Dossier publié dans le numéro de mars/avril 2021 de 3D ADEPT Mag. Les entretiens et exemples décrivent les solutions présentées à cette date ; les fonctions et performances citées restent à vérifier pour chaque installation.
L’Internet des objets (IoT) relie des équipements et des logiciels pour exploiter des données de fonctionnement. Dans la fabrication additive, il peut servir à suivre les machines et les pièces. Inversement, les technologies additives peuvent contribuer à fabriquer des composants de dispositifs connectés. Ce dossier examine ces deux relations.
*Pour une meilleure fluidité de la lecture le terme IoT sera utilisé tout au long de l’article.
Les objets connectés peuvent mesurer, transmettre et recevoir des données par des réseaux filaires ou sans fil, directement ou par l’intermédiaire de passerelles. Le degré d’automatisation dépend de l’application : une connexion réseau ne supprime pas les interventions de configuration, de maintenance ou de contrôle.
La domotique en est un domaine d’application familier : éclairage, chauffage, équipements audiovisuels ou sécurité peuvent être commandés et surveillés à distance. Elle n’est toutefois ni l’origine unique ni la définition de l’IoT, dont les usages industriels répondent à d’autres contraintes.
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).
Gravity Pull Systems, Nano Dimension et Twikit abordent cette relation depuis des métiers différents. Leurs entretiens distinguent les fonctions de collecte et de traitement des données intégrées à la production, et les dispositifs connectés dont certains composants peuvent être fabriqués par voie additive.
« 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.
Nous examinons d’abord l’IoT comme composant d’un environnement de production, puis la fabrication additive comme moyen de réaliser des composants de dispositifs IoT.
L’IoT dans la production additive
Une solution IoT peut associer capteurs, connectivité, logiciels, interfaces et traitement des données. Les éléments nécessaires dépendent de l’équipement, des informations recherchées et des décisions que ces informations doivent permettre.
Ces systèmes servent à acquérir, transmettre et interpréter des données selon des règles ou des modèles. Leur fiabilité dépend notamment des capteurs, du réseau, de la qualité des données et de la validation des traitements ; elle n’est pas une propriété automatique de l’IoT.
La surveillance et le pilotage des ateliers font partie des usages associés à l’industrie 4.0. Dans ce cadre, les informations des machines peuvent contribuer à planifier les opérations, suivre l’état des équipements et documenter la production.
Gravity Pull Systems présente Synoptik comme une plateforme logicielle reliant commande, planification, production et post-traitement. Il s’agit des fonctions annoncées par l’entreprise ; leur portée dépend de l’intégration réalisée sur chaque site.
« Notre solution IoT ne nécessite pas de tâches spécifiques », explique Horompoly. « Il existe plusieurs applications de surveillance des processus in situ sur le marché. Nous excellons dans l’intégration des informations générées par ces solutions avec nos applications IoT de logistique de production, de sorte que nous obtenons immédiatement une image holistique avec des corrélations analysées au lieu d’un ensemble de “données brutes” uniquement. Nous ne nous contentons pas de collecter des données brutes avec nos applications de l’IoT et nos capteurs développés par nos soins, mais nous les plaçons dans le bon contexte ; cela permet à Synoptik de formuler des recommandations sur les actions possibles, de réagir en temps réel aux événements générés par l’IoT. Comme notre logiciel associe chaque événement à des coûts, nous recommandons le déroulement optimal des prochaines actions, non seulement au niveau logistique, mais aussi en fonction des perspectives financières que notre optimiseur détecte sur la base de principes de comptabilité analytique prédéfinis. »
Solukon a présenté son Digital Factory Tool en mars 2021 pour le dépoudrage automatisé. Le fournisseur décrit des fonctions de suivi de production, de maintenance, d’intégration à l’automatisation et de documentation de la qualité. Ses systèmes étaient proposés avec une interface OPC UA depuis 2017. OPC UA signifie Open Platform Communications Unified Architecture ; il fournit un cadre d’échange de données et de modèles d’information.
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.
La cellule présentée associe le dépoudrage à d’autres opérations, notamment l’analyse optique de la géométrie, le retrait des supports et la manutention. OPC UA fournit un cadre de communication ; l’interopérabilité effective dépend aussi des interfaces et des modèles d’information mis en œuvre par chaque station.
