Flexible et productive – Les systèmes de production matriciels rendent les usines prêtes pour l'avenir

Page de titre de la production Matrix

Comment les fabricants peuvent-ils réagir plus rapidement aux crises mondiales, faire face aux pénuries d'approvisionnement et répondre simultanément aux souhaits individuels des clients ? Sur mandat de l'acatech, des chercheurs du Fraunhofer ont examiné dans quelle mesure les systèmes de production matriciels cyber-physiques peuvent aider les entreprises à relever ces défis.

Une flexibilité aussi grande n'a été rarement demandée : interruptions des chaînes d'approvisionnement dues à des crises ou à la guerre, annulations ou modifications de commandes à court terme, tendance à des lots de plus en plus petits et une individualisation croissante des produits font aujourd'hui partie du quotidien de nombreuses entreprises manufacturières. En même temps, les entreprises doivent augmenter leur productivité pour rester compétitives à l’échelle mondiale. De nouveaux concepts de fabrication flexibles peuvent y contribuer. C’est la conclusion à laquelle parviennent les équipes de recherche de l’Institut Fraunhofer pour la technologie de la production et l’automatisation IPA et de l’Institut Fraunhofer pour les machines-outils et la technologie de formage IWU. Sur mandat de l’Académie allemande des sciences et des technologies, acatech, Fraunhofer IPA et IWU ont élaboré une expertise sur la mise en œuvre de systèmes de production matriciels cyber-physiques.

Le terme « matrice » vient à l’origine des mathématiques et désigne une disposition rectangulaire d’objets en lignes et colonnes. Les techniciens de la production comprennent par une matrice une disposition en damier de modules de fabrication : entrepôts, machines de fabrication et systèmes de transport, par exemple, fonctionnent indépendamment les uns des autres. En même temps, ils sont toutefois reliés cyber-physiquement : dans l’espace virtuel, il existe un jumeau numérique qui modélise les processus de production et les modules de fabrication. Grâce à lui, il est possible d’optimiser les flux de matières et l’utilisation des machines. Les résultats permettent ensuite de commander les modules physiques réels.

Systèmes de production matriciels en action : la fabrication devient-elle plus flexible et plus productive ?

Les systèmes de production matriciels cyber-physiques sont considérés par les experts comme la clé d’une fabrication à la fois flexible et productive, qui aide les entreprises à renforcer leur résilience et à survivre en période turbulente. »Les systèmes de production matriciels cyber-physiques offrent une réponse aux changements du marché, tels que la baisse des quantités, la diversité croissante des variantes et la mauvaise prévisibilité des besoins clients«, explique Thomas Bauernhansl, membre du comité de recherche de la plateforme Industrie 4.0 et directeur de l’Institut Fraunhofer IPA.

Le fait que les ingénieurs s’intéressent particulièrement à la flexibilité et à la productivité a une bonne raison. Ces deux grandes qualités sont jusqu’ici considérées comme opposées dans la production : la fabrication traditionnelle en atelier, où les pièces, comme les tôles, sont traitées étape par étape avec différents outils, est peu automatisée, très flexible, mais inefficace à partir de moyennes quantités. La production en ligne hautement automatisée, en revanche, est grâce à une chaîne rigide très productive, mais peu flexible – si par exemple une pièce manque, la ligne s’arrête.

Les systèmes de production matriciels cyber-physiques peuvent-ils rendre la fabrication en atelier plus productive et la production en ligne plus flexible ? Pour répondre à cette question, les équipes du Fraunhofer ont interrogé 28 entreprises, rassemblé et analysé les résultats. »Notre objectif était d’étudier l’état de la technique et de déterminer dans quelle mesure ces nouveaux systèmes sont déjà utilisés en pratique et s’ils augmentent réellement la flexibilité et la productivité«, explique Petra Foith-Förster, responsable de l’étude au Fraunhofer IPA.

Les grandes entreprises utilisent des systèmes de production matriciels – il manque des solutions complètes pour les PME

»Surtout les grandes entreprises, mais aussi des PME plus importantes, utilisent déjà des systèmes de production matriciels«, rapporte le Dr Arvid Hellmich, qui a dirigé l’étude au Fraunhofer IWU. Les pionniers dans l’introduction de ces nouveaux systèmes sont l’industrie des semi-conducteurs, mais aussi de plus grands fabricants d’automobiles ou d’appareils électriques, qui utilisent des structures modulaires optimisées et contrôlées numériquement. »Nous étions heureux de constater que les technologies dans de nombreuses entreprises utilisant des systèmes de production matriciels possèdent déjà un haut degré de maturité«, souligne le chercheur.

Pour évaluer le degré de maturité des systèmes de production matriciels cyber-physiques, les ingénieurs ont élaboré un catalogue de critères. Parmi ceux-ci figurent notamment la modularité des unités de production, le degré de réalisation d’un jumeau numérique, l’utilisation de systèmes de transport automatisés ainsi que la reconfigurabilité du processus, permettant une adaptation rapide de la production aux exigences changeantes du marché.

»Le résultat de l’expertise montre que les systèmes de production matriciels permettent une production économique face à des exigences de marché difficiles et que des entreprises de différents secteurs avec divers processus de production les mettent déjà en œuvre partiellement ou entièrement«, résume Hellmich.

Ce qui manque encore, ce sont des solutions complètes prêtes pour le marché : »Ce qui nous a surpris, c’est que bien que des solutions individuelles pour les systèmes de production matriciels soient proposées, il n’existe pas encore de packages complets incluant la technologie d’installation et l’automatisation des processus«, souligne Foith-Förster. »Les entreprises qui travaillent déjà avec ces systèmes modulaires ont développé elles-mêmes ces solutions. Les petites et moyennes entreprises, qui ne peuvent pas se permettre de développer leur propre technologie, sont désavantagées. Il est urgent d’améliorer la mise en réseau entre les fournisseurs de technologies et les clients potentiels.«