Comment appliquer le jumeau numérique à la R&D ?

Aujourd'hui, je suis à nouveau avec Laurent Germain, expert IoT chez PTC France, pour approfondir le sujet du jumeau numérique. Laurent, vous revenez aujourd'hui sur notre plateau pour aborder le thème du jumeau numérique sous l'angle de la R&D. Mais avant ça, est ce que vous pouvez vous représenter ?

Je suis consultant chez PTC, en charge de l'accompagnement de nos clients sur les technologies de gestion de données produits et de réalité augmentée, mais aussi passionnés de technologies et de leur impact sur nos vies quotidiennes.

Alors, c'est une bonne question, parce que cela peut en effet paraître sembler paradoxal d'avoir un jumeau numérique d'un produit qui n'en est encore qu'à l'état de concept marketing. Mais justement, le jumeau numérique va suivre le produit tout au long de son cycle de vie, même avant sa phase de production, avant sa naissance. Et, ce qu'il faut savoir si on se situe à la genèse d'un produit que le jumeau numérique sera utilisé par des organismes type bureau d'études ou marketing et en phase d'après-vente.

Le jumeau numérique, qui continuera à s'enrichir des données liées à son utilisation, concernera donc les services de maintenance pour au final améliorer l'expérience de l'utilisateur. En R&D, on peut voir le jumeau numérique comme étant le tout premier prototype virtuel, mais c'est aussi un prototype augmenté, un prototype vivant basé sur les spécifications du produit et qui évolue au gré des modifications des pièces conçues par le bureau d'études.

Un exemple, un véhicule automobile peut être encore en phase de conception initiale très préalable et en temps réel pour être visualisé en réalité augmentée ou en réalité virtuelle et entièrement simulé avant même d'avoir fait rouler le premier prototype. Donc on est très loin des maquettes en polystyrène qui, il y a quelques années, étaient finalement la seule façon de pouvoir prévisualiser un futur véhicule.

Alors, c'est une bonne question, parce qu’évidemment, souvent, on entrevoit le jumeau numérique comme étant la représentation de quelque chose de physique, de tangible. Or, là, finalement, on peut aussi utiliser le jumeau numérique, alors qu'un produit n'en est encore qu'à sa phase de conception. Bien sûr, l'utilisation n'est pas la même puisqu’on a les jumeaux numériques, comme on l'a vu dans le précédent épisode, utilisé à des fins de maintenance ou de service après-vente.

Mais là, ce dont on parle, c'est de pouvoir au plus tôt, avant même qu'un produit ne soit réel, de pouvoir voir sa représentation sous forme de jumeau numérique pour que les personnes qui travaillent dessus au niveau du bureau d'études puissent collaborer et prévisualiser ce produit grâce principalement à des données 3D et de pouvoir lui donner une réalité avant même qu'il n'ait été fabriqué.

Alors l'avantage de ce jumeau numérique, c'est qu'il va être collaboratif très vite, s'enrichir de toutes les données des différentes parties prenantes du bureau d'études. Et ce prototype va évoluer au fur et à mesure des modifications. Et la valeur ajoutée, c'est que très rapidement, on va pouvoir visualiser ce produit avec des technologies de réalité virtuelle, de réalité augmentée, sans avoir besoin de créer des prototypes physiques.

Ce qui était il y a encore quelques années une obligation devait passer par la réalisation de prototypes en bois ou en polystyrène pour pouvoir se rendre compte de quel serait l'apparence future du produit. Donc, c'est cette dualité entre les maquettes physiques et les maquettes numériques du produit que l'on va pouvoir dresser ici.

Effectivement, c'est un point qui mérite d'être précisé. Parce que si l'on continue sur l'exemple du véhicule, je vais prendre un exemple concret. Il est fréquent que le bureau d'études utilise un outil de conception 3D pour la carrosserie, un autre outil pour les parties motorisation et peut être un autre pour la partie transmission. Donc, le premier rôle de la maquette numérique, c'est globalement une première étape de consolidation de toutes ces données de natures différentes, donc des données hétérogènes pour permettre de les visualiser sous forme d'un prototype virtuel.

Le premier objectif de la maquette numérique, c'est déjà de permettre d'avoir une représentation en 3D complète d'un produit. Donc on a déjà un premier niveau. Mais cela ne suffit pas parce que la plupart des produits aujourd'hui sont pluridisciplinaires, c'est à dire au-delà de pièces qui ont été dessinées. Les produits aujourd'hui se composent de données électroniques, de logiciels embarqués. Et puis, à l'époque, on avait d'un côté les produits de type mécanique, de l'autre des produits de type électronique et un peu révolu. Les lignes bougent. Un véhicule qui est à une époque considérée comme l'archétype d'un produit mécanique.

