La fabrication en 2050 : comment l'automatisation et l'innovation humaine façonneront l'avenir

De puissantes tendances pousseront la fabrication près de l'automatisation complète d'ici 2050, tandis que les personnes travaillant encore dans l'industrie seront habilitées à innover rapidement comme jamais auparavant.

Il y a des années, Warren Bennis a 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 pousseront près de cet état d'ici 2050, tandis que les personnes encore dans la fabrication seront habilitées à innover et construire rapidement comme jamais auparavant.

Multitâche et automatisation

C'est un pari sûr que d'ici 2050, la machine-outil moyenne sera entièrement automatisée et plus capable. Le multitâche sera courant, peut-être quasi universel. La tendance est bien établie.

Comme l'a observé le vétéran de l'industrie Scott Walker, président de Mitsui Seiki USA (Franklin Lakes, NJ) : « Au début des années 2000, le marché nord-américain pour les machines 5 axes était de 150. Aujourd'hui c'est 3 000. Les machines combinent aussi le meulage et le fraisage, ou le dépôt métallique laser et le fraisage, ou le meulage et le traitement thermique. » Il ajoute que si l'avantage est la capacité d'accomplir plus dans l'enveloppe de travail, le « cauchemar » a été de faire fonctionner toutes ces fonctions correctement et de manière cohérente. « Mais cela changera à mesure que la technologie, la surveillance et les logiciels s'amélioreront tous. »

L'éléphant dans la pièce pour de nombreux fabricants est l'ampleur dans laquelle l'impression 3D modifiera le mix technologique, et au-delà, ses implications pour la conception de produits et une foule d'autres questions. Jusqu'à présent, les limitations de vitesse et les coûts élevés des matières premières de la fabrication additive ont sévèrement limité sa viabilité au-delà du prototypage. Mais Terry Wohlers, consultant principal et président de Wohlers Associates (Fort Collins, CO), dit 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 est dans le traçage de la surface au laser pour fusionner le matériau. « Mais des systèmes sont maintenant disponibles avec de nombreux lasers travaillant simultanément sur une plateforme de construction », dit Wohlers. « L'énergie d'un faisceau d'électrons peut être divisée en jusqu'à 100 faisceaux pour accélérer le processus. » D'un autre côté, ces approches nécessitent beaucoup d'énergie, ce qui est coûteux. Wohlers pense que nous surmonterons ces limitations, peut-être en « exploitant directement l'énergie du soleil pour fondre le matériau, plutôt que de brancher sur une prise 440 volts. »

Wohlers ajoute que le dépôt d'énergie dirigé est intrinsèquement plus rapide que la méthode du lit de poudre pour construire des composants métalliques, mais « les utilisateurs sont limités dans les objets qu'ils peuvent créer et il y a un compromis sur la résolution, nécessitant généralement de l'usinage, et parfois une quantité significative. » Cela nous ramène aux systèmes hybrides combinant additif et fraisage CNC. Comme Walker, Wohlers croit que les problèmes pour faire fonctionner ces deux approches harmonieusement seront largement résolus dans les 32 prochaines années.

Un autre facteur plaidant pour une plus grande utilisation des techniques additives est une baisse attendue des coûts des matériaux et un choix plus large. « Les machines d'aujourd'hui ne travaillent qu'avec quelques dizaines de thermoplastiques, par exemple », dit Wohlers, « alors que des milliers sont disponibles pour la fabrication conventionnelle. »

Peut-être plus important, les polymères actuellement utilisés en impression 3D coûtent jusqu'à 50 fois plus que des polymères similaires pour la fabrication conventionnelle. Cela place le point d'équilibre dans les centaines à milliers d'unités selon la taille de la pièce. Mais Wohlers dit que de nombreux brevets sur les machines produisant des pièces en polymères ont expiré, menant à de nouvelles machines utilisant des matériaux moins coûteux. « Le point d'équilibre s'améliorera dramatiquement pour que l'additif défie le moulage par injection pour une gamme bien plus large de produits, y compris des applications à plus haut volume. »

