Le lien entre l’Internet des Objets et la fabrication additive

L’expression « Internet des objets« , abrégée en « IdO » en français (et en anglais « IoT » = Internet of Things), est devenue tellement omniprésente dans la communication industrielle que les fabricants ont reconnu (inconsciemment) son importance cruciale pour la fabrication sans vraiment évaluer et comprendre ses applications, ses avantages et son impact réel sur la fabrication. Nous avons décidé de faire la lumière sur cette zone d’ombre en ce qui concerne l’industrie actuelle de la fabrication additive.

*Pour une meilleure fluidité de la lecture le terme IoT sera utilisé tout au long de l’article.

L’association IoT et fabrication additive dans la même phrase est-elle seulement destinée à créer un buzz ? L’IoT a-t-il vraiment le potentiel de perturber la fabrication additive ? Ou est-ce l’inverse ? Le terme qui a été inventé dans les années 1990 pour la première fois, semble facile à comprendre et fait référence à un système d’objets interconnectés et connectés à Internet qui peuvent collecter et transférer des données sur un réseau sans fil sans intervention humaine.

Au départ, le terme a d’abord incarné le concept de domotique, qui comprend, sans s’y limiter, l’éclairage, le chauffage et la climatisation, les médias, les systèmes de sécurité ainsi que les systèmes de caméras. À l’époque, le premier objectif était d’économiser de l’énergie en veillant à ce que les lumières et les appareils électroniques soient automatiquement éteints ou en sensibilisant les utilisateurs à leur utilisation.

Au fil du temps, avec la transformation numérique de l’industrie manufacturière, les fabricants ont commencé à considérer ce système de points interconnectés comme une composante essentielle des efforts de transformation industrielle, d’où le terme Industrial IoT en anglais (IIoT).

Ce terme a suscité un tel battage médiatique que les fabricants le décrivent souvent de manière interchangeable, à la fois comme un module ou une application. Nous avons demandé à Gravity Systems, Nano Dimension et Twikitde clarifier cette zone d’ombre pour nous, et nous avons réalisé que selon l’objectif final, l’IoT peut être vu comme un module et comme une application.

 « La relation entre l’IoT et la FA va dans les deux sens. L’IoT peut être utilisé pour industrialiser les processus de FA, tout comme la FA peut être utilisée pour prototyper et produire des dispositifs IoT », déclare d’emblée Martijn Joris, fondateur et CEO de Twikit.

« Nous pensons que l’IoT est plutôt un module qu’une application. En fonction de l’utilité du dispositif IoT, son objectif est principalement la ‘collecte de données’ dans notre cas. Par conséquent, nous utilisons l’IoT de manière plus intelligente qu’un simple « ajout » de matériel. Les données collectées à partir d’un seul appareil font généralement partie d’une transaction plus importante où plusieurs appareils et potentiellement une logique métier supplémentaire sont nécessaires pour mener à bien une transaction. Nous mettons en œuvre cette cohérence directement à la périphérie », souligne Huba Horompoly, fondateur et associé directeur de Gravity Pull Systems, Inc.

« Pour Nano Dimension, il s’agit d’une application. Pour nous, l’IoT est quelque chose qui doit communiquer. Les progrès récents de la fabrication additive améliorent actuellement les processus de développement de produits et la façon dont les ingénieurs conçoivent pour plusieurs marchés verticaux. Lorsque nous regardons ce que nous appelons « Additively Manufactured Electronics » (AME), il y a un grand potentiel pour les appareils et applications dédiés à l’IoT », déclare Valentin Storz, VP Marketing & General Manager EMEA chez Nano Dimension.

Ceci étant dit, les lignes ci-dessous examinent l’IoT en tant que module et l’IoT en tant que industrie verticale.

Comment l' »IoT » est-il utilisé en tant que composant de la production de FA ?

Les solutions IoT englobent tout ce dont les concepteurs, les développeurs de logiciels et les fabricants de produits ont besoin pour développer et mettre en œuvre des idées. Elles peuvent inclure une propriété intellectuelle matérielle et des plateformes logicielles. Dit comme ça, les solutions IoT ressemblent à tout et à rien à la fois.

D’un point de vue technique, les systèmes IoT fournissent une structure logique fiable capable de réunir des systèmes autonomes, de communiquer et d’interpréter des données à un niveau insondable pour l’intelligence humaine.

