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Pourquoi le virtuel prend le pouvoir

JEAN-FRANÇOIS PREVÉRAUD

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Toute la chaîne de conception est en passe d'être dématérialisée chez les industriels. Les progrès réalisés par les dernières générations de logiciels de CAO et de PLM permettent en effet d'envisager un cycle de développement 100 % virtuel : du design initial aux prototypes en passant par les tests et la simulation. Les gains attendus, en termes de délais et de coût, peuvent atteindre 30 %.

Fini la bonne vieille planche à dessin ! En moins d'une décennie, la plupart des bureaux d'études (BE) sont passés d'une approche en deux dimensions, avec des esquisses réalisées manuellement ou à l'aide d'outils de DAO, à une modélisation en trois dimensions de leurs produits, entièrement développés sur ordinateur. Ils entament maintenant une nouvelle étape de cette dématérialisation en adoptant massivement les prototypes virtuels. Les industriels peuvent désormais manier de véritables répliques numériques de leurs projets en lieu et place des traditionnelles maquettes physiques. À la clé, des gains de temps et d'argent, mais pas seulement. La virtualisation élargit aussi le champ d'intervention des designers et permet au client de pénétrer dans les bureaux d'études. Revue des raisons qui poussent de plus en plus d'industriels à adopter le virtuel.

1. IL MULTIPLIE LES POSSIBILITÉS

Malgré une complexité grandissante des produits, la simulation numérique a élargi clairement le champ d'investigation des concepteurs. L'adoption du prototypage virtuel, par exemple, a des impacts tout au long du cycle de développement des produits. Et ce, dès les phases de design amont. Les prototypes virtuels permettent, grâce aux outils de simulation, de vérifier l'ergonomie, le comportement et les performances d'un produit au sein de son futur environnement d'utilisation, ainsi que les possibilités de fabrication. Les designers peuvent alors torturer à loisir les prototypes pour en valider le bon comportement très tôt dans le cycle de développement.

Estech, un bureau d'études indépendant menant à bien des projets complets de développement - dans l'automobile notamment - utilise de nombreux logiciels d'Autodesk, tel AliasStudio pour créer et affiner des surfaces de classe A, ainsi que pour réaliser les travaux de plan de forme, qui assurent la synthèse entre le design et les contraintes de l'ingénierie. Maya et 3DS Max lui permettent de créer, animer et calculer des images hyperréalistes destinées à promouvoir les projets étudiés, tant en interne qu'auprès des clients. Enfin Showcase est utilisé, lors des revues de projet, pour manipuler et animer à l'écran en temps réel les produits conçus.

« Nous souhaitons que nos designers puissent exprimer librement leurs idées créatrices et ils aiment bien les ébaucher en 2D. Mais nous préférons le numérique dès cette étape de conception, de manière à rester dans une chaîne intégrée et cohérente. Nous voulons surtout éviter que les modeleurs numériques travaillant en 3D aient à interpréter les intentions des designers », explique Baptiste Hannebicque, l'un des quatre cofondateurs, responsable de l'activité design. C'est pourquoi les designers d'Estech sont aussi de grands utilisateurs de logiciels comme Photoshop et Illustrator d'Adobe. D'ailleurs Estech va même au-delà des outils dans sa démarche d'intégration, car nombre de ses salariés ont une double compétence : il n'est pas rare en effet d'y croiser un designer-modeleur ou un modeleur-infographiste.

Stéphane Marescaux, le gérant de Carrur, un prestataire d'une douzaine de personnes du secteur de la joaillerie travaillant pour tous les grands noms de la bijouterie, de l'horlogerie et du flaconnage de luxe, se sert de SolidWorks pour présenter ses réalisations sur mesure à ses clients. « J'ai compris tout de suite l'avantage que je pouvais tirer du module de communication e-Drawing pour échanger et partager des projets avec mes donneurs d'ordres », confie-t-il.

La prochaine génération de logiciels de conception permettra également au designer de visualiser rapidement l'impact de son coup de crayon sur la faisabilité du projet. « Nous intégrerons bientôt nos logiciels de design, de conception (Inventor) et de rhéologie (MoldFlow) à nos bases de données matériaux. Le designer s'assurera en temps réel que la forme de la pièce plastique qu'il dessine s'injecte facilement dans le matériau choisi », promet Samir Hanna, le vice-président Industrial Design et Digital Factory Products d'Autodesk. Une évolution qui limitera au strict minimum les difficultés en production.