Il y a un argument similaire pour le métal, mais Walker, pour sa part, est sceptique quant à ce que l'additif atteindra un profil de coûts dans les métaux justifiant le remplacement des méthodes traditionnelles. « C'est tellement plus facile de chauffer 60 tonnes et de laminer de la tôle que de construire quelque chose avec de la poudre métallique ou du placage », dit Walker. « Je vois l'additif comme une fonction qu'on peut mettre dans une enveloppe de machine pour ajouter de la valeur au processus. Mais je ne vois pas l'additif comme un processus de remplacement pour faire de l'acier, sauf si la technologie change et qu'on arrive à la manipulation moléculaire en utilisant un autre type de source d'énergie. »

La fabrication additive a tout de même un atout, du moins pour certains acteurs : la capacité de créer des formes autrement impossibles. Cela ouvre non seulement le potentiel pour de nouveaux produits et fonctionnalités, mais aide aussi à atténuer le problème de vitesse de l'impression 3D. C'est parce qu'une structure en treillis ouverte 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 de matériau. D'étranges nouvelles structures se chevauchent bien avec notre prochain sujet.

Conception créative automatisée

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 pour préparer un processus de fabrication. « Aujourd'hui, un concepteur commence avec un modèle numérique, puis génère un trajet d'outil... puis quelqu'un conçoit un bridage... puis vous obtenez un forgé... puis un ingénieur d'application alimente le programme à la machine goutte à goutte et passe outil par outil en surveillant comment la coupe sonne et comment elle se présente... et éventuellement il fait faire la pièce à la machine... et puis il affine tous les mouvements pour réduire le temps de cycle. » C'est en fait encore pire car obtenir la conception initiale est aussi fastidieux. Heureusement, de nombreux esprits brillants travaillent dur pour faciliter et accélérer chaque partie de ce processus.

Au niveau amont, la technologie de conception générative aide un groupe de créatifs de plus en plus large à explorer rapidement de nouvelles possibilités géométriques. Dans le cas de Fashion 360 d'Autodesk (San Rafael, CA), le logiciel tourne sur le cloud et utilise l'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle (IA) pour générer automatiquement des centaines de conceptions qui satisfont chacune les critères du concepteur pour la résistance, le coût, la méthode de fabrication, le matériau, etc. De plus, explique Bob Yancey, directeur de la stratégie de fabrication et production d'Autodesk, les conceptions sont « pas juste une géométrie idéalisée impossible à utiliser, ce sont de vrais modèles CAO fonctionnels qui peuvent être manipulés davantage dans un logiciel CAO. »

Elles sont aussi ce que Yancey appelle « conscientes de la fabrication », ce qui signifie qu'elles ont commencé avec les méthodes de fabrication souhaitées intégrées comme contrainte dès le début. « Donc si vous spécifiez que la pièce doit pouvoir être usinée sur un CNC 5 axes, toutes vos options de conception seront conformes à cette contrainte », dit-il.

Cela n'élimine pas le besoin d'un concepteur humain. Comme le dit Yancey, « Décrire le défi de conception avec précision et expertise est une compétence d'ingénieur qui ne disparaîtra pas. Ce que fait le logiciel de conception générative, c'est vous donner plus d'options de conception qu'aucun humain ne pourrait concevoir seul, donc vous avez plus confiance que vous considérez bien plus d'options et obtenez de meilleurs résultats. Nous voyons cela comme un avenir de co-création entre ingénieur et ordinateur, ou intelligence humaine et intelligence artificielle. »

Peut-être plus profond, les conceptions sont souvent surprenantes et supérieures à ce qu'un humain aurait imaginé. Comme le dit Diego Tamburini, responsable principal de l'industrie — Communautés de l'industrie manufacturière / Division Cloud + IA pour Microsoft (Redmond, WA) : « Si je m'assois devant mon outil CAO pour concevoir une pièce, j'ai déjà 1 000 préconceptions sur à quoi elle devrait ressembler basées sur des siècles de conceptions précédentes. L'IA n'a pas de telles notions. Et si j'accepte qu'automatiser la conception est un problème difficile et qu'il est difficile d'imaginer un ordinateur concevant des objets complexes, nous devons reconnaître qu'inversement, il y a de nombreux cas où nous vivons avec des conceptions humaines sous-optimales. »

Certaines de nos préconceptions viennent de notre expérience avec les matières premières limitées à des blocs, barres et tôles. Mais l'impression 3D n'est pas limitée à ces matières premières. Elle n'est pas non plus limitée dans les formes qu'elle peut créer.

