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04 février 2021

Vers la 4ème dimension industrielle : de la Conception 4D de pièces imprimées en 4D par l'Industrie 4.0 - Patrick Serrafero

Jamais la digitalisation des processus industriels n'aura été aussi rapide du fait d'une pandémie sans précédent : entreprise répartie, visioconférence, ingénierie collaborative, signature électronique, formation à distance, clic & collect, logistique e-commerce, ... Mais l'essentiel n'est pas là. En effet, nous changeons de dimension industrielle sur 4 plans technologiques :

 - l'Usine devient Industrie 4.0,
 - le Bureau d’Étude conçoit en 4D,
 - certains Matériaux s'impriment en 4D,
 - l'Humanité invente les solutions aux 4 défis du siècle : sauvegarder la terre, l'air, l'eau et le feu.


L’Industrie 4.0

Depuis maintenant une décade, l'industrie prend le tournant de la 4ème génération des systèmes productifs. Les années 2020 marquent le début de l'usine intelligente, où la force artificielle des machines s'allie à l’intelligence artificielle des automates pour délivrer un complexe Qualité/Coût/Délai/Customisation/Service/Logistique aux performances incomparables à un cyber-consommateur toujours plus versatile et volage, avide de nouveautés, de rapidité et de technologies embarquées, le robot ludique Nao en étant l'icône emblématique.

Au cœur de cette évolution 4.0 de l'Industrie, des technologies clefs se développent :

 - la méthodologie d'Ingénierie Système rationalise - au sein des Bureaux d’Eudes - le cadre managérial de conduite des projets innovants, méthode désormais largement adoptée par l'industrie logicielle (1980), l'aéronautique (1990), l'automobile (2000), les PME high tech (2010) et maintenant le génie civil (2020),

- les outils d'ingénierie numérique permettent de construire des maquettes paramétriques en 3,5D facilement reconfigurables et partageables à distance, soumettant à de nombreux plans d'expériences virtuelles les jumeaux digitaux des solutions mécatroniques envisagées,

- l'utilisation collaborative de plateformes d'échanges et la production répartie des données d'ingénierie permettent de synthétiser et d'analyser, dans le cloud, les connaissances métier qui en découle,

- l'impression 3D - essentiellement plastique puis métal - réduit drastiquement les temps de mise au point des prototypes et des nouveaux produits,

- l'électronification des fonctions mécaniques barde de capteurs, de lois de commande, d'automatique les cinématiques ... simultanément avec l'apparition de nouveaux champs disciplinaires d'ingénierie tels que la mécatronique, la plastronique, l'optronique, la spintronique, la matériaulogie, ...

 - les technologies hertziennes de communication rendent les objets communicants et perpétuellement couplés à des serveurs de données d'exploitation pour plus de maintenance prédictive et de services de maintien en conditions opérationnelles,

- la transitique du e-commerce révolutionne la logistique où de nombreux produits et organes, commandés le matin, sont livrés le soir même,

- les algorithmes de reconnaissance vocale, d'analyse des données, de robotique conversationnelle ... fluidifient les interactions homme/machine.


La conception en 4D

L'industrie conçoit et fabrique en série les produits mécatroniques du futur. La génération Z des jeunes adultes, née à la fin du 20ème siècle, aura 2 vies : 50 ans de vie professionnelle et 50 ans de vie retraitée qu'elle pourra prendre sur la Lune et que l'on enterra sur Mars au début du 22ème siècle … Qui permettra cela ? Forcément l'Industrie du 21ème siècle si elle sait spécifier, dessiner, concevoir, fabriquer, maintenir et recycler intelligemment les produits du futur.

Les années 1990 ont vu l'émergence des premiers travaux pour la conquête de la 4ème dimension - K - du Knowledge et des Savoirs d'Ingénierie ainsi que l'invention par la société lyonnaise KADE-TECH de l'acronyme KAD/KAM - Knowledge Aided Design / Knowledgge Aided Manufacturing - afin de promouvoir une génération de systèmes digitaux centrés sur la 4D et les Connaissances Métier de conception succédant ainsi aux systèmes CAD/CAM - Computer Aided Design / Computer Aided Manufacturing - du 2D et du 3D.

2000 fut l'année charnière où le grand public commença à entendre fréquemment parler - dans les journaux, à la radio, à la télévision - des techniques d'Intelligence Artificielle qui s'invitaient dans les processus industriels, les bureaux d'étude, les bureaux des méthodes, les bureaux d'ingénierie.

Le 11 septembre 2001 : tout s'arrêta. Débutèrent alors par l'horreur du terrorisme de masse, 20 années chaotiques et laborieuses de progrès dans les Bureaux d'Ingénierie - secoués entre temps par la crise financière de 2008 et terminées par la crise sanitaire COVID de 2020 - où furent quand même assimilées et pratiquées les méthodes et les techniques du PLM (Product Lifecycle Management), du réseau Internet et de la CAO paramétrique 3,5D pour une ingénierie plus collaborative, plus répartie et plus structurée.

