Les jumeaux numériques PLM offrent une vision virtuelle temps réel dans la fabrication

Avec les derniers outils de gestion du cycle de vie produit (PLM), les fabricants visent à accélérer les développements en utilisant le Fil Numérique, un ensemble intégré de solutions CAO/FAO/IAO et cPDM (gestion collaborative des données produit) qui tissent ensemble de nouveaux Jumeaux Numériques de processus de fabrication. Alors que les machines sur le plancher d'usine sont plus connectées que jamais dans l'ère de l'Internet Industriel des Objets (IIoT), les applications d'ingénierie dans le PLM deviennent plus étroitement entrelacées avec le côté gestion des données de la médaille, permettant des communications plus rapides et plus faciles parmi les grandes organisations de fabrication globales.

Les systèmes PLM de l'industrie croissent à un taux sain, selon la dernière analyse par le chercheur de marché CIMdata Inc. (Ann Arbor, MI), qui a évalué le PLM global à près de 39 milliards $ en 2015. « Le marché PLM a crû à 38,7 milliards $ globalement en 2015, 2,8 % de croissance sur 2014 », a noté Stan Przybylinski, vice-président recherche de CIMdata. « Quand regardé en devises constantes, ce taux de croissance serait de 8,2 % sur 2014. »

La plupart des leaders du marché PLM ont eu une forte croissance en devises constantes, et tous ont continué à faire des acquisitions stratégiques pour étendre leurs portefeuilles et, dans certains cas, pour entrer de nouveaux marchés, a dit Przybylinski. « En regardant vers 2020, CIMdata prévoit le marché PLM à croître à un taux de croissance annuel composé [TCAC] de 6,3 % à 52,3 milliards $ », a dit Przybylinski.

Les entreprises font des investissements PLM dans beaucoup de types de solutions incluant CAO mécanique, simulation et analyse, visualisation et collaboration, conception de bâtiment, et autres, a noté Przybylinski, et cette diversité est reflétée dans le fait qu'aucun type unique de fournisseur ne domine l'industrie. En 2015, un plus grand nombre de fournisseurs ont généré des revenus substantiels qui représentent des investissements liés au PLM, avec 16 fournisseurs générant des revenus PLM excédant 500 millions $ des deux segments outils et cPDM, a dit Przybylinski. « Trois fournisseurs de solutions, Dassault Systèmes, PTC, et Siemens PLM Software, sont des fournisseurs majeurs des deux outils et technologie cPDM », a-t-il noté, « tandis que d'autres, comme Autodesk et Mentor Graphics, sont principalement des fournisseurs d'outils qui se concentrent sur des segments spécifiques dans le marché global. »

Accélérer les conceptions de produits

Travailler avec des designers automobiles sur des équipes de course Formule 1 a aidé les développeurs chez Siemens PLM Software (Plano, TX) à apprendre comment déployer au mieux les systèmes PLM utilisés par les coureurs, a noté Jim Rusk, vice-président senior et directeur technique de Siemens PLM. « On est capable d'apprendre d'eux. Ils se démènent pendant une semaine pour fournir les meilleurs composants possibles à leurs équipes », a-t-il dit. « C'est vraiment un environnement très dynamique — et leur compétition fait la même chose. »

Accélérer les itérations de produit a permis à Siemens de voir comment aider au mieux les équipes de course en Formule 1 et aussi en course aérienne avec l'équipe Red Bull. Siemens a récemment annoncé que son logiciel a été utilisé pendant les trois dernières années pour aider Land Rover BAR (Ben Ainslie Racing) à concevoir, évaluer, vérifier et produire le catamaran Britain's America's Cup Class (ACC) à temps et dans le budget.

Plus de 85 000 heures de conception et construction ont résulté en un bateau de 15 m qui inclut 1 200 m de câblage électronique et électrique connectant 190 capteurs et quatre caméras vidéo. En travaillant avec Siemens, l'équipe a géré avec succès son calendrier ambitieux en utilisant un environnement logiciel intégré pour PLM liant plusieurs disciplines ensemble sans couture. Siemens et Land Rover BAR ont baptisé le catamaran « Rita » en février dans une cérémonie sur l'île de Bermudes, visant à ramener l'America's Cup là où tout a commencé en 1851.

« La technologie logicielle de Siemens nous a permis de simuler, analyser et tester des solutions de conception tout au long du processus de conception et construction », a dit Andy Claughton, directeur technique de Land Rover BAR. « L'utilisation de ce logiciel a sauvé du temps et nous permettra de continuer à faire des améliorations jusqu'à la compétition, où nous espérons ramener la Coupe en Grande-Bretagne pour la première fois dans l'histoire de la course. »

L'équipe de course de Land Rover BAR a choisi les solutions Siemens pour adopter un environnement virtuel intégré pour la modélisation et simulation numérique. Land Rover BAR utilise Siemens NX pour la conception produit, le logiciel de gestion de données Teamcenter, le portefeuille logiciel Fibersim pour l'ingénierie composites et le portefeuille logiciel Simcenter de Siemens, incluant les logiciels Femap et Star CCM+ pour l'analyse par éléments finis (AEF) et la dynamique des fluides computationnelle (CFD).

