Reine Industrie 4.0 : Une musique d'avenir séduisante

Lors de la 2^e rencontre de haut niveau « Industrie 4.0 en direct » en juillet 2017, l'Institut Fraunhofer pour la technologie de la production et l'automatisation IPA a présenté une série de solutions appliquées pour la numérisation de la production. Une partie des cas d'utilisation présentés concerne très concrètement le domaine des salles blanches. Cela a incité la rédaction de reinraum online à approfondir en entretien individuel et à examiner plus précisément le sujet ainsi que ses applications.
Industrie 4.0, numérisation, transformation numérique, Internet des objets, produits intelligents, services intelligents, IoT, production virtuelle – les mots-clés pour les développements récents dans le monde de la production ne manquent pas. Cependant, face à cette diversité de termes, on peut se demander : est-ce que tous ceux qui utilisent ces beaux mots savent réellement ce qu'ils signifient ? Il y a de quoi en douter, car même parmi les spécialistes et experts reconnus, il existe de grandes divergences d'opinion et des différences dans la compréhension des concepts.

Et après que l'Institut Fraunhofer IPA ait également introduit des termes tels que Industrie 4.0 propre, production adaptée à la propreté et systèmes d'automatisation spécifiques à la pureté, nous avons voulu savoir ce que les chercheurs de Stuttgart entendaient précisément par là. Cela n'est pas si simple à expliquer en deux phrases, comme nous l'a indiqué le Dr Udo Gommel, responsable du département Reinst- und Mikroproduktion. Le chef de projet, Dr Tim Giesen, voit cette diversité de termes davantage comme un facteur de confusion que comme une différenciation utile.

Confusion terminologique – une tentative d’éclaircissement

Nous allons donc d'abord tenter de clarifier ces termes, sans prétendre à l'exhaustivité ou à une validité absolue, bien entendu. Comme dit, dans ce domaine, chacun comprend quelque chose de différent sous ces mots, et de nouveaux termes apparaissent quotidiennement.

Industrie 4.0, souvent abrégé en I4.0, est actuellement extrêmement à la mode. Ce terme n'est pas seulement très large, mais il est aussi devenu assez usé et est de plus en plus utilisé comme un mot-clé pour décrire la tendance à la numérisation des processus de production et pour esquisser l'image d'une usine du futur. Cependant, ce que cela signifie exactement reste souvent obscur. En tant que concept, Industrie 4.0 désigne la quatrième révolution industrielle, après la mécanisation (Industrie 1.0), la production de masse (Industrie 2.0) et l'automatisation (Industrie 3.0), où Internet des objets et des services s'implante dans la production. Les premiers pas ont déjà été faits et les possibilités semblent infinies. Industrie 4.0 concerne de nombreux niveaux de création de valeur et, selon l'avis unanime des experts, recèle un potentiel énorme pour augmenter la productivité d'une part et réduire les coûts d'autre part. Les augures estiment que jusqu'à 30 % de gains pourraient représenter de grandes opportunités de croissance et des avantages concurrentiels.

Après que, par le passé, la mécanique et l'électrotechnique aient trouvé un point commun en mécatronique, l'intégration de la troisième discipline, la technologie de l'information et de la communication, s'ajoute désormais à Industrie 4.0, et ces domaines sont fortement interconnectés. Ainsi, naissent des usines où des machines intelligentes échangent des informations et s'organisent de manière autonome. Les ateliers sont connectés aux machines dans l'usine du futur, ce qui contrôle la production. Cela rend la fabrication plus flexible et efficace, surtout que les machines communiquent directement avec les systèmes informatiques de l'entreprise, créant ainsi un flux d'informations continu. Des pièces produites en série deviennent de plus en plus des pièces uniques, correspondant à la tendance de la personnalisation des produits. Chaque pièce, chaque produit, reçoit dans le monde numérique de la production une « identité » numérique, lui permettant de naviguer de manière autonome dans l'usine intelligente, d'être localisé et commandé à tout moment.

Internet des objets, souvent appelé IoT ou Internet of Things, décrit le monde qui se crée lorsque les appareils, objets et produits sont équipés de microprocesseurs ou capteurs et envoient automatiquement des informations, par exemple sur leur utilisation ou leur niveau de remplissage, aux systèmes de traitement de l'information. Ces appareils et objets sont appelés objets intelligents.