En 2020 a débuté la décade de l'industrialisation de la CAO 4D - X, Y, Z, K - comme déjà suggéré par l'article "Évolutions sémantiques de l'ingénierie assistée par ordinateur : du dessin en 2D à la conception en 5D" annonçant dès 1990 une généralisation du concept de Conception Assurée par les Connaissances.

La récurrence conceptuelle de ces progrès digitaux vers la 4D est alors facile à décrire :

- 1960 : le BE se dote de la 2D pour générer automatiquement les modèles 1D (ie : les hachures des contours 2D),

- 1990 : le BE se dote de la 3D pour générer automatiquement les modèles 2D (ie : les plans graphiques des volumes 3D),

- 2020 : le BE se dote de la 4D pour générer automatiquement les modèles 3D (ie : les solides géométriques fonctionnels et fabricables des cognitons 4D).


L'impression 4D

Coté fabrication, les progrès technologiques ne sont pas en reste :

Avec le développement de la commande numérique 2D, des tables à dessiner et à découper, se construisent dans les années 1970 les prémisses technologiques de la fabrication additive 3D : il est alors possible de piloter en 2D la pointe d'un stylo ou d'un outil de découpe pour générer une forme 2D.

Parallèlement à la fabrication CN 2D émergent - toujours dans les années 1970 - les cristaux liquides, véritables matériaux transformables dont il devient possible de contrôler la forme 2D affichée sur un écran par utilisation d'un courant électrique servant à polariser les cristaux. Débutent également à cette période là les recherches sur les alliages à mémoire de forme.

Dans les années 1990, de la combinaison de l'industrie plastique, de la fabrication CN 2D et de l'adjonction d'un 3ème axe Z naît la stratoconception : il s'agit, par empilage successif de couches plastiques, de donner une forme 3D à un objet prototype préalablement digitalisé en CAO. Toute sorte de matériaux sont alors expérimentés : papier, carton, bois, plastique, béton, chocolat ... jusqu'au métal dont les grains de poudre microscopiques sont agglomérés par fusion laser.

C'est dans ce contexte en perpétuelle innovation qu’émerge l'impression 4D qui prolonge alors l'impression 3D en fédérant plusieurs concepts et résultats de recherche visant à faire changer de forme un objet 3D une fois imprimé, notamment sous l'effet de la température ou de la lumière.

Initiées au MIT au début des années 2010, les recherches en impression 4D ont consisté à coupler fabrication additive avec matériaux à mémoire de forme.

La France terminant brillamment la décade 2020 avec engagement dans la 4D par une soutenance de thèse - ce 18 décembre 2020 à l'Université de Technologie de Belfort-Montbéliard - sur l'art du pliage :

- "Conception basée sur les origamis pour l'impression 4D de structures déployables" - présentée par Bingcong JIAN,

Il ne reste plus qu'à imaginer - pour les 10 années à venir - ce que sera la conception 4D d'un objet imprimé en 4D par une usine 4.0.


4 Défis industriels à méditer en 4D et à plier en 4

Tous ces progrès scientifiques et technologiques impressionnants de l'Industrie actuelle ne doivent pas faire oublier les défis majeurs qu'il reste à relever par l'Humanité au 21ème siècle pour préserver ses 4 ressources critiques de la vie :

- la terre : pour laquelle nourrir 10 milliards d'habitants sans épuiser les sols ni les doper massivement aux intrants spécifie le 1er défi,

- l'air : pour lequel rester sous la barre des 750 Milliards de tonnes de CO2 ajoutées à l'atmosphère à partir de 2020 constitue le 2ème défi vital si l'on veut contenir le réchauffement climatique à +2°C en 2050,

 - l'eau : pour laquelle tous les espoirs sont permis si l'on sait relever le 3ème défi énergétique sous-jacent : extraire de l'onde bleue le deutérium qu'elle contient pour qu'avec 1 g de sel de lithium et 50 litres d'eau de mer par  Terrien, il soit possible de produire - en 2050 et sans déchet - la consommation électrique nécessaire à une vie terrestre grâce aux technologies de fusion thermonucléaire,

- le feu : pour lequel, au delà du phénomène sensible de production de lumière et de chaleur qu'il symbolise, il faut y voir tous les bienfaits de l'énergie abondante et dont le 4ème défi sera de la produire proprement et de manière renouvelable.

4 Dimensions dans l'usine, le bureau d'étude et les matériaux pour affronter 4 Défis globaux majeurs : reste plus à l'Industrie qu'à se plier en 4 pour développer en 4D les solutions du futur.

 

Cet article résume l'analyse de Patrick SERRAFERO (ECL'85) - Directeur Général IKNOVA et Professeur Associé ECL, publié sur son blog KLM (Knowledge Lifecycle Management) en Ingénierie des Systèmes mécatroniques. L'article complet est accessible sur ce lien.

Auteur

Ingénieur ECL'1985,
- Master of Engineering - Cornell University (USA)
- Ingénieur Concepteur Michelin et Schneider Electric puis
- Entrepreneur depuis 1988 et Business Angel depuis 2001,
- Professeur Associé de Mécanique à l'ECL depuis 2001,
- Co-fondateur de l’Écurie centralienne EPSA en 2001. Voir les 3 autres publications de l'auteur

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