« Ils se démènent pendant une semaine pour fournir les meilleurs composants possibles à leurs équipes. C'est vraiment un environnement très dynamique — et leur compétition fait la même chose. »

Créer l'environnement de conception le plus rapide, le plus efficace est clé pour les équipes de course — que ce soit sur terre, air ou mer. Rusk a noté que les équipes NASCAR opèrent de façon similaire aux modèles Formule 1, nécessitant des conceptions rapides et composants hautement précis, souvent créés avec des matériaux exotiques incluant des composites avancés faits avec des processus de fabrication additive.

« On voit cela aux US aussi, où il y a un certain nombre d'équipes NASCAR faisant un travail similaire. Elles passent par la même chose, en prévision de la prochaine course », a dit Rusk. « Nous sommes aussi dans des déploiements très grands dans de grandes entreprises de fabrication globales. »

Poussant ces développements est un besoin pour de l'ingénierie systèmes avancée, trouver les façons les plus rapides, les plus efficaces de développer des designs de produits innovants. « Les compagnies disent "On veut arriver de plus en plus tôt", dans leurs conceptions », a dit Rusk, « et on offre de la simulation de conception détaillée et gestion de ces processus. »

« La plus grande définition de PLM est comment on peut aider les compagnies plus tôt dans leur cycle de conception. Ils veulent savoir comment le produit va performer contre la conception. On fait ça avec beaucoup de connaissance en amont, leur donnant de bonnes façons flexibles de collaborer. » Éléments importants pour aider les designers incluent les nouvelles capacités de diagrammes d'architecture ajoutées dans Siemens Teamcenter et capacités de simulation additionnelles, comme l'acquisition de LMS par Siemens il y a quelques ans qui a ajouté le Image Lab, donnant aux utilisateurs les tests nécessaires contre scénarios réels, a-t-il noté. Siemens a aussi plus récemment acquis CD-adapco, qui inclut le logiciel CCM+ utilisé pour des simulations thermiques 3D avancées. « C'est vraiment un produit qui scale très bien », a dit Rusk, notant que CCM+ est utilisé en écoulement subsonique et sonique pour l'aérospatiale, a-t-il dit, et pour le mélange air-carburant pour moteurs à combustion interne.

Faire appel aux jumeaux numériques

Pratiquement tous les développeurs PLM mettent l'accent sur ce concept de jumeau numérique dans les stratégies de logiciel de développement de produit, avec beaucoup d'autres éléments incluant l'expansion continue des fonctionnalités de conception et développement collaboratif de produit.

Les tendances clés supportées par la plateforme 3DExperience de Dassault Systèmes (Paris) et applications de marque associées incluent le développement piloté client, simulation/test/optimisation d'expérience virtuelle, entreprise model-based, déploiement cloud avec Software-as-a-Service (SaaS), applications pilotées données, fil numérique, jumeau numérique et jumeau virtuel, big data, IoT, applications browser sans plugin, tableaux de bord et widgets, et business intelligence avec analytiques PLM, a noté Eric Green, vice-président de Dassault Systèmes, Expérience Utilisateur Delmia et Advocacy.

« L'efficacité d'innovation est souvent empêchée par de multiples passages de main à travers disciplines et fonctions, dû à la discontinuité dans processus et systèmes, résultant en allongement des délais et retravail », a dit Green. « Les anciens systèmes PLM électroniques connectaient les silos ensemble, alors que dans une plateforme numérique, les silos sont éliminés. » L'architecture numérique V6, introduite par Dassault en 2008, a défini un modèle de données commun à travers CATIA pour la conception, Simulia pour la simulation, Delmia pour la fabrication et Enovia pour les applications de gouvernance, a dit Green, permettant aux utilisateurs de se connecter en ligne à une définition numérique unique et collaborer en temps réel.

La prolifération des données a rendu chaque entreprise dépendante des données, et chaque entreprise a besoin de transformer ses méthodologies pour devenir à la fois pilotée par les données et pilotée par l'analytique afin de s'assurer que chaque décision d'affaires maximisera la performance globale, a dit Green. Le défi de l'entreprise d'aujourd'hui est à la fois comment gérer le chaos des données et la prolifération de nouvelles sources d'information, et comment s'assurer que chaque décision d'affaires est basée sur ce chaos de données, a-t-il dit.

« C'est pour ça que l'analytique en libre-service est là pour imposer la gouvernance des données à chaque niveau de l'entreprise, en habilitant chaque utilisateur d'affaires à analyser les différentes sources de données et faire leur propre analyse sans aucun support IT », a dit Green. « Les utilisateurs d'affaires comptent principalement sur les équipes IT pour fournir de nouvelles vues analytiques ce qui rend la réactivité à la nouvelle information lente et inefficace. En plus, ils exploitent Excel pour modifier les données et construire des rapports qui ne fourniront qu'une partie de la réalité ; il n'y a pas de source unique de vérité. »

En livrant l'analytique en libre-service, les utilisateurs sont capables d'accélérer le temps de cycle pour créer de nouvelles vues, a-t-il dit, où chaque utilisateur d'affaires peut glisser-déposer des boîtes pour construire de nouvelles vues qui sont basées ou directement liées au système d'information.

