoir par lui-même, vous avez donc une plus grande confiance que vous envisagez beaucoup plus d'options et que vous obtenez de meilleurs résultats. Nous voyons cela comme un avenir de co-création entre l'ingénieur et l'ordinateur, ou l'intelligence humaine et l'intelligence artificielle."

Peut-être plus profondes, les conceptions sont souvent surprenantes et supérieures à ce qu'un humain aurait imaginé. Comme l'a dit Diego Tamburini, principal responsable de l'industrie—Manufacturing Industry Communities / Cloud + AI Division for Microsoft (Redmond, WA) :« Si je m'assois devant mon outil de CAO pour concevoir une pièce, j'ai déjà 1 000 idées préconçues sur la façon dont elle devrait look basé sur des siècles de conceptions précédentes. L'IA n'a pas de telles notions. Et bien que je convienne que l'automatisation de la conception est un problème difficile et qu'il est difficile d'imaginer un ordinateur concevant des éléments complexes, nous devons reconnaître qu'à l'inverse, il existe de nombreux cas dans lesquels nous vivons avec des conceptions humaines sous-optimales."

Certaines de nos idées préconçues découlent de notre expérience avec des matières premières limitées aux blocs, aux barres et aux tôles. Mais l'impression 3D ne se limite pas à ces matières premières. Il n'est pas non plus limité dans les formes qu'il peut créer.

Si vous supprimez ces contraintes et laissez l'IA fonctionner, la conception générative crée souvent des formes qui sont "complètement différentes de ce à quoi nous sommes habitués". Plus organique, comme des os d'animaux », a déclaré Tamburini.
Wohlers a fait écho à cela et a déclaré que la nature offre d'excellents exemples de structures avec des rapports résistance/poids remarquables. Jusqu'à récemment, les imprimantes 3D produisaient des structures en treillis, maillées ou cellulaires définies par des programmes prédéfinis avec peu de compréhension de leurs propriétés de résistance. "Les outils d'optimisation de la topologie les plus récents peuvent produire des structures de treillis et de maillage d'ingénierie avec une certitude de résistance", a déclaré Wohlers. "À l'avenir, nous pourrions voir des structures super légères dans différents alliages métalliques plus légers que les composites en fibre de carbone, ce qui prend du temps à produire et coûte cher."

Tamburini a déclaré avoir vu des cas dans lesquels l'ordinateur propose une forme en treillis qui n'inspire pas confiance à l'humain (il a l'air trop léger et fragile), alors le concepteur le recouvre avec quelque chose pour qu'il ait l'air plus solide. Les gens restent des gens, après tout.

Accélérer le processus

Krisztina "Z" Holly, fondatrice et instigatrice principale de Make It In LA (Los Angeles) a souligné l'avantage de combiner des logiciels toujours plus intelligents avec l'impression 3D et d'autres nouvelles technologies (comme la réalité virtuelle) pour accélérer considérablement le cycle itératif de développement de produits. Outre la possibilité d'obtenir plus de commentaires du consommateur plus tôt dans le processus, ce qui peut conduire à de bien meilleurs produits, elle a souligné que les nouveaux outils démocratisent le processus de conception et de construction.

« Qu'est-ce que cela signifie en termes de comment nous innovons et qui innove ? Je pense que le monde sera différent si nous permettons aux non-ingénieurs de concevoir les types de produits qu'ils souhaitent », a-t-elle déclaré. « Il sera également plus facile pour les entrepreneurs de démarrer une entreprise manufacturière. Quels types de produits deviendront disponibles si les gens peuvent démarrer une entreprise de produits physiques aussi facilement qu'ils le peuvent une entreprise de produits numériques ? »

Un résultat qu'elle envisage :« Deux ensembles de compétences deviennent incroyablement précieux. L'un est des compétences technologiques approfondies pour coder ces systèmes et comprendre les moindres détails de ce qui fonctionne et de ce qui ne fonctionne pas. L'autre est la compréhension empathique des besoins du client et des opportunités du marché.

