Pourquoi utiliser un jumeau numérique en impression 3D ?

Avez-vous entendu parler des jumeaux numériques ? L’idée a été développée pour la première fois dans les années 1960 pour créer un modèle vivant de la mission Apollo afin d’aider à évaluer son échec à l’aide d’un modèle physique du véhicule avec des composants numériques. Le concept s’est naturellement développé depuis lors, mais l’essentiel reste le même. Par essence, un jumeau numérique est un modèle virtuel qui a été conçu spécifiquement pour refléter avec précision un objet physique. En outre, selon IBM, il peut être considéré comme « une représentation virtuelle d’un objet ou d’un système qui couvre son cycle de vie, est mis à jour à partir de données en temps réel et utilise la simulation, l’apprentissage automatique et le raisonnement pour aider à la prise de décision« . Bien qu’il soit souvent confondu avec la simple modélisation, le jumeau numérique va plus loin. L’utilisation d’algorithmes et de travaux mathématiques dans les jumeaux numériques est un élément important pour permettre aux utilisateurs de prédire le comportement des pièces, telles que celles fabriquées par impression 3D.

Ils ont trouvé leur place dans une variété d’applications allant de la fabrication à la médecine et même à la décoration d’intérieur. De plus, ils sont de plus en plus utilisés en fabrication additive. Cela n’a rien de surprenant si l’on considère que le marché des jumeaux numériques était déjà estimé à 6,9 milliards de dollars en 2022 et qu’il devrait atteindre 73,5 milliards de dollars d’ici à 2027, selon Markets and Markets. Mais pourquoi les utiliser en impression 3D ? Que faut-il savoir avant de le faire ?

Les jumeaux numériques sont de plus en plus utilisés dans le cadre de l’industrie 4.0 (crédits photo : GE)

L’utilisation du jumeau numérique en impression 3D

Les jumeaux numériques et la fabrication additive sont tous deux considérés comme jouant un rôle clé dans l’industrie 4.0. Cependant, ce n’est que depuis quelques années que les deux ont commencé à être combinés. Il est tout de même important de noter que de nombreuses études différentes ont constaté que l’impression 3D en général est bien adaptée à l’utilisation des jumeaux numériques. Pourquoi ? Parce que, par nature, la fabrication additive est numérique. De la conception en ligne aux logiciels de tranchage en passant par les programmes de surveillance tout au long du processus d’impression, l’automatisation et l’IA ont déjà trouvé leur place dans la fabrication additive pour cette même raison. Les jumeaux numériques ne seraient qu’un outil supplémentaire à ajouter.

Mais comment les utiliser ? Examinons tout d’abord leur processus d’intégration dans l’impression 3D. Comme nous l’avons déjà mentionné, un jumeau numérique est d’abord un modèle 3D. Celui-ci peut être réalisé à l’aide d’un logiciel de CAO ou de conception générative. En outre, la numérisation 3D est de plus en plus utilisée car elle permet de créer un modèle parfait de la pièce en question. Au-delà de la conception initiale, il existe déjà sur le marché un certain nombre de logiciels conçus spécifiquement pour travailler avec des jumeaux numériques, y compris pour l’impression 3D. Citons par exemple ceux de Siemens, Simio ou Netfabb. L’intégration s’en trouve facilitée. Sans oublier qu’il est facile de voir comment ce jumeau numérique pourrait être utilisé pour des applications telles que la rétro-ingénierie de pièces détachées grâce à sa capacité à recréer véritablement les produits.

Enfin, les jumeaux numériques peuvent prendre différentes formes, ce qui doit également être pris en compte. Selon un rapport, les jumeaux numériques peuvent être divisés en quatre catégories pour la fabrication additive : les jumeaux numériques de processus, d’équipement, d’installation et de produit. Comme leur nom l’indique, ils ciblent différents domaines d’un processus de fabrication. Les jumeaux numériques de processus peuvent être utilisés pour reproduire une version numérique du processus d’impression 3D pour la conception, la production et la maintenance. De même, les jumeaux numériques d’équipement peuvent reproduire des imprimantes et fournir des informations importantes pour les travaux de maintenance. Les jumeaux numériques d’installations sont un mélange des deux premiers, mais à plus grande échelle, prenant en compte l’ensemble de l’usine. Enfin, et c’est ce que nous allons aborder en priorité dans ce guide, les jumeaux numériques de produits sont des représentations d’un produit et d’une pièce permettant de les optimiser, de les tester, de les concevoir et de les analyser afin d’en prévoir les performances.

Représentation du fonctionnement des jumeaux numériques en impression 3D (crédits photo : Zhang, Li, Xiaoqi Chen, Wei Zhou, Taobo Cheng, Lijia Chen, Zhen Guo, Bing Han et Longxing Lu)

Pourquoi les intégrer en fabrication additive ?

La combinaison des jumeaux numériques et de l’impression 3D présente également de nombreux avantages, notamment en ce qui concerne le contrôle de la qualité des pièces. Bien que la fabrication additive ait beaucoup évolué depuis ses origines de prototypage rapide, avec l’arrivée sur le marché de plus en plus de pièces d’utilisation finale, le contrôle de la qualité reste une préoccupation. En effet, en raison de sa nature même, la technologie 3D nécessite souvent des tests approfondis pour s’assurer que les paramètres sont corrects afin d’éviter les échecs d’impression. Mais cela va à l’encontre de deux des principaux avantages de la fabrication additive, à savoir la réduction des coûts et des matériaux.

L’utilisation de jumeaux numériques viennent remédier à cette situation. Ils permettent aux utilisateurs d’évaluer directement les paramètres grâce au flux continu de données résultant du retour d’information. Cela permet d’optimiser ces paramètres sans devoir procéder à des essais physiques. De plus, avec ces représentations virtuelles, il est possible d’effectuer un suivi en temps réel tout au long du processus d’impression 3D, ce qui permet d’obtenir une précision encore plus grande pour les impressions finales. En d’autres termes, le contrôle de la qualité de la fabrication additive est plus fiable. Cela est particulièrement important pour les processus plus industriels, y compris pour l’impression 3D métal, car cela pourrait également améliorer la conformité.

En outre, comme indiqué plus haut, les jumeaux numériques ne sont pas seulement utilisés pour des pièces uniques. Ils peuvent être réalisés pour l’ensemble d’une usine. Cela rendrait l’industrialisation particulièrement réalisable pour la fabrication additive, car les parcs d’imprimantes 3D pourraient être optimisés non seulement au niveau individuel, mais aussi au niveau de l’ensemble de l’atelier, pour une production plus efficace.

Cela ne veut pas dire qu’il n’y a pas encore de défis à relever. La définition et le développement d’un jumeau numérique sont encore assez difficiles, notamment parce que, comme l’ont noté de nombreux chercheurs, le cadre lui-même n’est pas bien compris. Toutefois, plus les jumeaux numériques et l’impression 3D seront utilisés conjointement, plus cet obstacle sera rapidement surmonté. C’est d’ailleurs ce qui se passe déjà à grande échelle, notamment avec l’utilisation accrue de l’IA et d’outils plus sophistiqués pour l’apprentissage automatique. Il sera certainement intéressant de voir comment les jumeaux numériques et l’impression 3D seront utilisés ensemble à l’avenir et comment cela évoluera.

Nous pouvons probablement nous attendre à une utilisation accrue des jumeaux numériques dans l’impression 3D, en particulier pour des pièces telles que les turbines (crédits photo : Konica Minolta)

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*Crédits photo : Norlà Corporation