Si vous enlevez ces contraintes et laissez l'IA travailler, la conception générative crée souvent des formes « complètement différentes de ce à quoi nous sommes habitués. Plus organiques, comme des os d'animaux », dit Tamburini.
Wohlers fait écho à cela et dit 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, maillage ou cellulaires définies par des programmes prédéfinis avec peu de compréhension de leurs propriétés de résistance. « Les nouveaux outils d'optimisation topologique peuvent produire des structures en treillis et maillage conçues avec certitude de résistance », dit Wohlers. « À l'avenir, nous pourrions voir des structures super légères dans différents alliages métalliques plus légères que les composites en fibre de carbone, qui sont longs à produire et coûteux. »

Tamburini dit avoir vu des cas où l'ordinateur propose une forme en treillis qui n'inspire pas confiance à l'humain (ça a l'air trop léger et fragile), donc le concepteur la recouvre de quelque chose pour qu'elle ait l'air plus solide. Les gens restent des gens, après tout.

Accélérer le processus

Krisztina « Z » Holly, fondatrice et instigatrice en chef de Make It In LA (Los Angeles) souligne l'avantage de combiner des logiciels de plus en plus intelligents avec l'impression 3D et d'autres nouvelles technologies (comme la réalité virtuelle) pour accélérer considérablement le cycle itératif de développement de produit. Outre la capacité d'obtenir plus de retours du consommateur plus tôt dans le processus, ce qui peut mener à de bien meilleurs produits, elle souligne que les nouveaux outils démocratisent le processus de conception et de fabrication.

« Qu'est-ce que cela signifie en termes d'innovation et de qui innove ? Je pense que le monde sera un endroit différent si nous permettons aux non-ingénieurs de concevoir les types de produits qu'ils veulent », dit-elle. « Ce sera aussi plus facile pour les entrepreneurs de démarrer une entreprise de fabrication. Quels types de produits deviendront disponibles si les gens peuvent démarrer une entreprise de produits physiques aussi facilement qu'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 détails de ce qui marche et ce qui ne marche pas. » L'autre est la compréhension empathique des besoins du client et des opportunités de marché.

Quelles compétences deviennent moins critiques ? Faire tourner les machines réellement. Le processus de la conception au FAO sera plus ou moins automatisé. Comme l'explique Walker, si le modèle de conception incluait l'information sur le matériau (ce qui devient standard), la machine devrait « avoir l'intelligence pour faire le reste. Sortir les bons outils d'un magasin de 8 000 outils et suivre les bons trajets d'outils aux vitesses appropriées. La machine devrait avoir la vision et les capacités de surveillance audibles pour éviter les collisions et aussi évaluer les conditions de coupe et ajuster les vitesses et avances en conséquence. C'est ce que font les ingénieurs d'application aujourd'hui. Combien en aurons-nous besoin dans 30 ans ? Espérons que zéro. »

Cela dit, Holly met en garde contre une focalisation exclusive sur l'emploi. D'abord, il y aura des emplois — juste différents, plus créatifs. Et deuxièmement, « L'important est de garder l'innovation locale », dit-elle. « Il y a beaucoup de 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 d'avoir les mains dans la fabrication elle-même. »

Fabriqué sur commande... localement

Tout le monde semble s'accorder que la fabrication deviendra beaucoup plus dispersée géographiquement, un processus grandement aidé par les capacités multiplicatrices des machines-outils individuelles. Yancey dit que de nombreux fabricants veulent à la fois diminuer le risque et fabriquer les produits plus près du client pour mieux les adapter au marché.

Walker est d'accord et prédit aussi que les coûts de transport et les impacts environnementaux pousseront les entreprises à produire localement. Il ajoute qu'il y a aussi des compensations imposées par les gouvernements, dans lesquelles un fabricant doit produire un certain nombre de pièces dans un pays pour pouvoir y vendre ses produits. Un autre moteur est le maintien de la rentabilité malgré les fluctuations des devises, un problème exacerbé par la réduction des marges.

En même temps, il y aura un degré beaucoup plus grand de personnalisation et une chaîne d'approvisionnement beaucoup plus serrée. Comme le résume Tamburini : « La pratique de prévoir la demande et de produire en masse des pièces pour répondre à la demande attendue sera renversée. Ce sera plus proche du client disant au fabricant exactement ce qu'il veut et le fabricant le faisant alors et seulement alors. La numérisation et l'automatisation rendent ce rêve plus techniquement, et même économiquement, faisable. »

Cela ne s'appliquerait pas à tous les produits, et les frontières entre standardisation, personnalisation et individualisation sont floues. Mais Tamburini est certain que la pratique de personnaliser les produits via une liste d'options pré-définies croîtra exponentiellement. Certains produits, comme les prothèses et les vêtements, peuvent être entièrement personnalisés. De même, la plupart des fabricants seront des bureaux de services généralistes et non des spécialistes. Les machines construiront ce qui arrive via le cloud, à la demande.