L'émergence de nouvelles technologies pour la fabrication exploite les avancées techniques PLM, surtout dans les domaines de nouveaux matériaux et processus de fabrication additive, a déclaré Green. « Les gains économiques de la fabrication additive sont dramatiques et les changements pour la conception sont encore plus significatifs », a dit Green. « La fabrication additive permet de créer des types entièrement nouveaux de pièces et produits. Les designers auront des tableaux de dessin vierges, pour ainsi dire, qui leur permettront de demander : "Dans un monde idéal, à quoi cette pièce devrait-elle ressembler ?" Les designers découvrent que les formes organiques trouvées dans la nature sont parfois meilleures et plus profilées que les formes industrielles lourdes qui ont prévalu dans le passé. »

« Ce type de "conception générative, fonctionnelle" alimente l'Économie de l'Expérience et va révolutionner la fabrication, nécessitant les fabricants de redessiner la production et la planification de processus et la façon dont l'ingénierie matériaux est conduite », a dit Green. « Avoir les capacités pour permettre cette nouvelle façon de penser, des sciences des matériaux, à travers la conception 3D, simulation, et opérant avec la fabrication additive, aide les compagnies à transformer leur business. »

Intégrer le PLM dans le processus

Avec l'émergence de l'IIoT, les compagnies avec produits complexes cherchent de meilleures façons d'intégrer leurs opérations de fabrication, a noté Doug Macdonald, directeur marketing produit, Aras Corp. (Andover, MA), développeur de la plateforme PLM Aras Innovator. Mais avec les systèmes déconnectés d'aujourd'hui, l'auteur et la réconciliation des MBOMs, plans de processus et instructions de travail, et assurer la synchronisation avec des designs de produits évoluants peut être chronophage et source d'erreurs.

Les fabricants peuvent gagner un avantage concurrentiel quand la Planification de Processus de Fabrication (MPP) est intégrée et capable de suivre sans couture les données et processus de fabrication, a-t-il noté. « La clé est d'exploiter une plateforme PLM qui supporte le plan de processus graphique et concurrent, MBOM [Nomenclature de Fabrication] et rédaction d'instructions de travail électroniques visuellement riches ; dérivation MBOM versionnée depuis EBOM par édition glisser-déposer ; création concurrente plan de processus et MBOM ; réconciliation automatique EBOM/MBOM [EBOM/Nomenclature Électronique/MBOM] et MBOMs et plans de processus spécifiques à l'usine. »

Quelques nouvelles capacités d'Aras adressent ces défis, avec une nouvelle fonctionnalité qui intègre PLM et MPP. Ces nouvelles fonctionnalités incluent des plans de processus versionnés détaillant opérations, étapes, pièces consommées, ressources utilisées, compétences, documents référencés ; rédaction concurrente d'instructions de travail électroniques visuellement riches ; MBOM versionnée dérivée d'EBOM par édition glisser-déposer ; création concurrente plan de processus et MBOM ; réconciliation automatique EBOM/MBOM et MBOMs et plans de processus spécifiques à l'usine.

Aras cite une recherche par le Digital Manufacturing and Design Innovation Institute (DMDII ; Chicago) montrant 81 % des entreprises reconnaissent qu'une transformation numérique en fabrication est un élément clé pour leur compétitivité future, mais seulement 14 % disent qu'ils sont adéquatement équipés aujourd'hui avec les technologies et expertise nécessaires. Le MPP d'Aras est construit sur une plateforme unique qui est flexible, scalable et upgradable, et fournit des capacités connectées pour EBOM, configuration et gestion des changements, exigences, qualité et autres domaines. Le MPP d'Aras est aussi conçu pour s'intégrer avec les environnements ERP, MES et PDM legacy existants pour fournir ces nouvelles capacités de processus par-dessus les systèmes d'entreprise existants. En superposant la plateforme Aras sur les systèmes existants, les grandes entreprises peuvent éviter le risque et la perturbation d'une approche « rip-and-replace » et conduire la transformation numérique plus rapidement.

« Nous croyons que les processus qui s'étendent sur le développement produit et l'ingénierie fabrication sont une fondation nécessaire qui doit être adressée en amont pour que l'Industrie 4.0 ou l'IoT marche », a dit le CEO d'Aras Peter Schroer. « Les compagnies avec des usines partout dans le monde ont besoin d'une meilleure façon de conduire la transformation plus vite, c'est pour ça que vous pouvez superposer l'existant legacy avec notre plateforme et obtenir de nouvelles capacités immédiatement qui supportent directement votre stratégie. »