Le concept et les usages des jumeaux numériques

Le concept de jumeau numérique est récent et encore mal défini. Il est apparu au début des années 2000 même si l’utilisation de répliques numériques pour étudier un objet physique aurait été déployée par la NASA dans les années 1960 lors de missions d’exploration spatiale.

Wikipédia en donne la définition suivante : Un jumeau numérique (en anglais « digital twin » ou « device shadow ») est un modèle numérique qui reconstitue fidèlement un objet, une opération ou un système.

Le premier exemple concret de jumeau numérique, qui fonctionne d’ailleurs toujours, a été développé par la NASA en 2010 afin d’améliorer la simulation de modèles physiques d’engins spatiaux.  Les premières applications industrielles apparaissent quant à elles en 2013.

Plusieurs secteurs d’activité s’intéressent à cette technologie : l’industrie, le BTP, la santé. Le marché des jumeaux numériques est en croissance. En 2021, il était évalué à 10,27 milliards de dollars et il envisagé qu’il soit de 61 milliards de $ en 2027 avec un développement important en Asie.

En industrie, la technologie est jugée intéressante dans différents domaines :

➡️ En conception et prototypage car elle permet de limiter les prototypes
➡️ En simulation et optimisation des processus : en simulant le fonctionnement d’une ligne de production ou d’une usine avec prise en compte de la planification de la production, de la disponibilité des machines, …
➡️ En maintenance prédictive grâce à la surveillance des données communiquées en réel
➡️ En formation en permettant de tester les machines et les procédures.

Le retour d’expérience Cooper Standard

Vincent Guizouarn, chez Cooper Standard nous a présenté lors d’un atelier d’acculturation à l’industrie du futur le 10 décembre 2024, sa vision des jumeaux numériques.

C’est la période du Covid qui a développé l’intérêt du groupe pour les jumeaux numériques. En effet, cette technologie permet d’optimiser les déplacements et une meilleure connaissance des usines.  

Vincent Guizouarn considère le concept de jumeau numérique comme un concept étendu. Si on se réfère à la définition qui indique que le jumeau numérique est un modèle numérique qui reconstitue fidèlement un objet, une opération ou un système, plusieurs technologies peuvent y être assimilées :

  • Plan 2D d’usine
  • Scan d’usine 3D
  • Modèle 3D de machine
  • Scan 3D machine
  • Simulation de flux
  • Simulation de machine
  • MES Temps réel
  • SCADA (Capteur)

Pourquoi utiliser des jumeaux numériques  ?

Chez Cooper Standard, ils sont principalement utilisés pour optimiser la performance industrielle et maximiser l’utilisation des machines en :

  • Digitalisant la gestion du parc machines, éviter les nouveaux investissements
  • Optimisant la qualité des implantations kaizen
  • Optimisant le partage de connaissance
  • Minimisant les besoins de déplacement
  • Contextualisant les informations

Ainsi chez Cooper Standard, ils sont utilisés pour :

  • Le suivi des équipements en temps réel grâce au déploiement de capteurs et au développement d’un logiciel de suivi qui permettent également une meilleure gestion de l’énergie (machine éteinte ou non et cycle des machines). Chez Cooper Standard cela représente 80% des machines dites critiques connectées à ce jour.
  • La simulation des équipements via des logiciels robotique permet en avance de phase de valider les temps de cycles et l’intégration des robots dans la production.
  • La simulation de la production : C’est de plus en plus une demande client d’avoir une simulation vidéo des productions en début de projet. Cela passe par l’utilisation de logiciel qui intègre des machines 3D allégées, les trajectoires des opérateurs, des AGV, … Cela permet la comparaison de scénarios avec différentes métriques (simulation de trajectoires, de temps, …) mais aussi l’analyse du taux d’occupation des machines.
  • Les visites d’usine virtuelle issue de scan

En ce qui concerne la visite d’usine virtuelle, la réflexion avait démarré il y a déjà plusieurs années et différentes solutions ont été évaluées en fonction du besoin Cooper Standard.

  • Avec l’utilisation de scan 3D par en interne ou avec des prestataires, mais le temps de traitement long et le besoin en capacité de stockage important ont stoppé les investigations. La technologie produit des nuages de points que l’on import dans les logiciel CAO et peut nécessiter en fonction des besoins un certain budget pour avoir finalement un modèle 3D exploitable.
  • Des tests sur l’utilisation de logiciels issues du monde du gaming ont été réalisés (un moteur de jeu utilisé pour créer des jeux vidéo, des simulations interactives et d’autres applications en 2D et 3D). La complexité de mise en œuvre dans l’industrie et l’incompatible avec les logiciels standard CAO ont stoppé la démarche.
  • La technologie de photogrammétrie est également une piste intéressante donnant de bon résultat, avec des modèles assez légers mais une représentation moins précise que le nuage de points issue de scan.
  • Le choix final c’est porté sur une plateforme spécialisée dans la capture et la visualisation d’espaces en 3D, notamment pour les visites d’appartement. Cette plateforme couple le nuage de points et la photogrammétrie ce qui permet de répondre aux attentes de Cooper Standard. La plateforme utilise un stockage de données sur le cloud et n’est pas très couteuse à l’usage, on obtient de bon résultat avec un scanner robuste de 3 000/4 000 euros. La visite virtuelle de l’usine est simple et intuitive comme sur « google street view » et l’on peut y associer des informations contextualisées. Cependant on ne parle pas ici de BIM (Building Information Modeling), modèle numérique en 3D qui n’est pas seulement une représentation visuelle mais une base de données complète contenant des informations sur tous les éléments d’un projet (dimensions, matériaux, coûts, temps, performances, etc.) mais la solution retenue peut générer du BIM avec un certain coût et du post-traitement.

Le matériel nécessaire : le Logiciel, un scanner avec trépied, un iPad. Il faut compter environ une heure pour 1 000 m2 de prise de vues qui sont ensuite envoyées sur le cloud et traitées dans la nuit. Les couleurs et le rendu visuel sont de haute qualité en photographie 360°, mais un peu moins en 3D (model mesh).

Cela donne une vue isométrique de l’usine, et d’un coup d’œil on peut voir l’ensemble des équipements présents dans l’usine. On s’appuie sur le nuage de points (non visible lors de la visite) pour mesurer des distances et cela suffit à l’usage. Il est possible de densifier les scans et d’avoir des données plus précises.

Le coût pour démarrer ce type d’initiative avec le logiciel et un kit de scan se situe entre 10-20k€ en fonction de la licence et de l’espace de stockage cloud nécessaire.

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Sources :
Atelier d’acculturation à l’industrie du futur sur les jumeaux numériques du 10/12/24 animé par Vincent Guizouarn Cooper Standard

https://www.ibm.com/fr-fr/topics/what-is-a-digital-twin
https://www.futura-sciences.com/tech/definitions/tech-jumeau-numerique-19048/
Jumeaux numérique allenviSolutions
https://siecledigital.fr/2023/04/06/jumeaux-numeriques-tout-comprendre-sur-cette-revolution/
https://www.visiativ.com/definition/jumeau-numerique/ 

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