L'usinage à l'horizon 2030: la numérisation comme tendance dominante

Il se pourrait que l'industrie de l'usinage change davantage dans les années à venir que ce qu'elle n'a fait jusqu'à présent. C'est principalement dû à la numérisation et à l'essor de l'intelligence artificielle. Les modèles d'entreprise dans le secteur pourraient également commencer à changer.

L'essor de la numérisation

Lorsqu'on assistait aux congrès des universités techniques allemandes il y a 15 ou 20 ans, on avait toujours droit à des présentations sur la technologie d'usinage pure. À l'époque, il était question d'avances, de profondeurs de coupe, de nouveaux revêtements pour les outils de coupe ou de nouvelles stratégies de fraisage, telles que le fraisage trochoïdal.

Depuis l'introduction du terme Industrie 4.0, la situation a complètement basculé. Il s'agit désormais de machine connectée, de numérisation, de programmation automatique et de l'essor des plateformes en ligne qui permettent d'obtenir un prix pour une pièce de fraisage ou de tournage en quelques secondes.

Bien qu'il s'agisse toujours de faire des 'courbes' avec le fraisage et le tournage CNC, c'est précisément l'aspect numérique de la technologie qui va entraîner des changements. La numérisation imprègne toutes les facettes du processus d'usinage. De la prise de commande à la préparation du travail, en passant par le suivi de l'usinage dans la machine, l'automatisation et le contrôle de la qualité.

Des devis en une minute?

Dans l'industrie manufacturière, une grande partie du travail provient soit de relations fixes, soit de donneurs d'ordre qui demandent des devis à plusieurs fournisseurs. Traditionnellement, ce genre de  demande aboutit, après quelques semaines, à une offre calculée par des collaborateurs qui s'occupent principalement des calculs.

Or, le calcul prend beaucoup de temps, surtout pour les commandes importantes et complexes. En fonction de la complexité de la pièce, le calcul du prix de revient pour l'usinage de la pièce prend de nombreuses heures. Pour les assemblages, l'établissement d'un devis peut prendre plusieurs jours ouvrables, surtout s'il faut demander les prix des matériaux à l'extérieur. Ou si certaines opérations d'usinage sont confiées à des tiers. 

Tant le calcul que la préparation du devis sont automatisés

Il est possible d'améliorer l'efficacité en utilisant des algorithmes qui reconnaissent les caractéristiques d'un modèle 3D et y associent automatiquement un coût de production. Dans le domaine de la tôlerie, de plus en plus d'entreprises s'engagent dans cette voie. L'entreprise néerlandaise 247 TailorSteel, par exemple, permet à ses clients d'effectuer eux-mêmes une partie de la préparation du travail, via leur propre portail, après quoi le logiciel se charge du reste. Le fournisseur de tôles et de tubes peut ainsi émettre automatiquement quelque 4.000 devis par jour.

D'ailleurs, il n'y a pas que le calcul qui est automatisé, la préparation des devis l'est également. Aux Pays-Bas, de plus en plus d'entreprises de tôlerie adoptent ce type de système.

Trop complexe?

Cela n'est toutefois pas possible dans le domaine de l'usinage, car les pièces complexes en 3D sont fabriquées par fraisage et tournage CNC. C'est en tout cas ce que disent les entreprises d'usinage. Mais ont-elles raison? 

Il est vrai que ces pièces sont souvent beaucoup plus complexes qu'une pièce de tôle découpée au laser, mais il existe effectivement des entreprises qui automatisent cette partie de leur travail. Elles se trouvent principalement aux États-Unis, mais les premières entreprises d'usinage en Belgique et aux Pays-Bas sondent également le marché avec ce type de concept. Par ailleurs, des sociétés allemandes de logiciels développent des logiciels de calcul spécifiques pour l'usinage afin d'automatiser en grande partie ces processus.

Actuellement, ces logiciels ne permettent pas encore de calculer les pièces les plus complexes, en particulier lorsqu'il faut effectuer des opérations supplémentaires telles que la rectification, la trempe, l'anodisation, etc. Mais au moins, en calculant le coût de pièces relativement simples, on peut déjà gagner beaucoup de temps. Les algorithmes, alimentés par des exemples pratiques, s'améliorent constamment. Grâce à l'échange de données sécurisé dans les chaînes de valeur, les prix courants des matériaux peuvent être calculés automatiquement.

La standardisation des opérations est cruciale pour l'automatisation

Certains constructeurs de machines proposent l'option de calcul automatique dans leur logiciel de programmation. Certes, cette option est limitée à la 2D, mais l'étape suivante n'est qu'une question de temps. Aux Pays-Bas, une nouvelle entreprise de l'industrie de l'usinage a récemment vu le jour et souhaite automatiser largement l'établissement des devis, la programmation/planification des machines à commande numérique et la production. Les initiateurs viennent de l'industrie de la tôle et considèrent leur usine autonome comme la réponse à la pénurie de travailleurs qualifiés.