Les solutions de IoT seraient donc un grand avantage pour les secteurs qui cherchent à numériser leurs processus de fabrication et à introduire des systèmes de contrôle et de surveillance dans les ateliers. Pour plusieurs industriels, les fonctionnalités de l’internet et les services basés sur les données visent à renforcer une production fondée sur le paradigme de l’industrie 4.0, d’où les termes de fabrication avancée, d’usine numérique ou d’internet industriel des objets généralement associés à IoT.

Dans le secteur de la fabrication additive, Gravity Pull Systems, Inc est une des entreprises qui a développé une solution IoT pour la FA. Cet éditeur suisse a mis au point une plateforme logicielle baptisée Synoptik qui réduit la complexité de la FA en permettant une planification holistique des processus. Contrairement à d’autres systèmes logiciels de la même gamme qui intègrent des fonctions individuelles en un seul point, l’approche de Synoptik permet des applications de meilleures pratiques pour les processus de FA industrialisés, depuis l’entrée de la commande, la planification initiale jusqu’à l’achèvement de la production, y compris le post-traitement.

En ce qui concerne les machines, une entreprise qui a récemment introduit des solutions IoT dédiées à l’étape de post-traitement de la fabrication est Solukon Maschinenbau GmbH. Leur « Digital Factory Tool«  englobe le contrôle de la production, la gestion de la maintenance, l’intégration de l’automatisation et la validation des processus / gestion de la qualité. Nous aimerions attirer l’attention sur le contrôle de la production où le fabricant de machines a intégré une interface OPC-UA* dans sa machine SFM-AT800 pour permettre un contrôle et une surveillance centralisés. Pour ceux qui ne le savent pas, OPC-UA signifie Open Platform Communications United Architecture. Il s’agit d’une plate-forme qui fournit l’infrastructure nécessaire à l’interopérabilité dans toute l’entreprise, de machine à machine, de machine à entreprise et tout ce qui se trouve entre les deux.

À l’Institut Fraunhofer pour les machines-outils et la technologie de formage (IWU), basé à Dresde, il y a un système Solukon SFM-AT800 qui intègre cette interface OPC UA dans une cellule robotique modulaire.

Les opérateurs de ce système Solukon expliquent que la cellule robotique est un exemple de traitement en aval. Outre l’élimination de la poudre, la cellule robotisée comprend un système d’analyse optique de la géométrie et un système d’élimination des supports, sans oublier qu’elle peut également effectuer le chargement des pièces et d’autres tâches liées à la découpe des métaux. Comme le souligne le concept d’OPC-UA, chacune de ces stations communique avec les autres.

Un scénario où les solutions IoT sont bien intégrées dans un environnement de fabrication intelligente est idéal pour toute industrie, mais son lot de défis ralentit souvent sa bonne intégration. Ces défis comprennent par exemple :

• Des composants vulnérables. Étant donné l’interconnexion avec un certain nombre de disciplines de sécurité, il est important d’examiner la convergence entre la sécurité informatique, la sécurité OT et la sécurité physique, ainsi que le passage de systèmes cyber-physiques fermés à des systèmes connectés.
• La complexité de la chaîne d’approvisionnement. C’est un « point sensible » pour les fabricants de produits qui dépendent souvent de composants de tiers pour certaines productions. Il peut en résulter une chaîne d’approvisionnement extrêmement complexe, avec un grand nombre de personnes et d’organisations impliquées qu’il faut gérer. Selon l’équipe d’experts en sécurité de Secure Thingz Ltd, ne pas être en mesure de suivre chaque composant jusqu’à sa source signifie ne pas pouvoir garantir la sécurité du produit, qui n’est aussi sûr que son maillon le plus faible.
• Un autre défi vient du fait que les industries doivent sécuriser le cycle de vie des produits – « la sécurité des appareils devrait être un sujet de considération tout au long du cycle de vie du produit, même en fin de vie/fin de support de la machine. »

Parmi les autres défis à relever, on peut citer « l’aspect sécurité« , le « facteur humain« , les mises à jour de sécurité et le défi que représente le traitement de toutes ces données.