Est-ce que ce n'est pas en train de devenir peut-être, comme le dit le patron de Tesla, plus proche d'un iPhone sur roues que d'un simple objet mécanique. De toute façon, aujourd'hui, il va falloir synchroniser tous ces différents métiers qui travaillent ensemble sur la conception d'un produit. Donc j'évoquais le logiciel embarqué. Et aujourd'hui, une des premières questions qui se posent, c'est de typiquement s'assurer que, est-ce que mon logiciel dans telle version sera compatible avec telle puce électronique ou telle carte qui a été réalisée par telle équipe ? Toute cette notion de compatibilité de synchronisation entre différents métiers amène de nouveaux challenges. Et le rôle justement du jumeau numérique pour la R&D, c'est d'agréger toutes ces données, de les regrouper, de les fédérer, de constituer une forme de référentiel commun pour que tous ces métiers qui travaillent autour d'un même projet puissent échanger.

Même si chacun travaille sur des données de type complètement différent. Alors on a eu un exemple concret il y a quelques temps, pendant la pandémie ou s'est impliqué toute une désorganisation de la chaîne logistique, en particulier sur la livraison des composants électroniques et en particulier des constructeurs automobiles. Et ont été en difficulté par la pénurie de composants, ils n'avaient plus de quoi fabriquer les tableaux de bord, les indicateurs de vitesse.

Et donc cela leur empêchait de produire, de livrer les véhicules se composant donc au niveau du tableau de bord manqué. Donc la décision a été prise de remplacer ces tableaux de bord numérique tel qu'il existe aujourd'hui et de revenir à une façon plus ancienne, avec typiquement des compteurs de vitesse à aiguille. Alors évidemment, la décision n'a pas été simple parce que vous comprenez bien le nombre de modifications que le bureau d'études a dû intégrer.

Le nombre de revalidations, de certifications qu'il a fallu faire pour pouvoir remodeler en urgence la conception du tableau de bord de ce véhicule. Pour intégrer ce compteur à aiguille et s'assurer qu'au niveau à la fois fonctionnalité, tout fonctionne parfaitement et qu'au niveau de la fabrication et de l'assemblage. Et bien on puisse aussi informer et donner aux équipes les pas des instructions pour assembler ce nouveau composant en lieu et place du précédent.

Et donc cet exemple nous montre bien que dans ce cas de figure, une simple maquette numérique ne suffit pas puisque là on parle d'interface électronique. Comment se connecter, l’aiguille est connectée au reste du véhicule. Donc il y a tout un tas d'interfaces et d'intégration à revoir et à reprendre. Et donc, au-delà d'une maquette numérique, le jumeau numérique, lui permet, par cette capacité à agréger toutes les données de tous les métiers, de pouvoir faciliter et simplifier la synchronisation d'une modification et de s'assurer qu'on ait pu étudier tous les impacts sur l'intégralité du véhicule.

Alors, les avantages sont vraiment multiples parce qu'on va favoriser la circulation de l'information et très concrètement, on va aboutir à une réduction du temps de développement et donc de délais de mise sur le marché. Une meilleure compétitivité et évidemment une réduction des coûts et une meilleure qualité. Mais la mise en place de ce genre d'outil va aussi avoir un autre effet un peu plus global dans l'entreprise, c'est que d'une façon générale, ça va favoriser la collaboration et la transformation numérique de l'entreprise, liée principalement au fait qu'on va utiliser des outils qui permettent à chacun de contribuer à un projet global. Donc, cette collaboration autour d'un référentiel qui agrège toutes les contributions d'une équipe qui, comme on l'a évoqué, est pluridisciplinaire, va même pouvoir aller au-delà de l'entreprise parce qu'on va aussi pouvoir y intégrer toutes parties prenantes que ce soient des partenaires, des fournisseurs de pièces, que ce soit des fabricants, mais aussi, et c'est un point qu'on va probablement discuter un peu après sur la façon dont on va aussi pouvoir intégrer le client final dès les phases amont de conception d'un produit. Donc cette meilleure intégration va permettre d'être plus proche du marché et de garantir que par des itérations que l'on va rendre beaucoup plus rapide, on va pouvoir converger au plus vite vers le besoin des clients. On va aussi évoquer l'aspect sur la réduction du temps de développement et de son coût.