La standardisation des opérations est cruciale pour ce développement. À une époque où l'automatisation gagne en importance, c'est de toute façon une condition préalable. Lors du salon EMO 2023, le dirigeant de l'entreprise américaine AMT a présenté une vision de l'avenir dans laquelle émergeront des entreprises manufacturières qui, à l'instar de McDonald's, standardiseront le processus de telle sorte qu'elles pourront facilement le reproduire sur de petits sites locaux. Indépendamment des effectifs, ces derniers pourront alors fournir la même qualité constante.

Programmation automatique

La deuxième étape du processus dans lequel la numérisation progresse est la programmation des machines à commande numérique. Les logiciels de FAO disposent depuis longtemps d'un système de reconnaissance des caractéristiques : ils reconnaissent certaines parties dans les modèles 3D, telles que les cavités, et peuvent y associer une stratégie de fraisage. Ces opérations sont alors automatiquement programmées. Remarque: là encore, la standardisation des opérations constitue le point de départ de l'automatisation.

L'avenir s'oriente vers le concept Model Based Definition (MBD), utilisé depuis longtemps dans l'industrie de la défense américaine et introduit au Benelux par ASML. Ce concept utilise des modèles 3D enrichis de données PMI (Product Manufacturing Information). Les informations que l'ingénieur ajoute maintenant au dessin 2D, telles que les tolérances spécifiques de forme et de position, la rugosité de la surface et les normes standard, sont ensuite ajoutées au modèle CAO.

Les grands équipementiers tels qu'ASML souhaitent introduire cette méthode pour améliorer leur efficacité et réduire le risque d'erreurs. En effet, MBD et PMI sont conçus pour éviter les discussions entre l'ingénieur et le fabricant ainsi que les mauvaises interprétations, éliminant ainsi les erreurs coûteuses.

Ils facilitent également l'acheminement automatique du feedback concernant la fabricabilité du projet vers le modèle CAO en vue d'une nouvelle conception. En outre, les équipementiers anticipent l'arrivée d'un nouveau logiciel qui donnera à l'ingénieur un aperçu de la fabricabilité et du coût de certaines caractéristiques qu'il ajoute à la conception dès le processus de conception.

Un avantage futur pour les entreprises de fabrication est qu'elles pourront utiliser le modèle 3D avec les données PMI pour programmer leurs machines. C'est une solution que ces entreprises attendent avec impatience, compte tenu de la pénurie de programmeurs. Mais pour l'instant, cela reste une promesse qui n'est tenue que lors de la programmation de MMT.

L'interchangeabilité des données est un goulot d'étranglement

Chez nous, la Model Based Definition est désormais adoptée par plusieurs grands équipementiers. Le principal goulet d'étranglement reste l'échange de données. Tant que toutes les parties d'une chaîne de valeur travaillent avec la même famille de logiciels, ce n'est pas un problème. L'échange de fichiers CAO native enrichis de PMI ne pose aucun problème. C'est pourquoi on voit que le concept fonctionne entre l'OEM et le Tier 1 supplier. Toutefois, ce sont précisément les petits fournisseurs qui utilisent souvent plusieurs progiciels de FAO et qui se heurtent alors à des problèmes de conversion. Ils doivent convertir les données via le format neutre STEP 242 et c'est là que les choses tournent souvent mal dans la pratique.

Le principal goulet d'étranglement de la programmation automatique reste l'échange de données

De plus, la règle est la suivante: ce que vous mettez dans le modèle en ressort. Lors du MBD Solutions Event de Mikrocentrum l'année dernière, l'un des développeurs de FAO a souligné à juste titre que la lisibilité des données PMI dépend de ce qui est ajouté à un modèle en amont. Pour la FAO, les tolérances de forme et de place sont importantes pour générer le bon programme. Là aussi, les choses se passent souvent mal dans la pratique.

Au cours du même événement, ASML a fait remarquer que STEP 242 n'est pas encore suffisamment mûr, mais l'entreprise s'en tient au calendrier et souhaite rendre les avantages pour ses fournisseurs plus visibles dans un avenir proche. D'ici l'année prochaine, elle espère qu'environ 10% de toutes les pièces externalisées seront fabriquées via MBD et PMI. Avec la troisième édition de STEP 242, les logiciels de FAO devraient également reconnaître les tolérances. La programmation automatique se rapproche ainsi un peu plus de la réalité.