Quelles compétences deviennent moins critiques ? En fait, faire fonctionner les machines. Le processus de la conception à la FAO sera plus ou moins automatisé. Comme l'a expliqué Walker, si le modèle de conception incluait des informations sur le matériau (comme cela devient la norme), la machine devrait «avoir l'intelligence de faire le reste. Sortez les bons outils d'un rack de 8 000 outils et suivez les bons parcours d'outils aux vitesses appropriées. La machine doit avoir les capacités de surveillance visuelle et sonore pour éviter les collisions et également évaluer les conditions de coupe et ajuster les vitesses et les avances en conséquence. C'est ce que font les ingénieurs d'application aujourd'hui. De combien en aurons-nous besoin dans 30 ans ? Espérons qu'aucun."

Cela dit, Holly a mis en garde contre une focalisation uniquement sur les emplois. Premièrement, il y aura des emplois, juste des emplois différents et plus créatifs. Et deuxièmement, "l'important est de garder l'innovation locale", a-t-elle déclaré. « Il y a beaucoup de points négatifs à envoyer la conception et la fabrication à l'étranger. Vous perdez le contrôle de la propriété intellectuelle. Ce n'est pas bon pour l'environnement. Et vous perdez de vue ce qui est possible à moins que vous ne maîtrisiez la fabrication elle-même. »

Construit sur commande… localement

Tout le monde semble convenir que la fabrication deviendra beaucoup plus dispersée géographiquement, un processus grandement facilité par les capacités de multiplication des machines-outils individuelles. Yancey a déclaré que de nombreux fabricants souhaitaient à la fois réduire les risques et rendre les produits plus proches du client afin de mieux les adapter au marché.

Walker a accepté et a également prédit que les coûts de transport et les impacts environnementaux inciteront les entreprises à produire localement. Il a ajouté qu'il existe également des compensations mandatées par le gouvernement, dans lesquelles un fabricant doit produire un certain nombre de pièces dans un pays afin de vendre des produits dans ce pays. Un autre facteur de motivation est le maintien de la rentabilité malgré les fluctuations des devises, un problème exacerbé par le resserrement des marges.

Dans le même temps, il y aura un degré de personnalisation beaucoup plus élevé et une chaîne d'approvisionnement beaucoup plus serrée. Comme le résume Tamburini :« La pratique consistant à prévoir la demande et à produire en masse des pièces pour répondre à la demande prévue sera bouleversée. Ce sera plus proche du client qui dira exactement au fabricant ce qu'il veut et le fabricant le fera alors et seulement alors. La numérisation et l'automatisation rendent ce rêve plus réalisable techniquement, voire économiquement."

Cela ne s'appliquerait pas à tous les produits et les frontières entre normalisation, personnalisation et personnalisation sont floues. Mais Tamburini est certain que la pratique consistant à personnaliser les produits via une liste d'options prédéfinies connaîtra une croissance exponentielle. Certains produits, comme les prothèses et les vêtements, peuvent être entièrement personnalisés. De même, la plupart des fabricants seront des bureaux de service généralisés et non des spécialistes. Les machines créeront tout ce qui arrivera sur le cloud, à la demande.

Comme l'a dit Walker, "Aujourd'hui, une entreprise a besoin d'un contrat de trois à cinq ans pour fabriquer un composant car le coût d'achat, de programmation et d'outillage d'une machine pour fabriquer la pièce de manière cohérente et précise est énorme." Rendez les machines automatisées et multifonctionnelles et éliminez une grande partie de l'effort de configuration et la fabrication devient une activité plus agile, et peut-être une activité à marge plus faible. Comme le dirait Holly de Make It in LA, le processus de conception et les outils et interfaces de conception deviennent encore plus importants.