2. IL LIMITE LES DÉFAUTS

Le premier bénéfice perceptible en usine d'une conception 100 % virtuelle réside sans aucun doute dans le gain qualitatif. « En adoptant ces outils, nous avons réussi à réduire de 80 % la non-qualité générée en conception », assure Serge Ventura, architecte, chef du projet Fremm chez DCNS, le fabricant de navires militaires (lire page 30) qui a opté pour Cadds de PTC. Chez le joaillier Carrur, la CAO permet de garantir un niveau de qualité au client. « Elle fait aussi bien que la gouache au niveau des rendus et apporte de la crédibilité à nos projets. Nos clients savent que nos propostions seront réalisables et que nous ferons "bon du premier coup" », note Stéphane Marescaux. Grâce à SolidWorks, Carrur peut notamment vérifier dès les phases amont de la création d'un bijou qu'il sera faisable. Il permet par exemple de valider l'assemblage des différents sous-ensembles, de garantir la possibilité de soudure laser de certains éléments délicats ou de s'assurer des possibilités de sertissage des pierres sur la monture.

Dans certains cas, avec la dématérialisation, il est possible d'attendre la réalisation de certains outillages pour définir le design final des pièces embouties ou injectées, par exemple. Cette souplesse permet de limiter au minimum le temps nécessaire au lancement d'une nouvelle production, les machines livrant dès le départ des pièces bonnes, sans présérie.

3. IL GÉNÈRE DES ÉCONOMIES

Comme on peut jouer sur les cotes et les formes d'un futur produit de manière totalement numérique, très tôt dans le cycle de développement, il est aisé de débusquer et de corriger les problèmes, sans impact financier ou presque. Là où, il y a cinq ans encore, les constructeurs d'automobiles devaient faire une dizaine de protos différents à l'échelle 1 pour valider leur concept, sur la dernière génération de berline C5 de Citroën, un seul prototype a été nécessaire. Tout cela grâce aux outils de réalité virtuelle. Les concepteurs peuvent en effet torturer leurs modèles dans tous les sens avec un très faible impact économique sur le coût global du projet. La souplesse des outils numériques permet de créer rapidement plusieurs variantes d'un produit, voire de comparer des concepts totalement différents.

Dans la joaillerie, le métier a réellement changé avec ces logiciels de conception. Faisant appel à une foultitude de métiers, depuis le designer qui réalise les dessins gouachés à l'origine du projet jusqu'au sertisseur qui monte les pierres précieuses, la marge d'erreur d'une étape à l'autre n'était auparavant pas du tout encadrée. « Chacune des étapes réalisées traditionnellement peut facilement laisser place à l'interprétation, confie Stéphane Marescaux. Mais l'utilisation d'une chaîne numérique évite ces extrapolations, source d'erreurs et de perte de temps. La 3D est devenue notre langage universel. Il nous permet de créer, de transmettre et d'usiner des projets sans aucune dérive. »

4. IL RACCOURCIT LES DÉLAIS

Sur le plan des délais, la conception virtuelle a énormément apporté. Elle permet notamment de s'affranchir du temps nécessaire à la réalisation des prototypes physiques et des longues et fastidieuses campagnes d'essais. Fiat a ainsi réussi à développer la dernière génération de son modèle Punto en dix-huit mois seulement... quand la plupart des constructeurs mettent entre trois et cinq ans.

Chez Airbus, le prototypage numérique permet de limiter les dérives temporelles des projets. « Nous sommes dans un contexte de certification réglementaire très contraignant, qui nous impose des tests physiques. Mais dans le même temps, nous utilisons quotidiennement la simulation numérique dans toutes les disciplines et pour tous les composants de l'avion. La nécessité de réduire nos cycles nous amène à développer virtuellement les structures de nos appareils, afin de détecter très tôt les risques potentiels, notamment lors de l'emploi de nouvelles technologies, afin d'éviter les mauvaises surprises lors des essais », confiait récemment Jocelyn Gaudin, responsable de l'analyse des structures chez l'avionneur européen, lors d'une conférence organisée par la Nafems, un organisme indépendant dédié aux éléments finis et aux standards en matière de simulation.

