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Usine 4.0

L’Usine 4.0 et ses différentes déclinaisons

5/08/22 15:00

La principale promesse de l’industrie 4.0 concerne la réduction des coûts de complexité, liés à la gestion d’une importante variété de produits, elle-même liée aux besoins de personnalisation exigés par les consommateurs. C’est à ce niveau-là que les gains les plus importants sont attendus pour les usines qui suivent ce nouveau modèle industriel, dites usines 4.0.

Au-delà des technologies mises en œuvre et face à l’extrême diversité des projets industrie 4.0, il est important d’avoir une grille d’analyse qui caractérise ses formes de déploiement au sein des usines 4.0.

La grille suivante fut imaginée par Dorothée Kohler et Jean-Daniel Weisz, spécialistes de cette nouvelle révolution industrielle et auteurs de livres blancs sur le sujet. Elle représente les différentes déclinaisons de l’industrie 4.0, classées selon deux critères :

  • La taille de série ;
  • La variété de produits requise.

Usine 4.0 - Déclinaisons

Ainsi, les projets de l’industrie 4.0 sont réparis 3 modèles :

L’hyperautomatisation pour l’usine 4.0 fortement automatisée

L’hyperautomatisation concerne des activités de fabrication en grande série, comme les cartes électroniques, ou les injecteurs pour moteurs diesel. Ces activités sont fortement automatisées. Leurs chaînes de production ont été équipées pour assurer la continuité numérique du processus de fabrication, grâce notamment à la RFID. La Radio Frequency Identification est une technologie d’identification des produits et des équipements par radiofréquence.

La finalité est de pousser à l’extrême le tryptique coût-qualité-délai avec une transparence quasiment totale sur les opérations de production. Par exemple, le donneur d’ordre, un constructeur automobile, suit en temps réel la production chez son fournisseur, sous-traitant de rang 1. L’ensemble de l’usine 4.0 peut-être modélisé sous la forme d’un jumeau numérique et les opérationnels comme les décideurs suivent en temps réel leurs paramètres de production.

Dans ce modèle, le flux de production reste linéaire. La maintenance préventive ou prédictive, ainsi que le contrôle des pièces assisté par l’intelligence artificielle, sont centraux pour assurer le bon déroulement des opérations.

Comme mentionné ci-dessous, ce sont les industries fortement automatisées qui représentent généralement cette déclinaison de l’industrie 4.0, comme l’électronique ou l’automobile. L’usine d’Amberg en Bavière, dédiée à la fabrication de cartes électroniques Simatic pour les systèmes d’automatisation Siemens, est ainsi considérée comme une usine 4.0. Les maîtres-mots y sont un taux de rebuts de l’ordre de quelques pièces par millions et un taux d’automatisation proche de 75%.

La différenciation standardisée pour les produits aux millions de possibilités

Le second modèle d’usine 4.0. concerne la différenciation standardisée. Cette déclinaison regroupe des usines qui se sont organisées pour produire une très grande variété de produits, avec plusieurs millions de possibilités. Le flux de production n’est plus linéaire, mais éclaté en plusieurs mini-usines.

Ce système est entièrement décentralisé et l’ordonnancement de la production se modifie en temps réel. L’impact des aléas de production est considérablement réduit par rapport à un flux linéaire. Cette organisation permet de gérer la variété en temps réel, selon des gammes de fabrication préétablies.

Dans l’usine pilote Audi d’Ingolstadt, les caisses des voitures en production circulent sur des AGV et les opérations de montage sont réalisées au sein d’îlots autonomes. C’en est fini de la chaîne arrêtée à cause d’un incident de production. Le flux de production peut se reconfigurer en temps réel au rythme des aléas de production ou des décisions des clients. Jusqu’à un stade avancé de la production, le client peut encore modifier les options choisies précédemment.

Usine 4.0 - Audi

Ce modèle se retrouve également dans l’industrie agro-alimentaire, où il s’agit de fabriquer un produit à la demande selon l’envie du consommateur. Par exemple, Siemens présentait à la foire de Hanovre de 2018 un démonstrateur permettant de fabriquer un yaourt aux fruits dont la composition est adaptée en fonction de la demande du client. Au-delà de sa capacité à répondre à la demande de personnalisation, ce modèle évite de fabriquer de grandes quantités d’un même produit qui ne seront peut-être pas toutes vendues.

La modularité adaptative pour l’usine 4.0 autonome

Le troisième modèle, la fabrication modularisée et autonome, est pour ainsi dire le « graal » de l’industrie 4.0. Dans ce modèle, la gamme de fabrication n’est pas un prérequis. Le système de production va s’organiser de manière autonome pour personnaliser le produit.

Dans la pratique, cette utopie de la série unitaire personnalisée et conçue avec le client reste du domaine des fab labs et des démonstrateurs, tels que la Smart Factory de l’Institut allemand de recherche en intelligence artificielle de Kaiserslautern (DFKI).

Ce démonstrateur résulte de l'assemblage de différentes technologies avec l'appui d'instituts de recherche. Il s'agit d’installations modulaires fonctionnant en mode plug and work montées à partir de composants standards. Avec près de 45 partenaires issus de l’industrie et de la recherche rassemblés au sein du projet, ce démonstrateur regroupe 2 îlots de production et une station de travail manuel reliés par un système de transport flexible. Un produit est fabriqué en passant successivement sur les modules issus de fabricants différents : Bosch Rexroth, IBM, Cisco, Festo, Pilz, Phoenix Contact, Harting, Lappkabel... Ces modules sont tous capables de décrypter en temps réel les informations transmises par le produit à partir d'une puce RFID contenant les spécificités de sa fabrication et le calibrage des machines.Usine 4.0 - Smart Factory KL

                                                                    

Le spectaculaire réside dans l'interopérabilité de ces machines de fabricants différents, et dans l'expérimentation collective de la fabrication du produit pour parvenir à combiner ces expertises souvent concurrentes. Ce n'est donc pas ce qui est produit qui est spectaculaire, mais l'apprentissage d'un processus de conception et de fabrication collectif.

Ce qui frappe le visiteur face à ces démonstrateurs, c'est le nombre d'acteurs impliqués tant dans le monde industriel que dans celui de la recherche. « Expérimenter ensemble » est un mot d'ordre qui a su trouver des traductions très concrètes sur le terrain. Le démonstrateur met en avant un partage de ressources au sein de différentes entreprises de taille différente. La juxtaposition des logos de société apporte la preuve qu'il a été possible d'être en rupture sur le processus même d'innovation. L'idée est de créer des usines 4.0, championnes de l'Industrie 4.0, et de communiquer vers l'extérieur la capacité à créer un leadership collectif. Par ailleurs, le démonstrateur a également vocation à essaimer et à produire des moyens efficaces de réplication.

L’objectif du démonstrateur Smart Factory KL est double :

  • Illustrer la faisabilité d’un système de production modulaire ;
  • Donner à voir la capacité d’interconnexion et d’interopérabiité de systèmes proposés par des offreurs de solutions différents.

Au final, ces trois types d’usines 4.0 sont moins à considérer comme des stades de développement devant être successivement parcourus pour atteindre l’horizon de la série unitaire, que comme des modèles pouvant cohabiter au sein d’un même schéma industriel de filière ou au sein d’un même groupe industriel.

La production unitaire est souvent le dernier stade d’une chaîne de valeur tournée vers le client et la question se pose alors de la reconfiguration de cette chaîne en fonction des besoins de personnalisation en aval.

 

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