Les objets intelligents transmettent des données sur leur propre état de fonctionnement et de production, ou aussi sur leur localisation actuelle, qui sont collectées, mises à jour et analysées selon l'usage prévu. Ainsi, les machines peuvent transmettre de manière autonome des informations sur leur utilisation, leur niveau de remplissage, la maintenance à venir, etc., ou fournir pendant la production des informations sur les étapes de fabrication restantes (par exemple, pour la fabrication personnalisée).
Tout comme les objets intelligents, il y aura de plus en plus de services intelligents. Cela signifie que des produits intelligents, après leur livraison au client, restent connectés à Internet pendant toute leur durée d'utilisation, stockant d'énormes quantités de données sur leur propre état de fonctionnement et leur produit dans un cloud de données. Cela permet d'offrir au client des services personnalisés basés sur ces données, ce qui ouvre la voie à de nombreux nouveaux modèles commerciaux.

La fabrique du futur inclut également la possibilité de connecter tous les machines d'une entreprise non seulement entre elles, mais aussi avec les systèmes des fournisseurs et des clients. Cela permet de réagir de manière optimale et en temps réel aux écarts et aux défaillances. L'humain joue également un rôle central dans la Smart Factory, la fabrique intelligente. En tant qu'« opérateur augmenté », il contrôle et supervise les processus de fabrication du réseau de production à l'aide de systèmes d'assistance basés sur l'IT, comme par exemple des lunettes de données.

Naturellement, toutes ces évolutions concernent également et de plus en plus le domaine des salles blanches, car aujourd'hui déjà, et de plus en plus à l'avenir, de nombreux processus de production doivent se dérouler dans des conditions de salle blanche ou du moins dans un environnement propre. C'est pourquoi l'Institut Fraunhofer IPA a créé, dans le cadre du département Reinst- und Mikroproduktion, une nouvelle unité organisationnelle appelée « Systèmes d'automatisation spécifiques à la pureté », qui est interdisciplinaire et hétérogène en contenu, et développe des solutions d'application pour une « production adaptée à la propreté ». Ici, sont menés des projets pilotes pour Industrie 4.0, caractérisés par une connexion intensive entre la science et la pratique d'une part, et par l'intégration de matériel et logiciel d'autre part, contribuant ainsi à façonner l'avenir.

Que signifie Industrie 4.0 dans la salle blanche ?

Les chercheurs de l'IPA sont convaincus que l'évolution vers la « Clean Intelligence », c'est-à-dire la voie vers la salle blanche intelligente du futur, se déroulera en trois étapes. Le chef de projet Dr Tim Giesen explique : « Actuellement, nous en sommes encore au niveau le plus bas de cette pyramide. Il s'agit d'une transparence croissante, qui résulte de l'accès aux données dans la salle blanche, de la documentation et de la collecte automatisées de données, ainsi que du reporting automatisé au niveau de la production. » Au deuxième niveau de développement, il sera question de ce que l'on appelle l'interconnexion, c'est-à-dire la communication en temps réel des flux d'informations et de données via des systèmes cyber-physiques durant la production. Au troisième stade, appelé « Clean Intelligence », la disponibilité totale de tous les processus en tant que services sera atteinte, avec la génération de volumes énormes de données (Big Data) et l'utilisation de la reconnaissance de motifs pour gérer l'ensemble des processus et coordonner les flux.

En se basant sur les exemples d'application développés à l'IPA dans le département Reinst- und Mikroproduktion pour la salle blanche 4.0, Giesen explique également : « Les nouvelles applications aident à mieux connaître leur propre salle blanche en termes de transparence en tant que lieu de production, permettant non seulement d'identifier d'éventuelles sources d'erreur, mais aussi d'optimiser les flux de processus. » Par exemple, en enregistrant toutes les valeurs possibles, en les envoyant dans le cloud et en les stockant, on peut obtenir des informations précises sur l'état et le niveau de remplissage des machines et appareils opérant dans la salle blanche, sur la occupation actuelle, sur le produit en cours de fabrication, sur les personnes présentes dans la salle blanche, et vérifier si certaines limites sont dépassées, entre autres.