Le prototype virtuel permet d'évaluer les performances d'un produit, voir d'un système complet avec la partie logique de commande pour les outils les plus puissants, tel Catia Systems chez Dassault Systèmes. Il peut aussi servir à évaluer les possibilités de fabrication (rhéologie, emboutissage, forge, soudure...), ainsi que les éventuels défauts résultants. Mais il ne peut se substituer entièrement au modèle physique. « La CAO ne développe pas le produit à la place du créateur, mais permet de le faire progresser plus vite », souligne Stéphane Marescaux.

Dans l'état actuel des techniques de simulation et des outils informatiques associés, le virtuel ne pourra pas remplacer à 100 % les essais physiques. Dans l'automobile, on estime que le prototypage virtuel permet de mieux définir les essais physiques à réaliser. Renault continue ainsi à sacrifier 350 véhicules tous les ans, comme il y a vingt ans, mais, désormais, réalise en parallèle 4 500 crashs virtuels.

cc

5. IL RAPPROCHE

CONCEPTEURS ET CLIENTS

Dernière grande catégorie d'applications à tirer parti du prototype virtuel, le travail collaboratif. Peu de projets sont le fait d'une seule entreprise, il faut pouvoir échanger avec de multiples partenaires. Un domaine dans lequel le numérique excelle. Le travail collaboratif n'est plus réservé aux seuls grands groupes de l'automobile ou de l'aéronautique capables d'installer des réseaux dédiés, mais il se démocratise pour les PME grâce à l'arrivée de plates-formes telles PC2M ou Pi3C. « Il s'agit de proposer, pour 150 euros par mois et par utilisateur, des offres de travail collaboratif, voire de PLM à la demande, basées sur les outils Windchill ProjectLink et PDMLink, accompagnés des outils de webconférence Netviewer, avec publications et traçabilité d'Adobe Acrobat 3D », explique François Tribouillois, PDG de Pi3C.

Une solution qu'a adoptée Noviloire, un fabricant d'automates d'analyse pour le monde médical. « Nous avons choisi cette solution voici trois ans pour travailler avec un expert externe en écoconception », explique Alain Pacoret, son directeur général. « Elle est depuis au centre de l'ensemble de nos relations clients-fournisseurs. Et nous allons l'utiliser pour la gestion de nos données produits, pour réutiliser nos conceptions, gérer nos dossiers de CAO ou de FAO, ou encore assurer une parfaite traçabilité de toutes nos informations. »

Étape ultime, les prototypes virtuels épurés de leurs détails internes, savoir-faire et secrets de fabrication peuvent être mis à la disposition des clients. PhotoWorks, chez SolidWorks, permet à Carrur de présenter à ses donneurs d'ordres des images hyperréalistes des projets, ce qui est important pour les décideurs.

Demain, via le Web et grâce à des outils tels 3DVia, les clients pourront s'emparer des modèles CAO, exprimer leurs souhaits, bref affiner la conception. En attendant que le consommateur devienne lui-même le concepteur...

CROISSANCE

Le marché mondial des outils de conception a progressé de 6 % en 2008. source : CIMdata

Le virtuel, du prototype aux méthodes de travail

Le virtuel s'insinue dans toutes les composantes du process de développement des nouveaux produits, car il fait gagner du temps et de l'argent. Dès la phase de conception, on trouve le prototype virtuel. Il s'agit d'appliquer sur la modélisation numérique 3D des parties mécaniques, électriques et commande du produit, un ensemble d'outils de simulation pour évaluer et valider son comportement global en fonctionnement, ainsi que les contraintes s'exerçant sur ses pièces. Un tel prototype peut aussi s'utiliser pour comparer plusieurs concepts ou variantes. Et on peut s'en servir pour valider les process de fabrication. De la même façon, l'utilisation des modèles numériques facilite leur transmission instantanée à distance, simplifiant la constitution de groupes de travail virtuels et collaboratifs, permettant de prendre des décisions plus rapidement.

Nos poursuites chauffent moins grâce à la simulation

« Nos produits intègrent de multiples contraintes. Nous devons faire cohabiter dans un volume clos d'une quinzaine de litres : une source de chaleur de plusieurs kilowatts, une motorisation de l'optique et de l'électronique sophistiquée, le tout en assurant un niveau sonore tolérable sur les plateaux de tournage. L'utilisation de SolidWorks nous permet de simuler et d'optimiser mécaniquement la tôlerie et les dispositifs internes, tout en assurant l'équilibrage de l'ensemble. C'est ce qui nous a permis de supprimer une phase de prototypage physique et de réduire notre cycle de développement. Maintenant, nous essayons d'aller plus loin en utilisant nos prototypes virtuels pour la simulation thermique et l'optimisation des calculs d'optique. » FRANÇOIS DUBRULLE, RESPONSABLE R et D DE ROBERT JULIAT, FABRICANT D'ÉCLAIRAGES POUR LE SPECTACLE.