L'IA dans le processus

Les bits et bytes jouent un rôle croissant dans le processus d'usinage depuis l'introduction des commandes numériques. Le rôle de la numérisation ne fera que croître à tous les niveaux du processus.

Actuellement, on utilise les données de mesure en cours de processus pour vérifier si une machine reste dans la marge demandée en termes de précision. A l'avenir, cela sera fait par des fonctions plus intelligentes dans la commande de la machine. Les jumeaux numériques des machines CNC et des pièces à usiner sont une solution pour améliorer la simulation en amont. Cependant, ils sont déjà utilisés pour le contrôle de la qualité, en construisant un jumeau numérique de la pièce à usiner pendant l'usinage.

L'intelligence artificielle (IA) joue également déjà un rôle. Un exemple concret est celui d'un algorithme qui analyse une image de l'espace de travail de la machine CNC pour voir où les copeaux s'accumulent. Ces informations sont ensuite utilisées pour diriger les buses du système de refroidissement et de lubrification afin de maximiser le rinçage de ces copeaux avec un minimum de liquide.

Cette innovation est principalement motivée par des considérations de durabilité: les pompes du système de refroidissement et de lubrification sont les plus gros consommateurs d'énergie d'une machine CNC. Un autre développement relativement récent est la lubrification par refroidissement dynamique. Le programme de FAO détermine s'il est nécessaire de recouvrir au maximum la pièce à usiner avec le lubrifiant de refroidissement, et la pression nécessaire.

IA générative

Lors de la foire de Hanovre, l'IA générative - la prochaine étape - a été l'un des sujets les plus discutés. Ce fut également le cas chez des fournisseurs de l'industrie de l'usinage, tels que Siemens et Hexagon. Selon le directeur de Siemens Digital Industry, l'industrie a besoin de l'IA générative car la population occidentale vieillit et il y a de moins en moins de travailleurs qualifiés dans le monde. Par conséquent, vous n'aurez bientôt plus besoin de manuels pour détecter une panne: vous pourrez parler à une machine ou à un robot.

Il sera également plus facile de développer des applications de vision, car il faudra beaucoup moins d'images pour entraîner les algorithmes. On n'a même pas besoin de vraies photos: les images d'entraînement peuvent être générées à partir de modèles de CAO, car la qualité du rendu est très réaliste.

L'IA générative signifie que l'intelligence artificielle est capable d'écrire elle-même un nouveau code. Les premières applications dans le domaine du contrôle de la qualité ne devraient pas tarder à voir le jour.

Durabilité

La numérisation laissera des traces dans le déroulement du processus d'usinage. Mais il y a autre chose en jeu: la durabilité. L'UE met en place une législation de plus en plus stricte dans ce domaine. L'objectif est de réduire la consommation de matières premières ainsi que les émissions de CO₂. Cela a des conséquences pour l'industrie de l'usinage à plusieurs égards. 

Depuis cette année, en vertu de la réglementation CSRD, les grandes entreprises sont tenues d'enregistrer et de déclarer chaque année leurs émissions de carbone. A première vue, les entreprises manufacturières semblent y échapper, mais les équipementiers ne peuvent enregistrer correctement leurs émissions que s'ils connaissent les émissions de leur chaîne d'approvisionnement. Les fournisseurs peuvent donc s'attendre à des questions de la part de leurs clients, si ce n'est pas cette année, ce sera l'une des années à venir. Dans les logiciels de contrôle des machines, on voit donc apparaître progressivement les possibilités d'enregistrer les émissions de CO₂ et de les relier à une commande.

Le passeport numérique des produits introduit par l'UE est une autre évolution qui obligera les entreprises à se numériser. Il en va de même pour l'obligation de consacrer davantage d'efforts à la refabrication et à la réutilisation des composants. Il est alors nécessaire de savoir ce qu'il est advenu d'un composant pendant sa phase d'utilisation.

Du fraisage à l'impression 3D?

Si l'on pousse plus loin l'idée d'économiser les matières premières, on ne peut éviter la question de savoir jusqu'à quand le fraisage de composants légers à partir de matériaux entiers sera accepté. Dans l'aérospatiale, mais aussi dans l'ingénierie mécanique de haute technologie, il n'est pas rare de fraiser 90%, voire plus, du matériau. Ainsi, sur 200 kg de titane forgé, il en restera finalement moins de 20 kg.

Les fournisseurs néerlandais de niveau 1 pour ASML s'interrogent sur la pertinence de cette solution et cherchent des alternatives, telles que la fabrication additive. En imprimant un modèle near net shape, on  gaspille moins de matériau et on n'a plus qu'à procéder à un fraisage post-impression. Cela permet d'économiser de nombreuses heures de machine lors du traitement final. Les premiers essais s'avèrent positifs. La durabilité peut donc conduire à un passage du fraisage CNC à la fabrication additive, ainsi qu'à une réduction du fraisage préliminaire à un fraisage post-impression plus précis.