Lorsqu’on lui demande comment sa solution permet de résoudre ce problème de sécurité dans le cadre d’un environnement de production de FA, l’associé directeur de Gravity Pull Systems, Inc. déclare :

« Nous avons développé une solution où toute donnée générée par une machine (ou manuellement) est validée par une paire de clés privée/publique, le validateur étant installé sur une puce NFC. Avant d’être enregistrées dans une base de données ou une blockchain, toutes les données passent par ce processus. Nous assurons la transparence des données de bout en bout grâce à l’application de cette infrastructure. »

Malgré ses grandes promesses, la vérité est que l’IoT industriel est encore naissant. Les principaux cas d’utilisation qui ont déjà démontré le potentiel de la fabrication intelligente comprennent l’assurance qualité et la surveillance des machines.

Jusqu’à présent, aucune norme de communication n’a été développée pour les dispositifs IIoT, ce qui signifie que pour faire communiquer les machines avec les dispositifs IoT, et entre elles, c’est à chaque organisation de créer son propre logiciel d’interprétation ou de s’appuyer sur des fournisseurs de logiciels tiers comme Gravity Pull Systems, Inc.

Un regard sur l’IoT en tant que vertical clé

Explorer l’IoT en tant que verticale clé implique l’utilisation des technologies de FA pour permettre des applications IoT ou pour fabriquer des dispositifs IoT.

Il est intéressant de noter qu’un récent rapport de Market and Markets estime que le marché de la fabrication intelligente représenterait 384,8 milliards de dollars (356,1 milliards d’euros) au cours des quatre prochaines années. Une part importante de cette croissance concerne l’impression 3D et ses implications dans l’évolution des applications IoT. Avant de plonger dans des exemples d’applications, un rapide coup d’œil aux technologies de FA montre que l’électronique imprimée en 3D est l’un des principaux catalyseurs de ces applications.

Nous avons appris par la suite, que ce dernier avantage devient très intéressant pour le développement de capteurs tactiles capacitifs, de capteurs de contrainte ou de capteurs environnementaux chimiorésistants.

Le directeur général EMEA de Nano Dimension explique qu’avec l’électronique imprimée en 3D, les ingénieurs bénéficient généralement de flux de travail agiles.

Il convient de noter que, pour obtenir une interconnectivité complète entre un large éventail d’objets pour l’IoT, les ingénieurs doivent s’appuyer à la fois sur un émetteur et un récepteur (émetteur-récepteur) pour créer la communication et la connexion entre deux objets. À propos des appareils IoT et de la manière dont ils sont produits, Storz déclare :

« Les appareils IoT sont plus intelligents et plus connectés. En raison de leur utilisation de signaux analogiques et numériques, les concepteurs doivent suivre certaines directives lors de la phase de conception. Certains appareils ont besoin de communiquer, c’est pourquoi les ingénieurs devront intégrer des capacités de communication sans fil dans leur PCB. Une façon de le faire est d’intégrer une antenne et un émetteur-récepteur dans la carte ».

Une autre méthode consistera à concevoir manuellement une antenne imprimée pour la carte. Étant donné qu’avec l’électronique imprimée en 3D, on peut imprimer directement sur le substrat, les ingénieurs peuvent par la suite facilement adapter la carte aux conceptions d’antenne pour les appareils IoT.

Par rapport aux processus de fabrication conventionnels, Storz note que toutes les étapes de fabrication des dispositifs IoT peuvent être réalisées en une seule étape avec l’électronique imprimée en 3D.

« Nous avons effectué quelques tests pour évaluer les performances et la qualité des dispositifs IoT imprimés en 3D que nous produisons à l’aide de notre technologie. Nous avons réalisé que l’électronique imprimée en 3D fournit des résultats exceptionnels puisque les appareils étaient plus performants que les appareils produits avec d’autres technologies et cette performance était surtout liée à la transmission et à la qualité des données.  Nous avons appris que les antennes qui nécessitent un plan de masse doivent être imprimées sur des cartes multicouches, et que les circuits/dispositifs de communication RF sont l’une des applications qui bénéficieront le plus des dispositifs IoT imprimés en 3D », conclut Storz.

Outre le prototypage de nouveaux appareils et la microfabrication de capteurs intelligents, la FA reste un bon candidat pour la production d’appareils domestiques IoT.

Dans les années à venir, il sera probablement compliqué d’énumérer tous les dispositifs et capteurs spécifiques que la FA peut aider à produire.

Cependant, pour une entreprise dédiée aux « applications » comme Twikit, les technologies de FA rendent les applications IoT plus flexibles qu’auparavant. Vous pouvez produire votre carte unique instantanément au lieu d’attendre longtemps avant de recevoir votre exemplaire. »