Cela contribue, selon le scientifique, à une meilleure transparence des processus en cours, et donc à une meilleure compréhension des causes de défauts de fabrication, permettant de cibler et d'éliminer ces sources d'erreur. Il souligne également que cela revêt une grande importance pour la productivité, notamment lorsque les niveaux de remplissage des matériaux sont communiqués en temps réel, permettant ainsi d'assurer un approvisionnement sans interruption. Le chef de département, Dr Udo Gommel, ajoute que cette technologie offre un potentiel d'application très large, répondant à de nombreux besoins différents – tout cela via la même connectivité.

Un exemple concret en cours de développement à l'IPA est le « Cleanroom Scout », un petit gardien décentralisé qui protège et surveille dans la salle blanche soit le produit, soit les personnes, en termes de sécurité au travail et de sécurité du produit. La « maintenance prédictive », c'est-à-dire la maintenance prévisible des appareils et systèmes basée sur des données d'utilisation et d'usure concrètes et actuelles, devrait également entraîner de grands changements dans le paysage de la fabrication. Par exemple, à l'avenir, des capteurs dans l'axe d'une machine de production collecteront des données telles que la température. Si la température augmente, cela indique une friction accrue, ce qui nécessite une maintenance prochaine. La capacité à détecter l'usure et à intervenir au bon moment permet d'ajuster précisément la planification des capacités en fonction des cycles de maintenance, évitant ainsi des défaillances et augmentant la productivité. Dans la salle blanche, ce sont principalement les systèmes de filtration qui sont destinés à ces modèles de prévision, mais aussi tous les matériaux consommables.

Feuille de route vers la salle blanche du futur

À l'IPA, dans le département de Dr Gommel, une feuille de route assez concrète a été élaborée, montrant où nous en sommes aujourd'hui et où nous allons. Le chef de projet Dr Giesen explique qu'avec par exemple, les systèmes de surveillance conditionnelle (Condition Monitoring) déjà disponibles techniquement, qui peuvent fournir à tout moment des informations complètes sur l'état des appareils, ces systèmes feront partie intégrante des salles blanches à l'avenir. La salle blanche sans papier joue également un rôle majeur dans ces perspectives futuristes, où l'on travaille à éliminer complètement la source de contamination qu'est le papier, en utilisant des appareils mobiles comme des tablettes, et en connectant ces appareils aux instruments d'analyse. Alors qu'aujourd'hui, les données sont principalement gérées de manière centralisée, l'avenir des salles blanches privilégie des approches décentralisées, avec l'utilisation de composants intelligents capables de communiquer entre eux à différents sites et d'être coordonnés en temps réel.

Une autre technologie prometteuse est le système de traçabilité (Track-and-Trace), où les « choses » intelligentes dans la salle blanche donnent à la fois leur localisation et leur état, expliquent les chercheurs de l'IPA. Il devient également possible d'équiper l'équipement de protection individuelle des employés avec des capteurs pour vérifier la contamination et l'usure, et même pour contrôler l'accès. La capacité croissante de ces composants intelligents à se décrire entièrement, y compris leur connexion aux systèmes d'information supérieurs, ouvre d'énormes champs d'application. La salle blanche deviendra ainsi une sorte de gardien auto-géré, qui coordonne, gère et orchestre toutes les unités qui y opèrent.

Une application déjà concrète, « de demain » selon l'IPA, est une application de réalité augmentée où l'opérateur dans la salle blanche voit via des lunettes Hololens une représentation complète de la machine, avec des informations contextuelles affichées, telles que l'état actuel de la machine, les composants en place, les matériaux en cours de test, ou encore la durée restante du test. Cela lui permet de piloter les processus sans toucher à l'équipement.

Une autre approche passionnante, qualifiée de « technologie Inside-Out » par l'IPA et qui pourrait rester encore longtemps au stade de la simple idée, permet de « sortir » une machine de la salle blanche via une application sur tablette. L'opérateur n'a ainsi pas besoin d'entrer dans la salle blanche : il vise un marqueur placé sur la machine, et l'image exacte de celle-ci apparaît immédiatement sur l'écran. À partir de cette image, il peut contrôler la machine en suivant les informations contextuelles affichées. Par ailleurs, toutes les données et informations nécessaires concernant les pièces, appareils, capteurs, processus, jusqu'au numéro du service client, peuvent être affichées si besoin.

Le futur a donc déjà commencé, même si beaucoup de travail reste à faire et que du temps sera nécessaire pour que ces nouvelles technologies trouvent véritablement leur place dans les salles blanches. Reinraum online suivra de près les prochaines étapes vers le Cleanroom 4.0 et en rendra compte régulièrement.