Comme le dit Walker : « Aujourd'hui, une entreprise a besoin d'un contrat de trois à cinq ans pour faire un composant parce que le coût d'achat, de programmation et d'outillage d'une machine pour faire la pièce de manière cohérente et précise est énorme. » Rendez les machines automatisées et multi-fonctionnelles et éliminez une grande partie de l'effort de préparation et la fabrication devient une entreprise plus agile, et peut-être à marge plus basse. Comme le voudrait Holly de Make It in LA, le processus de conception et les outils et interfaces de conception deviennent encore plus importants.

Garder les choses en marche

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 dit que la plupart des données collectées maintenant sont utilisées pour surveiller ce qui se passe dans l'usine et tout au long de la chaîne d'approvisionnement. « Mais nous commençons à demander "pourquoi" certaines choses arrivent et à utiliser l'IA pour prédire ce qui arrivera. La prochaine phase de ce processus est d'utiliser l'IA et l'apprentissage automatique pour permettre des réponses autonomes. »

En d'autres termes, avec assez 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 demandes de production sur l'atelier, le système peut aussi décider lui-même quoi faire face à la défaillance imminente : commander la pièce, planifier l'arrêt, déplacer certains travaux vers des machines alternatives, etc. Vous pourriez même imaginer une machine s'auto-réparant ou commandant le robot qui peut le faire, bien que Walker dise ne pas penser qu'on s'affranchira jamais du besoin de techniciens de maintenance humains. Cependant, il pense que les machines communiqueront auditivement sur ce qui doit être fait — pas besoin d'appareils portables ou d'écrans et de contrôles.

Tamburini dit que Microsoft a un produit monté sur tête (HoloLens) qui permet d'interagir avec des hologrammes autour de vous. « Il superpose l'info numérique sur la réalité, vous donnant des super pouvoirs, en un sens. Les gens découvrent que la réalité augmentée peut être utilisée pour faire des choses comme fournir des instructions d'assemblage, ou de contrôle qualité, ou de maintenance, réduisant ainsi le besoin de formation. » Par exemple, un expert de maintenance à distance peut assister 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 ensemble.

Enfin, Tamburini souligne qu'une des beautés de l'apprentissage automatique est que « le moment où ils s'améliorent, cette capacité ou connaissance peut être diffusée instantanément dans le monde entier, car c'est juste du logiciel. Donc tout le monde devient plus intelligent et meilleur, en supposant qu'on puisse partager les données. » Il oppose cela au fait de compter sur un expert dans l'usine qui utilise ses propres années d'expérience pour interpréter les sons des machines et autres. « C'est très difficile de distribuer ce genre de connaissances. »

Ce qui ne changera pas

Dans la mesure où cela a été évoqué, les experts ne semblent pas penser que la précision de fabrication avancera beaucoup dans les 30 prochaines années. « Nous travaillons à des tolérances où la métrologie pour déterminer la précision est le plus gros problème », comme le 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 plus tôt sera plus évolutive que révolutionnaire — pas aussi significative que l'augmentation de productivité due aux améliorations logicielles. De même, notre capacité actuelle à produire de minuscules composants est déjà incroyable. Wohlers qualifie la miniaturisation de « partly a solution looking for a problem. L'une des rares applications sont de minuscules capteurs intégrés dans des pièces imprimées en 3D. »

Si vous êtes inquiet des changements, Walker pourrait vous réconforter avec cette pensée : « Nous ajustons la fabrication depuis les années 1780. Les 30 prochaines années seront plus d'ajustements, à moins qu'on ne trouve quelque chose de vraiment révolutionnaire. » Il m'a demandé si quelqu'un avait dit avoir trouvé comment manipuler la gravité pour voler sur la lune sans brûler de combustibles fossiles, connaissant la réponse. En y pensant, personne n'a mentionné le chien qui empêchait l'homme de faire des changements à la machine, non plus.