Il y a un exemple assez intéressant lié au fait que le jumeau numérique, comme on l'a évoqué, agrège toutes les données liées au développement d'un produit. On a parlé de logiciels, on a parlé d'électronique, on a parlé de pièces mécaniques. Mais il y a aussi autour de ces outils tout un tas de capacités de modélisation. Par exemple, si on s'intéresse à des Formule 1, on va modéliser le véhicule, on va modéliser différentes pièces et un des éléments les plus important, c'est évidemment au niveau d'une Formule 1. Toute la partie des ailerons, qui va gérer à la fois l'adhérence et la tenue au sol du véhicule. Donc, c'est un élément crucial et sur lequel il y a plein d'études, à la fois sur la nature des matériaux en carbone et sur la traînée aérodynamique de ces différents éléments. Aujourd'hui, afin de garantir une espèce d'équité entre les différentes équipes de Formule 1, la FIA qui est l'organisme qui réglemente la Formule 1, eh bien, chaque écurie a un temps d'essais en soufflerie qui est limité. Donc là, on comprend bien l'intérêt pour chacune des équipes pendant toute la période entre deux saisons, de pouvoir au plus tôt tester de nouvelles architectures, de nouvelles formes d'ailerons, de nouveaux aérodynamismes et de pouvoir, grâce à ces outils de simulation, injecter dans le jumeau numérique et de pouvoir tester autant d'hypothèses que possible pour pouvoir identifier la meilleure. Et quand ils auront l'opportunité et le temps restreint qui leur est alloué pour faire des tests en soufflerie, ils ne pourront tester que les hypothèses qu'ils jugent les plus crédibles et les plus raisonnables. Donc ça peut permettre effectivement de viser au plus juste, de diminuer les coûts et d'avoir une efficacité maximum.

C'est vraiment une préoccupation majeure parce que sans même parler d'outils informatiques qui sont différents entre les différentes équipes d'une entreprise, il y a déjà souvent culturellement des approches différentes. Et donc on va vraiment pouvoir utiliser ce jumeau numérique pour briser les silos qui existent entre les équipes qui sont le bureau d'étude, le bureau des méthodes, la fabrication, la documentation, l'après-vente.

Donc le but du jumeau numérique va être de pouvoir transiter au travers de ces différents services en leur permettant d'avoir un accès global tout en ayant la possibilité pour chacun de voir les données qu'il concerne, tout en héritant de celles qui ont été faites par les autres intervenants. Je m'explique. L'objectif, c'est de fluidifier la circulation des données issues du bureau d'études vers finalement tous ceux qui vont en avoir besoin. Si je suis en charge de préparer les gammes de fabrication, j’ai besoin de savoir quelle pièce il faut assembler entre elles. Si je suis en charge de rédiger la documentation, il me faut bien évidemment des données 3D à jour ou les spécifications qui soient correctes. Donc, avec un jumeau numérique issu de la R&D, on va assurer que l'intégralité des données va pouvoir vivre et être fournie aux bonnes personnes quand elles en ont besoin.

Il y a de nombreux industriels qui déploient ce type de jumeau numérique. Mais je peux vous donner un exemple pour un fabricant aéronautique qui au plus tôt, finalement, dès les phases de bureau d'études et de conception du produit, donc dès la phase ingénierie, on commence les phases d'industrialisation pour préparer la façon dont on va fabriquer et assembler le produit.

Et ça, ça permet de réduire les cycles puisqu’historiquement, souvent, les gens des méthodes attendaient que le bureau d'études valider l'ensemble des conceptions pour commencer à préparer la façon dont on avait préparé préparer le produit. Aujourd'hui, on va de plus en plus avoir ces étapes qui s'effectue en parallèle avec une synchronisation entre les gens des méthodes et les gens de la fabrication.

Donc de ce faite-là, on va pouvoir anticiper au plus vite les bonnes tâches à réaliser sur les bons postes de travail, de pouvoir programmer les robots et les flux au sein de l'usine. Ce qui fait que quand on va lancer les phases de production, on aura complètement anticipé l'ensemble des actions à faire sur chaque poste de travail.