Faire tourner les choses

La numérisation accrue, «l'hyper-connectivité» et l'IA devraient grandement améliorer notre capacité à maintenir la production en marche avec un minimum de main-d'œuvre et de temps d'arrêt. Tamburini a déclaré que la plupart des données actuellement collectées sont utilisées pour surveiller ce qui se passe dans l'usine et tout au long de la chaîne d'approvisionnement. "Mais nous commençons à nous demander" pourquoi "certaines choses se produisent et à utiliser l'IA pour prédire ce qui va se passer. La prochaine phase de ce processus consiste à utiliser l'IA et l'apprentissage automatique pour permettre des réponses autonomes."

En d'autres termes, avec suffisamment de données à analyser, l'apprentissage automatique peut prédire avec précision des défaillances de pièces spécifiques. Avec de bons algorithmes de décision et une connaissance de toutes les exigences de production de l'atelier, le système peut également décider lui-même quoi faire en cas de panne imminente :commander la pièce, planifier le temps d'arrêt, déplacer certaines tâches vers d'autres machines, etc. Vous pourriez même imaginer une machine se réparer ou commander le robot qui le peut, bien que Walker ait dit qu'il ne pense pas que nous nous éloignerons un jour du besoin de techniciens de maintenance humains. Cependant, il pense que les machines communiqueront de manière audible sur ce qui doit être fait - pas besoin d'appareils portables ou d'écrans et de commandes.

Tamburini a déclaré que Microsoft avait un produit monté sur la tête (HoloLens) qui vous permet d'interagir avec les hologrammes autour de vous. "Il superpose des informations numériques sur la réalité, vous donnant des super pouvoirs, dans un sens. Les gens découvrent que la réalité augmentée peut être utilisée pour faire des choses comme fournir des instructions d'assemblage, des instructions de contrôle qualité ou des instructions de maintenance, réduisant ainsi le besoin de formation. Par exemple, un expert en maintenance à distance peut aider un technicien local en pointant une pièce ou en indiquant comment déplacer une pièce, comme s'ils regardaient tous les deux la même chose dans le même atelier.

Enfin, Tamburini a souligné que l'une des beautés de l'apprentissage automatique est que «dès qu'ils s'améliorent, cette capacité ou cette connaissance peut être instantanément diffusée dans le monde entier, car ce n'est qu'un logiciel. Ainsi, tout le monde devient plus intelligent et meilleur, en supposant que nous pouvons partager des données. » Il a opposé cela au fait de s'appuyer sur un expert de l'usine qui utilise ses propres années d'expérience pour interpréter les sons des machines et autres. "C'est très difficile de diffuser ce genre de connaissances."

Ce qui ne changera pas

Dans la mesure où cela est apparu, les experts ne semblent pas penser que la précision de fabrication progressera beaucoup au cours des 30 prochaines années. "Nous travaillons maintenant sur des tolérances où la métrologie pour déterminer la précision est le plus gros problème", comme l'a dit Walker. "La prochaine étape pour obtenir de meilleures tolérances serait la manipulation moléculaire" (que personne n'envisageait). Personne ne semblait penser que la vitesse d'usinage serait significativement plus rapide non plus. Même l'amélioration des vitesses d'impression 3D discutée précédemment sera plus évolutive que révolutionnaire, pas aussi importante que l'augmentation de la productivité due aux améliorations logicielles. De même, notre capacité actuelle à produire de minuscules composants est déjà incroyable. Wohlers a qualifié la miniaturisation de « en partie une solution à la recherche d'un problème. L'une des rares applications est de minuscules capteurs intégrés dans des pièces imprimées en 3D. »

Si vous vous inquiétez des changements, Walker pourrait vous réconforter avec cette pensée :« Nous avons peaufiné la fabrication depuis les années 1780. Les 30 prochaines années seront plus peaufinées, à moins que nous ne proposions quelque chose de vraiment révolutionnaire. Il m'a demandé si quelqu'un avait dit qu'il avait trouvé comment manipuler la gravité pour que nous puissions voler vers la lune sans brûler de combustibles fossiles, connaissant la réponse. À bien y penser, personne n'a mentionné non plus le chien qui a empêché l'homme d'apporter des modifications à la machine.