Les principaux fournisseurs de la chaîne du prototypage virtuel

Les logiciels de CAO et de PLM Intervenant en amont de la chaîne numérique, ces outils permettent de développer des prototypes virtuels et de modéliser en 3D des maquettes numériques. Exemples Catia et Enovia (Dassault Systèmes), NX et Teamcenter (Siemens PLM Software), Pro/Engineer et Windchill (PTC), Inventor (Autodesk), SolidWorks (SolidWorks), etc. Les outils de réalité virtuelle ou augmentée Ils permettent d'assurer une meilleure perception du comportement des prototypes en mixant réel et virtuel. Ils imposent l'utilisation de logiciels assurant la préparation des modèles, de salles de réalité virtuelle ou de casques, voire des systèmes haptiques pour le retour d'efforts. Exemples Des intégrateurs comme Clarte, Immersion, MechDyne ou Firsthand Technology peuvent vous faciliter l'appropriation de ces technologies. Les outils de simulations généralistes multiphysiques Ces logiciels permettent de tester les prototypes en leur faisant subir des tests virtuels sur ordinateur. Exemples Nastran (MSC Software), Ansys (Ansys), HyperWorks (Altair Engineering), LMS Virtual.Lab (LMS International), Adams (MSC Software), Fluent (Ansys), PAM-Crash, PAM-Stamp 2G (ESI Group), etc.

LES GRANDES HEURES DE LA CAO

FIN DES ANNÉES 1950 : LES PRÉMICES DE LA CAO Steven Anson Coons au MIT, Paul du Faget de Casteljau chez Citroën et Pierre Bézier (photo) chez Renault mettent au point des descriptions mathématiques novatrices des surfaces pour piloter les premières machines-outils à commande numérique. 1963 : LA PREMIÈRE INTERFACE GRAPHIQUE Ivan Sutherland (25 ans), professeur à l'université de l'Utah, développe SketchPad, qui crée des images très précises sur écran à l'aide d'éléments de dessin et d'un crayon optique, le "light pen". 1963 : création de MacNeal-Schwendler Corporation (MSC Software), qui deviendra le leader du marché du calcul avec Nastran. 1964 : IBM présente le 2250, premier terminal graphique fonctionnant en mode vecteur avec les mainframes. 1967 : Fred Brooks (États-Unis) développe un bras haptique (à retour d'effort) pour environnements virtuels. 1968 : LE PREMIER CASQUE IMMERSIF Ivan Sutherland conçoit l'Ultimate Display, premier casque de visualisation asservi aux mouvements de la tête. 1977 : IBM commercialise le logiciel de DAO 2D Cadam, issu de Lockheed. 1981 : IBM lance son premier Personal Computer (PC), qui démocratisera l'informatique. La même année, Dassault Systèmes voit le jour et lance Catia devenu leader de la CAO 3D. 1982 : LE DESSIN ASSISTÉ PAR ORDINATEUR SE DÉMOCRATISE Création d'Autodesk, éditeur qui deviendra vite leader du du dessin assisté par ordinateur en 2D sur PC avec Autocad, avant de s'orienter vers la 3D avec Inventor après 2000. 1989 : ARRIVÉE DE LA RÉALITÉ VIRTUELLE Associant les technologies de VPL Research et les travaux de Scott Fischer à la Nasa sur les casques immersifs, Jaron Lanier crée la notion de télé-virtualité : deux opérateurs distants peuvent se connecter en même temps dans le même monde virtuel. 1993 : création de SolidWorks, dont le logiciel démocratisera l'usage de la 3D dans nombre de PME. 1997 : création de Alibre dont Alibre Design sera le premier logiciel fonctionnant via Internet. 2002 : PROTOTYPES NUMÉRIQUES Les industriels s'affranchissent des maquettes réelles à l'échelle 1 pour développer plus vite leur produit. Ford, avec la Mondeo, ou Fiat, avec la Punto, font figure de pionniers.

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