Cependant, beaucoup d'eau coulera sous les ponts avant d'y parvenir. Non seulement pour comprendre tous les aspects qualitatifs, mais aussi parce que la durabilité de l'impression 3D de métaux est sujette à débat. La technologie elle-même consomme beaucoup d'énergie et la production de poudre tout autant. L'industrie de l'AM, par l'intermédiaire de son propre club environnemental AMGTA, mène actuellement ses propres recherches sur ce sujet. Les premières conclusions indiquent que le mode de production de ces poudres fait une grande différence dans les émissions de CO₂.

Y a-t-il encore un marché pour les industries artisanales?

La chaîne de valeur actuelle de l'usinage comprend un large mélange d'entreprises d'usinage de précision de très haute qualité, un vaste groupe intermédiaire et, enfin, un groupe d'entreprises qui se consacrent à la production et à la fourniture de composants relativement simples. Elles vendent de la capacité, c'est-à-dire des 'heures de broche'.

ABN AMRO, en collaboration avec Nevat, a récemment divisé le marché en deux catégories: les entreprises génériques (peu d'employés, quelques gros clients) et les entreprises industrielles (les groupes de fournisseurs qui ont émergé ces dernières années). La différence est que l'opérateur générique vend principalement des heures de broche tandis que l'opérateur industriel peut produire de nombreuses heures sans personnel grâce à une automatisation poussée, réduisant ainsi le prix de revient. Il y a ensuite les entreprises 'qui déchargent' (offrant le plus de services possible) et les spécialistes, qui se concentrent sur des opérations spécifiques ou des précisions très élevées.

La question est de savoir comment les développements technologiques affecteront la capacité de gain de ces entreprises. Les grandes entreprises d'usinage industriel sont souvent détenues par des parties fortunées, comme des sociétés d'investissement. Elles ont donc accès aux capitaux nécessaires pour investir dans les nouvelles technologies. De plus, leur taille leur permet de libérer des ressources et d'acquérir l'expertise nécessaire à la mise en œuvre rapide de la nouvelle technologie. Les entreprises d'usinage génériques sont souvent dépourvues de ces deux atouts. Ces petites entreprises n'ont ni les ressources financières nécessaires pour investir en permanence, ni la capacité de suivre le rythme de la numérisation.

Par ailleurs, ABN AMRO indique dans son rapport que l'accès au capital accélère la numérisation et l'automatisation. Lors du salon de la précision de l'année dernière,  Rabobank a averti que les entreprises manufacturières ne devaient pas espérer davantage de recrutement de travailleurs qualifiés. Selon cette grande banque, le marché du travail aura diminué de 20% d'ici 2035. Par conséquent, la productivité du travail doit augmenter, ce qui implique une plus grande automatisation. TNO est parvenu à une conclusion similaire plus tôt: si l'industrie de haute technologie aux Pays-Bas veut maintenir la croissance des dernières décennies, la productivité doit être multipliée par un facteur de 1,5.

La solution réside dans la numérisation et l'automatisation, car les augmentations excessives du coût de la main-d'œuvre excluent le secteur néerlandais du marché international. Les entreprises d'usinage peuvent encore gagner beaucoup en automatisant les processus logistiques autour de leurs machines CNC, par exemple en déployant des AMR (robots mobiles autonomes) et en transférant automatiquement les données des systèmes de préréglage des outils aux machines CNC, tout en numérisant le contrôle de la durée de vie des outils.

Les grandes entreprises vont-elles en faire davantage de choses elles-mêmes?

Les grandes entreprises d'usinage sous-traitent actuellement une partie de leur demande de production à des petites entreprises génériques, parce qu'elles sont saturées en termes de capacité et qu'elles se concentrent sur les travaux à forte valeur ajoutée. Continueront-elles à le faire si leurs fournisseurs ne se connectent plus numériquement? Comment traiteront-elles les sous-traitants qui n'adhèrent pas au MBD, si ce concept est encore étendu?

S'adapter à la numérisation deviendra une nécessité pour survivre

Les usineurs génériques obtiennent aujourd'hui de bons résultats, car la demande est bien supérieure à l'offre. Mais que se passera-t-il si les entreprises Tier 1 automatisent et numérisent leurs processus à tel point qu'elles disposent elles-mêmes de suffisamment de marge, soit en fabriquant davantage de composants near net shape, soit en optimisant leurs processus pour libérer de la capacité supplémentaire? La numérisation n'est pas nice to have, mais elle deviendra nécessaire dans les années à venir pour survivre sur ce marché.