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Digital Twin

Au-delà de la simulation pour gérer la complexité

Qu'est-ce que le Digital Twin ?

Comprendre le concept de Digital Twin, ou Jumeau Numérique, est assez simple. Une façon importante de relever les défis du développement de systèmes complexes est de construire un ensemble de modèles très précis aidant à prédire le comportement du produit durant toutes les phases du cycle de vie. Ces modèles, appelés "Digital Twins", se déclinent à plusieurs échelles et pour diverses applications. Ils intègrent plusieurs aspects physiques, contiennent les meilleures descriptions physiques disponibles et reflètent la vie du produit réel et son processus de production.

Le concept est applicable aux différentes étapes du cycle de vie d'un produit ou d'un système.

De la phase d'idéation, avec un jumeau numérique du produit qui aide à définir/améliorer les conceptions et à analyser les performances.
À la phase de réalisation, avec un jumeau numérique du processus de fabrication
Jusqu'à la phase d'utilisation, avec un jumeau numérique du produit en service et jusqu'à son retrait.

Lorsque les entreprises intègrent tous ces jumeaux numériques, elles ont accès à un jumeau numérique holistique qui devient l'épine dorsale de leur développement de produits - capable de fournir une meilleure vision, de réduire la durée du cycle de développement, d'améliorer l'efficacité et d'accroître l'agilité du marché.

Le jumeau numérique peut être défini comme une représentation virtuelle agissant comme un équivalent numérique en temps réel d'un objet ou d'un processus physique.

Le concept

Apollo 13 : le premier jumeau numérique

Le concept d'utilisation de modèles physiques imitant le comportement de produits réels n'est pas nouveau. Par exemple, le programme Apollo de la NASA utilisait des véhicules spatiaux identiques afin que l'un des véhicules puisse être utilisé pour tester des procédures sur terre pendant que l'autre était dans l'espace.

La première utilisation de l'expression "Digital Twin" est apparue dans un rapport de la NASA en 2010 et a été définie comme suit :

Un jumeau numérique est une simulation intégrée multiphysique et multi-échelle d'un véhicule ou d'un système qui utilise les meilleurs modèles physiques disponibles, les mises à jour des capteurs, l'historique de la flotte, etc. pour refléter la vie de son jumeau volant correspondant.

Qu'est-ce que la technologie du jumeau numérique ?

Il existe trois types de jumeaux numériques, chacun d'entre eux s'appuyant sur les autres versions de lui-même et leur renvoyant des données :

Le jumeau numérique du produit
Le jumeau numérique de la production
Le jumeau numérique de la performance

Le jumeau numérique du produit est créé dès la phase de définition et de conception d'un produit. Cela permet aux ingénieurs de simuler et de valider les propriétés du produit en fonction des exigences attendues : par exemple, le produit est-il stable et son utilisation est-elle intuitive ? L'électronique fonctionne-t-elle de manière fiable ? Qu'il s'agisse de mécanique, d'électronique, de logiciel ou de performance du système, le jumeau numérique peut être utilisé pour tester et optimiser tous ces éléments à l'avance

Le jumeau numérique de la production implique tous les aspects, des machines et des contrôleurs d'usine aux lignes de production entières dans l'environnement virtuel. Par conséquent, les sources d'erreur ou de défaillance peuvent être identifiées et évitées avant le début des opérations réelles. Cela permet de gagner du temps et de poser les bases d'une production de masse personnalisée, car même des itinéraires de production très complexes peuvent être calculés, testés et programmés avec un minimum de coûts et d'efforts en un temps très court.

Le jumeau numérique de la performance est différent. Si de nombreux fabricants utilisent déjà ceux du produit et de la production, ils n'ont pas la capacité d'activer pleinement le jumeau numérique de la performance et de créer la boucle de rétroaction nécessaire pour un jumeau numérique en boucle fermée. Cela nécessite une solution IoT basée sur le cloud qui peut non seulement surveiller à distance les actifs, mais aussi s'intégrer de manière transparente aux autres technologies utilisées dans les modèles de Produit et de Production.

Siemens est à la pointe de l'innovation dans ce domaine. Elle est la seule entreprise capable de fournir entièrement le jumeau numérique en boucle fermée (cf. illustration ci-dessous). Sa solution IoT industrielle ajoute le jumeau numérique de la performance au jumeau numérique du produit et au jumeau numérique de la production déjà solides. Le fil numérique complet est géré avec des logiciels intégrés de CAO, FAO, IAO, PDM et IoT, ce qui vous donne une transparence opérationnelle et un jumeau numérique en boucle fermée s'étendant à toute l'entreprise et à tout le cycle de vie du produit. Avec tous les processus connectés et mis à jour en temps réel, vous pouvez tirer parti du jumeau numérique en boucle fermée pour alimenter une maintenance plus intelligente sur les produits, les usines, les systèmes et les machines.

Digital Thread

Le concept de fil numérique (”Digital Thread”) est lié au concept de jumeau numérique. Le fil numérique capture les informations sur l'ensemble des données, des modèles, des processus et des ressources, depuis les exigences jusqu’à la conception, l'ingénierie et à l'utilisation du jumeau numérique. Et ce, dans tous les domaines fonctionnels et pour toutes les parties prenantes. Ainsi, alors que le jumeau numérique peut être considéré comme l'entité virtuelle capable de prédire les performances, le fil conducteur numérique suit l'évolution du jumeau numérique et contribue à le maintenir à jour.

Pourquoi les Digital Twins vont-ils devenir l'épine dorsale de l'industrie ?

Les jumeaux numériques seront l'épine dorsale de l'innovation, grâce à leur capacité à fournir des représentations virtuelles de produits, de systèmes et de villes du monde réel. Voici pourquoi.

