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Simuler pour accélérer la montée en cadence

Simuler pour accélérer la montée en cadence

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Les industriels découvrent les bienfaits de la simulation des process de production. Outre le gain de temps, elle permet une optimisation des produits, des économies, et une amélioration de la qualité. À condition de disposer des bons modèles comportementaux et des valeurs expérimentales pour les alimenter.

Le nouveau représentant de la Nafems en France, Didier Large, en est persuadé : « Le monde de la production est le prochain challenge que devra relever la communauté de la simulation ». Bien placée pour observer les besoins, cette association a pour mission d'aider les entreprises à définir et optimiser leur démarche simulation pour atteindre leurs objectifs. « Après des décennies essentiellement consacrées à la simulation comportementale des produits, les industriels mettent l'accent sur la simulation des process d'obtention de ces produits. Ils comptent ainsi optimiser plus rapidement leur production en augmentant la qualité et les cadences, tout en économisant du temps, de la matière et de l'énergie pour y arriver. » C'est pour répondre à cette question que la Nafems et le Centre technique des industries mécaniques (Cetim) devraient organiser cet automne un colloque sur la simulation de production.

 

Prédire en amont les problèmes qui pourraient survenir

 

Mais pourquoi existe-t-il un tel décalage temporel entre la simulation des produits et celle des process d'obtention ? « La très grande majorité de process de production est multiphysique et très fortement non-linéaire. Nous n'avions jusqu'à une date récente ni les modèles mathématiques idoines, ni la puissance informatique disponible pour arriver rapidement à des résultats cohérents et précis », explique Antoine Langlois, directeur technique de MSC.Software France.

Effectivement, beaucoup de process de production mettent en oeuvre le plus souvent des phénomènes mécaniques et thermiques, conduisant à un changement de phase du matériau, voire à une modification de sa structure cristalline et chimique. Or peu d'industriels et de chercheurs ont conduit des politiques d'essais systématiques permettant de créer des bases de données et des modèles mathématiques comportementaux satisfaisants sur le sujet. De plus, la multiplicité des paramètres influant sur la qualité des résultats rend le problème très complexe à traiter. C'est d'ailleurs ce qui explique en partie que les industriels aient été pendant très longtemps « fidèles » à des processus de production qui fonctionnent correctement.

« La mise en place d'outils de simulation des process permet, à moindre coût et sans immobiliser les moyens de production, de s'éloigner des zones de fonctionnement « stables ». Elle permet d'explorer des domaines nouveaux avec des combinaisons de paramètres inhabituelles, desquels pourront peut-être sortir des process de production novateurs ou pour le moins optimisés. Mais les industriels, souhaitant ainsi prendre de l'avance sur leurs concurrents, restent très discrets sur ces travaux », prévient Antoine Langlois.

C'est par exemple le cas dans le domaine de la forge, où Transvalor développe depuis 1984 le logiciel Forge, qui utilise le savoir-faire du Centre de mise en forme des matériaux (Cemef) de Mines ParisTech. « Nous avons plus de 350 forgerons à travers le monde qui utilisent nos outils. Leur préoccupation principale est de prédire en avance de phase tous les problèmes qui pourraient survenir en production, afin de réduire leurs cycles de développement », explique Richard Ducloux, directeur des applications clientèle chez Transvalor. Effectivement, dans un métier où les marges sont réduites et la concurrence internationale féroce, ce n'est pas quand les outillages sont fabriqués qu'il faut s'apercevoir d'un problème ou que la machine envisagée ne convient pas. Les retards pourraient alors se compter en semaines.

Outre ces aspects extrêmes, nombre de forgerons utilisent aujourd'hui la simulation pour mieux dimensionner leurs process de production, voire carrément les pièces produites. « Ils peuvent ainsi mieux comprendre les changements structuraux qui vont intervenir sur la pièce au cours de sa mise en forme. À l'heure où les industriels cherchent à minimiser la masse de leurs pièces pour réduire les coûts matière et l'énergie nécessaire à leur mise en mouvement, leur optimisation est incontournable et la simulation des process d'obtention y contribue ». Cette meilleure connaissance du comportement de la matière permet ainsi d'affiner les coefficients de sécurité et de s'approcher d'une utilisation optimale de la matière. Les forgerons peuvent alors devenir force de proposition vis-à-vis de leurs donneurs d'ordres.

 

Permettre la fabrication de pièces de tôlerie complexes

 

La simulation permet aussi de mieux dimensionner les machines nécessaires à la frappe, donc de réduire leur consommation énergétique, voire de réduire le nombre de coups nécessaires ou la température de chauffe pour obtenir la pièce. Autant de connaissances nouvelles qui participent aussi à la réduction des lopins de métal nécessaires à l'obtention des pièces. « Des gains de masse de 10 % sont courants, ce qui outre le coût matière initial, réduit la quantité de matière à mettre en température et le volume des chutes à recycler. On gagne ainsi sur plusieurs tableaux. »

Une problématique que l'on retrouve dans le domaine de l'emboutissage. « La simulation a donné aux industriels la possibilité de mettre au point de nouvelles techniques comme l'emboutissage à tiède ou à chaud, qui autorisent la fabrication de pièces de tôlerie plus complexes, avec des emboutissages profonds jusque-là irréalisables sans déchirures des flans », constate Vincent Ferragu, responsable d'AutoForm Engineering pour la France. Des simulations qui accélèrent aussi la mise au point des process et le réglage de leurs paramètres « off-line ». « Cela permet d'une part de mieux chiffrer les réponses aux appels d'offres et de d'autre part de monter plus vite en cadence de production ». Des moyens jusque-là essentiellement utilisés par l'industrie automobile, qui se démocratisent. Des fabricants d'écrans plats s'en servent par exemple pour réaliser des supports de dalles plus fins.