À lire également : la présentation des fonctions numériques de Solukon.
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.”
La sécurité doit couvrir les équipements, les utilisateurs et toute la durée de support. Les recommandations du NIST publiées en 2020 incluent notamment l’identification et la configuration des dispositifs, la protection des données, le contrôle des interfaces, les mises à jour et la visibilité de leur état de cybersécurité. Les accès à distance doivent être limités aux besoins opérationnels.
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. »
Une signature cryptographique peut contribuer à vérifier l’origine et l’intégrité des données. Elle ne prouve pas qu’une mesure est exacte, ne chiffre pas nécessairement son contenu et ne garantit pas, seule, la sécurité de l’installation. L’usage d’une blockchain n’est pas obligatoire pour un système IoT.
Le suivi des machines et l’assurance qualité sont des cas d’usage industriels, mais relier des équipements hétérogènes demande une intégration adaptée.
Des normes de communication existaient déjà lors de la publication de ce dossier : OPC UA a été publié en 2008 et ses spécifications figuraient dans la série IEC 62541 avant 2021. Un protocole commun ne résout pas à lui seul toutes les questions de sens des données, de droits d’accès et de compatibilité.
Fabriquer des composants pour des dispositifs IoT
La seconde relation concerne l’utilisation de la fabrication additive pour produire des composants de dispositifs connectés : boîtiers, supports, antennes ou éléments de circuits, selon le procédé.
L’électronique fabriquée par voie additive est l’une des voies explorées. Il faut évaluer ses possibilités application par application : une prévision portant sur l’ensemble de la fabrication intelligente ne mesure pas la contribution des composants IoT imprimés en 3D.
Alors que les ingénieurs peuvent facilement passer des grandes usines de traitement humide aux petits laboratoires et aux bureaux, selon Valentin Storz de Nano Dimension, « il existe un large éventail d’avantages lorsqu’on tire parti de la FA pour les applications IoT ». « L’impression 3D de l’électronique permet aux ingénieurs de produire et de tester un seul dispositif IoT en une journée pour évaluer ses performances, sans compter qu’elle permet de réduire les coûts des matériaux et les déchets. En outre, dans la conception de capteurs, les éléments conducteurs peuvent être imprimés directement sur la carte sans utiliser un processus de gravure et de placage. »
Le délai d’une journée évoqué par Nano Dimension décrit un scénario de prototypage et d’évaluation présenté par le fournisseur ; il ne représente pas une durée garantie pour tout dispositif IoT terminé et qualifié.
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.
Pour un échange radio bidirectionnel, une antenne et une fonction d’émission-réception peuvent être nécessaires. D’autres dispositifs utilisent une liaison filaire ou une architecture différente. À propos des appareils sans fil, Storz précise :
« 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 ».
L’impression directe de structures conductrices sur un substrat peut aider à adapter la géométrie d’une antenne. Son intégration avec les autres composants, l’accord radiofréquence et les essais restent nécessaires pour obtenir un dispositif fonctionnel.
La fabrication additive de matériaux conducteurs et diélectriques peut regrouper certaines opérations. Elle ne réalise pas automatiquement toutes les étapes d’un dispositif IoT complet : assemblage de composants, logiciel embarqué, étalonnage et essais peuvent rester distincts.
« 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.
Ces résultats sont rapportés par le fournisseur pour ses essais. Le dossier ne fournit pas un protocole comparatif permettant de conclure à une supériorité générale sur tous les autres procédés.
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.
Twikit souligne pour sa part l’intérêt de partir de la valeur ajoutée de l’application avant de choisir une technologie, notamment pour les boîtiers et l’identification des pièces.
« Comme toujours, nous examinerons d’abord la valeur ajoutée de l’application avant de décider des technologies à utiliser. Des projets sont passés où des boîtiers de dispositifs IoT ont été produits avec l’AM, ainsi qu’un projet où l’IoT a été utilisé pour l’identification des pièces dans le processus de FA », conclut Joris. Ce dossier exclusif a été premièrement publié dans le numéro de mars/avril 2021 de 3D ADEPT Mag.
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