Par exemple, le jumeau numérique d'un moteur électrique ne se contente pas de présenter la forme, mais analyse également les fonctions - de la rotation de l’axe à la conductivité thermique, en passant par les données des capteurs, etc. Qui plus est, le jumeau numérique évolue en permanence grâce au flux de données, au retour d'expérience des utilisateurs et aux nouvelles entrées. Cela a un impact considérable sur le développement, la production et les opérations.

Dans le domaine du développement, le comportement d'un produit peut être simulé et testé bien avant la construction d'un prototype physique. Siemens a utilisé le jumeau numérique pour mettre au point un moteur électrique d'avion qui a battu le record du monde et qui non seulement pèse 50 kilogrammes, mais est également cinq fois plus puissant que les moteurs électriques comparables.

Mais cela ne s'arrête pas là. Les jumeaux numériques libèrent également la puissance de l'impression 3D. Dans une étude récente sur les systèmes de mélange de gaz, les connaissances issues de la simulation de la forme et du comportement de l'écoulement ont été combinées à des algorithmes génératifs. Le résultat ? Une forme et une configuration de canal vraiment uniques, nettement plus efficaces que tout ce qui avait été conçu auparavant.

En production, il est possible de simuler et de tester des usines entières, jusqu'aux machines individuelles. Par exemple : les robots. Il est difficile pour eux d'effectuer des tâches de fraisage car les forces importantes du processus de fabrication entraînent des mouvements imprécis. Mais avec le jumeau numérique, les forces qui éloignent le robot de la trajectoire de fraisage peuvent être calculées et compensées en temps réel, ce qui permet au robot de rester sur sa trajectoire.

En ce qui concerne les opérations, les jumeaux numériques peuvent comparer les données des capteurs d'un point précis en temps réel avec la simulation de ce point. La disponibilité du point parallèlement aux opérations peut être prédite de manière fiable et les perturbations imprévues font partie du passé.

Mais ce n'est qu'un début. La fusion des Digital Twins et de l'intelligence artificielle permet aux ordinateurs de concevoir de manière indépendante des produits avancés.

Pour le développement, la production et les opérations, le Digital Twin rompt avec les paradigmes traditionnels et ouvre des possibilités extraordinaires. C'est pourquoi les jumeaux numériques constituent l'épine dorsale de l'innovation future.

Les avantages d'une approche basée sur le Jumeau Numérique

Réduire les risques et améliorer les performances

Le jumeau numérique comprend toutes les informations nécessaires pour prévoir en permanence les performances et l'état du produit, la durée de vie restante ou, pour certaines applications, même la probabilité de réussite de la mission. Il peut également prévoir la réponse du système aux événements critiques pour la sécurité et découvrir des problèmes inconnus avant qu'ils ne deviennent critiques en comparant les réponses prévues et réelles.

Enfin, s'ils sont disponibles au maximum de leurs capacités, les systèmes à bord du jumeau numérique pourraient être capables d'atténuer les dommages ou la dégradation. Ils pourraient activer des mécanismes d'autoréparation ou recommander des changements dans le profil d'une mission pour réduire les charges, et ainsi augmenter la durée de vie et la probabilité de réussite de la mission. Ou encore, ils pourraient suggérer des mises à jour des systèmes intelligents pour améliorer les performances du produit et réduire la consommation de carburant.

Réduire le coût des produits et des opérations

L’approche traditionnelle consiste à simuler des conditions suffisamment sévères lors de la conception et du suivi de l'utilisation du produit, ainsi que des facteurs de sécurité assez importants pour tenir compte du processus de fabrication. Une telle approche est très conservatrice et conduit à des produits qui peuvent être plus lourds qu'ils ne devraient l'être et nécessiter des inspections plus fréquentes que nécessaire.

Grâce à la précision de ses modèles, l'utilisation d'un jumeau numérique permet de réduire les tolérances de conception, tout en tenant compte des incertitudes de fabrication et de la variabilité stochastique des propriétés des matériaux et de l'utilisation du produit. Il en résultera une énorme réduction des coûts à tous les niveaux, y compris l'utilisation de matériaux pendant la production, la consommation de carburant ainsi qu'une meilleure planification des inspections et de la maintenance.

Réduire le temps de développement et le coût de production

En fournissant une vue intégrée des différents aspects physiques et comportementaux du produit, le jumeau numérique permettra d'équilibrer simultanément toutes les exigences en matière de performances fonctionnelles durant tout le cycle de développement, de la conception initiale à l'ingénierie détaillée et à la validation finale. Les jumeaux numériques peuvent également fournir un aperçu anticipé et plus précis de la manière dont les systèmes interagissent et de leurs modes de défaillance potentiels. Cela permet d'éviter plusieurs boucles de test et de réparation et de réduire considérablement le temps nécessaire pour qu'un produit soit prêt pour la production.

Intensifier l'innovation

L'utilisation systématique des jumeaux numériques pour explorer pleinement l'espace de conception, intégrer les données de l'IoT et mieux comprendre les interactions entre les différents systèmes générera de nouvelles connaissances considérables pour les équipes de développement de produits. Ces informations permettront à leur tour d'accélérer l'innovation, car de nouvelles idées, qui n'avaient peut être jamais été envisagées auparavant, émergeront.

White Paper

Maturing simulation and test capabilities for the Digital Twin

Ce livre blanc de Siemens explique ce qu'est un jumeau numérique, sa valeur et la manière dont les entreprises doivent faire évoluer leurs capacités de simulation et de test afin de tirer parti d'un avenir caractérisé par les jumeaux numériques. Le portefeuille Simcenter est présenté en conclusion de ce White Paper.

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