 

Simuler l'usinage pour booster la productivité

 

La simulation de l'usinage, c'est-à-dire d'enlèvement de matière dans un bloc, est l'une des plus anciennes qui existe dans le domaine des process de production, puisque les deux leaders du secteur CGTech et Spring Technologies ont été créés au milieu des années 80. Il faut dire que c'était l'évolution logique de l'apparition de la FAO, pour la définition des parcours d'outils, et des machines-outils à commande numérique, pour l'usinage. Pourquoi immobiliser ces dernières pour vérifier sur la machine la cohérence de l'usinage, alors que disposant de toutes les informations numériques il était possible de le simuler « off-line » à moindre coût sur un simple PC ? Ainsi sont nés les logiciels Vericut et NCSimul.

Ils permettent de vérifier l'absence de collision entre toutes les parties en mouvement lors de l'usinage (pièce, outils, porte-outils, fixations, bâti...), ainsi que le parcours de l'outil pour garantir un bon enlèvement de matière. Il est même possible en faisant appel aux bases de données matériaux et outils coupants de définir le meilleur couple outil/matière et d'optimiser les conditions de coupe pour améliorer la qualité ou réduire la consommation énergétique. « Mais aujourd'hui, seulement 5 % des utilisateurs de FAO simulent leurs parcours d'usinage avant de les donner à l'atelier. C'est dire les gisements de productivité qu'il reste à découvrir », constate Gilles Battier, PDG de Spring Technologies

 

Des process continus pour garantir un mélange homogène

 

La simulation concerne aussi les process continus. Un éditeur comme Comsol propose dans sa gamme Multiphysics un module Mixer, qui permet d'analyser et d'optimiser le mélange de fluides ou de pâtes dans des cuves soumises à une agitation rotative. « Ces outils servent à optimiser le positionnement, le nombre et la forme des pales de l'agitateur pour obtenir un mélange homogène dans le minimum de temps, tout en économisant l'énergie et en réduisant la phase pilote », détaille Jean-Marc Petit, responsable de Comsol France. Toujours dans le génie des procédés, un autre module de cet éditeur permet de comprendre et d'optimiser la cinétique de réactions chimiques en simulant les transports de matière et de chaleur au sein d'un réacteur.

Témoin de l'enjeu crucial de la simulation des process pour l'industrie, le nombre très important de projets autour de ce sujet lancés dans les pôles de compétitivité.

 

LA SIMULATION A PERMIS DE FAIRE DES EMBOUTISSAGES PROFONDS JUSQUE-LÀ IRRÉALISABLES.

 

La simulation dans l'assiette

L'agroalimentaire commence à utiliser les outils de simulation pour optimiser plus rapidement ses process. Ainsi le groupe Nestlé, qui souhaitait extruder de la crème glacée en forme de coeur, était confronté à un problème de qualité au niveau de la pointe du coeur. La simulation a permis de déterminer que cela était dû au réchauffement local du produit surgelé dû au frottement. Une seconde simulation a servi au dimensionnement du système de refroidissement local à mettre en place dans la filière pour garantir la qualité du produit fini. Autre défi : pour uniformiser l'enrobage des pralines, le chocolat liquide doit être correctement mélangé, à bonne température. Un terrain d'expression savoureux pour la simulation. « Nous avons pu aller au-delà en optimisant les paramètres du process pour réduire le temps où le chocolat est maintenu chaud et ainsi limiter les risques d'attaque bactérienne », raconte Thierry Marchal, responsable du secteur agroalimentaire de l'éditeur Ansys. Dernier exemple, la mise au point d'un process de mélange industriel de la pâte à pain d'un grand chef. La multiplication par dix des dimensions de la vis de mélange du laboratoire du chef ne donnait pas satisfaction. La simulation a montré que le taux de cisaillement de la pâte y était trop élevé, ce qui dissociait certaines protéines entraînant une modification de la saveur en bouche et du moelleux. La simulation a permis de redimensionner la vis et d'en adapter la vitesse pour fabriquer plusieurs tonnes de pâte savoureuse par jour.

ITWEB VidéoL'usine du futur selon Airbus

Pour préfigurer l'usine du futur, Airbus a imaginé le montage de ses avions de ligne en simulant de nombreux processus novateurs de planification, mais aussi d'assemblage des différents sous-ensembles, puis de leur intégration finale. Plusieurs systèmes automatisés y véhiculent les éléments, assurent leur jonction et contrôlent leur bon fonctionnement.

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