Oui, il y a un domaine qui est en train d'effectuer une vraie révolution technologique et numérique : c'est le secteur du BTP. Sur certains chantiers, c'est encore la version papier des plans qui fait foi. Et on voit souvent les chefs de chantier se déplacer avec des liasses de plans, de documents, pas forcément à jour et avec toutes les conséquences que l'on peut imaginer sur les travaux. Donc des retards, des malfaçons et des non-conformités. Cette approche de jumeau numérique du bâtiment va réellement apporter un changement dans la façon dont ces gens travaillent parce qu'on va pouvoir permettre à tous les métiers de l'ingénierie du bâtiment, que ce soient les gens en charge de la structure, de la climatisation, des réseaux d'électricité et d'eau, de pouvoir synchroniser ces métiers et d'éviter les conflits et surtout éviter les incompatibilités comme on a par exemple aujourd'hui avec nos technologies du numérique couplées à de la réalité augmentée. La possibilité de pouvoir bien intégrer les réseaux souterrains, que ce soit d'eau, gaz, électricité, télécoms et de pouvoir utiliser ces données et de permettre à un opérateur, typiquement un chef de chantier quand il est dans une rue, de pouvoir prévisualiser grâce à la réalité augmentée en semi-transparence, les réseaux enterrés et s'assurer que lors du creusement d'une tranchée, il va bien évidemment pouvoir éviter ces réseaux et donc éviter de les endommager. Alors là, je parle juste de la modélisation, à la fois de nouveaux bâtiments à la fois d'un chantier et peut être effectivement des réseaux existants, mais au-delà de ce pur aspect, on a modélisé les différents éléments dans leur environnement, que ce soit pour des bureaux, des immeubles. On peut aussi simuler les structures. Et aujourd'hui, il est de plus en plus important de pouvoir modéliser le jumeau numérique d'un bâtiment à la fois. Au moment de sa de sa conception, pour pouvoir s'assurer que les ouvrant, les portes et les fenêtres soient orientées de telle façon. On va éviter les déperditions de chaleur, de pouvoir utiliser de bons matériaux pour limiter les consommations d'énergie. Et puis, toujours lié aux matériaux utilisés, pouvoir garantir que le bâtiment a un impact carbone raisonné du fait de l'utilisation de matériaux vertueux. Et ces préoccupations qui depuis déjà dix ou 20 ans sont importantes, ce sont devenues de plus en plus cruciales ces derniers mois, avec l'évolution de tout un tas de coûts, que ce soit des matières premières ou de l'énergie.

Alors, un jumeau numérique dans ce domaine, on vient de le voir, a une importance indéniable pour sa conception et sa construction. Mais à l'usage, on a souvent dans la plupart des bâtiments des outils de GTB, donc gestion technique du bâtiment, qui vont agréger les données de consommation de température intérieur et extérieur, prévisions météo, circulation des fluides. Et donc le fait de pouvoir agréger toutes ces données comme nous le faisons dans certaines villes smart city avec des projets, smart cities ou smart building. Des solutions d'ailleurs qui vont collecter ces données vont pouvoir permettre de les confronter au jumeau numérique du bâtiment tel qu'il a été conçu pour comprendre au mieux son fonctionnement de pouvoir prévenir comme on l'évoquait et contrôler au mieux les dépenses d'énergie. Et grâce à toutes ces technologies-là, du jumeau numérique couplé à de la city, eh bien on va pouvoir transformer des bâtiments en structures à énergie positive.

Alors la prise en compte des dépenses énergétiques, d'avoir une approche plus vertueuse, d'utiliser des meilleurs composants, est un objectif majeur pour la plupart des entreprises. Et au final, quand on développe un produit, on va faire sans arrêt des arbitrages, des choix entre les exigences clients, le coût, la qualité et l'impact environnemental. Et bien évidemment, tous ces objectifs sont contradictoires.

Alors l'intérêt d'un jumeau numérique, ça va être justement de pouvoir très précisément faire des simulations, des études, de comprendre l'impact de chacun de ces critères et en fonction de ces objectifs de marketing, environnementaux ou de coûts, eh bien, on va être certain de pouvoir adapter au mieux le produit final, de faire les bons choix pour répondre à un objectif donné. Et ce qui est important de comprendre, c'est que finalement, ce qui fait ce qui est important pour la décarbonation ou d'une façon plus générale, la sobriété, ce n'est pas tant l'utilisation ou l'usage d'un produit qui détermine son impact carbone, mais bien souvent ce sont les choix qui sont faits au moment de sa conception, avant même sa fabrication. On a un exemple avec toujours un exemple dans l'automobile, BMW a travaillé sur un sur un concept de véhicule quasiment recyclable à 100 %. C'est à dire que dès sa conception, on a pensé dès le départ à la fois à la facilité avec laquelle on allait permettre de démonter les différents organes du véhicule, mais aussi comment il allait pouvoir être recyclable. Cette logique est même allée jusqu'aux batteries du véhicule, dont on peut aller jusqu'à recycler 96 % d'une batterie. Donc ce n'est pas forcément des déchets qui iront polluer mais auxquels on va pouvoir donner une seconde vie.

Mais dans cette logique, BMW est allé encore plus loin. Ils ont essayé d'imaginer des véhicules qui eux-mêmes soient conçus à partir d'éléments recyclés, de préférence en circuit court et donc avec une approche, une approche d'économie circulaire. Alors très concrètement, comment ça fonctionne ? Ça veut dire que les outils qui sont fournis aux concepteurs, aux personnes du bureau d'études vont leur permettre, lorsqu'ils vont choisir les composants, d'aller choisir ceux qui répondent à certains critères, typiquement pour la planche de bord, plutôt que de choisir classiquement des plastiques issus de la pétrochimie.

On va peut-être faire appel à des ou à des matériaux issus de fibres végétales et. Et puis, d'une façon générale, le produit le moins polluant, c'est celui qu'on n'a pas fabriqué, c'est certain. Mais avec le jumeau numérique et tous ces outils, on va pouvoir continuer à produire, à fabriquer, tout en limitant l'utilisation de ressources qui deviennent rares, coûteuses et difficiles à extraire quand on parle de pétrole ou de minerais.

Alors oui, c'est un bon point parce que bien évidemment, il y a tout un tas d'outils, de solutions informatiques, de bases de données qu'il faut maintenir interconnectées entre elles et donc qui consomme de la puissance CPU, des ressources informatiques qu'il faut refroidir et donc avec un certain impact carbone. Mais rassurez-vous, tout cela n'est rien comparé aux avantages que ça va produire sur le bilan global de la vie d'un produit comme un véhicule. Donc le l'impact carbone nécessaire aux ressources informatiques pour faire les bonnes études et aider à prendre les bonnes décisions sont négligeables. Quand on regarde les impacts positifs que ça va provoquer. En retour.

Oui, c'est une bonne question, c'est déjà le cas de beaucoup d'entreprises qui, grâce à leur jumeau numérique, facilitent l'interaction avec nous même les clients, les particuliers d'un certain nombre de ces entreprises. Deux exemples d'entreprises qui ont démocratisé ce genre d'usage au travers des fabricants. Alors on prend deux exemples vraiment opposés. Mais entre des fabricants de cuisines ou de yacht qui fournissent dans les deux cas à leurs clients des outils leur permettant de personnaliser le produit qu'ils recevront en fonction de leurs datas. Donc ça commence par une première phase qui est évidemment de prendre en compte les besoins et les spécifications de chacun et en étant ouvert en n'étant pas restreint à l'existant.

Et donc ça, c'est très intéressant parce qu'on va ensuite pouvoir déterminer si ces besoins sont couverts ou pas par des modules standards et donc de déterminer est-ce qu'il va y avoir du travail spécifique à faire ? Et donc à ce moment-là, impliquer la R& D pour des conceptions spécifiques. Mais ça ne s'arrête pas là parce qu’ensuite, on va pouvoir en retour très rapidement fournir aux clients, via des outils peut être de réalité augmentée ou de réalité virtuelle pour permettre à chacun de visualiser son yacht dans le meilleur des cas, ou sinon d'une façon plus réaliste, sa cuisine. De pouvoir à chacun de voir les adaptations qui auront été faites, éventuellement avec des éléments faits sur mesure et grâce à des lunettes immersives, de pouvoir se projeter dans sa future cuisine et de pouvoir vérifier si les coloris correspondent, si la hauteur du plan de travail est adaptée à la taille de chacun, si les meubles sont facilement accessibles, de tester, de valider l'ergonomie, etc et donc très rapidement avec ces mécanismes-là, on va pouvoir augmenter les itérations entre l'entreprise. Peut-être son R&D et la façon dont l'utilisateur final va pouvoir appréhender les choses, converger vers le projet qui lui convient au mieux. Et évidemment, ce genre d'accélération des interactions entre une entreprise et ses clients pour fournir du sur mesure et donc répondre au plus près possible des attentes. C’est un formidable accélérateur de ventes et de développement de marché, quel qu'il soit.

Merci Laurent. Je vais commencer dès à présent à réfléchir à la cuisine de mon futur yacht.

Merci Axelle.

Les idées de dix prochains épisodes porteront sur les applications du jumeau numérique, dans la fabrication et dans la maintenance. Je peux vous parler de bière sans alcool et de bouteilles de gaz. Je n'en sais pas plus et je vous donne rendez-vous pour les prochains épisodes très bientôt.