Zoom sur le travail du Laboratoire des Matériaux et Procédés (LaBoMaP) qui conçoit et réalise deux jumeaux numériques : le premier consacré à la machine de déroulage du bois et le second dédié aux machines de l’atelier d’usinage à grande vitesse (UGV).
Un jumeau numérique est une réplique numérique d’un objet, un processus ou un système qui est directement connecté à ce dernier. Dans le cadre de l’enseignement, les intérêts sont multiples : visualiser des phénomènes invisibles à l’œil nu, se former à distance, refaire des expériences en dehors des heures de cours, rendre accessibles les travaux pratiques aux étudiants en situation de handicap et de nombreuses applications qu’il reste à découvrir et expérimenter !
Adjoindre des modèles mécaniques
La première étape de création d'un jumeau numérique est de réaliser un modèle géométrique 3D de la machine. Aujourd’hui, nombre de fabricants mettent à disposition le modèle 3D de leurs machines afin de faciliter leur implantation dans l’environnement d’un atelier industriel. Sans cela, il faut numériser l’existant, à l’aide de scanners, de photogrammétrie ou effectuer une modélisation CAO.
Loin d’une représentation en 3D, l’implémentation d’un jumeau numérique nécessite d’adjoindre des modèles mécaniques afin de recréer le comportement physique de la machine. Cela permet d’avoir accès en temps réel aux déplacements de l’outil, aux efforts de coupe ou encore à l’usure de l’outil. Ces différents modèles se basent sur les travaux de recherche menés dans nos laboratoires, ainsi que dans ceux de nos partenaires (CESI, Cnam, CEA-List).
Créer une boucle de communication
Afin d'ajuster les paramètres de simulation, il est indispensable de créer une boucle de communication entre le jumeau numérique et son équivalent réel. Pour cela, il faut développer un logiciel qui permet de se connecter aux machines afin de récupérer les informations des capteurs, les valeurs stockées dans la Commande Numérique ou encore les instructions envoyées à l’automate pour répliquer le plus précisément possible le comportement de la machine. L’usinage d’une pièce a lieu simultanément sur la machine réelle et virtuellement sur le jumeau numérique.
Enfin, il faut mettre au point un ensemble de métaphores de représentation et d’interaction afin que l’utilisateur puisse visualiser et manipuler les données numériques. Concrètement, à travers un écran apposé sur la vitre de la machine, avec des lunettes de réalité augmentée ou simplement l’écran d’un smartphone, il devient possible de voir en 3D la trajectoire future de l’outil, des couleurs sur la pièce usinée qui représentent les efforts de coupe mesurés à cet endroit ou même une jauge indiquant l’usure de l’outil en temps réel.
Une avancée majeure dans la manière d’enseigner
La mise en place de ces outils numériques constitue une avancée majeure dans la manière d’enseigner : en effet, l’immersion dans une scène virtuelle crée une sensation de présence qui transforme l’état passif de l’apprenant en stimulant de nouvelles fonctions cognitives. Cela améliore l’engagement des apprenants qui deviennent acteurs de la formation, tout en favorisant la rétention de la connaissance.
L’étudiant est prêt à imaginer l’usine de demain et à relever les défis du futur, en étant familiarisé avec des outils innovants, issus de la recherche sur nos campus.
En haut : jumeau numérique d'un tour CN permettant la superposition d'informations pour la compréhension et l'apprentissage de l'usinage. En bas : modèle numérique simplifié de placages déroulés et ligne de déroulage Equipex du LaBoMaP.
Quel jumeau numérique pour le déroulage du bois et la fabrication de placages ?
Réponse avec Louis Denaud, pilote du JENII consacré à la machine de déroulage Bois.
« Le LaBoMaP a construit une plateforme technique instrumentée dédiée au déroulage unique au niveau international. Elle se distingue par son échelle industrielle, par la richesse et la diversité des données qui sont tirées du procédé en temps réel (efforts de coupe, température couteau, épaisseur des placages, profil local des placages, données automate dérouleuse et massicot, cartographie de l’orientation locale des placages comprenant angle des fibres et humidité) et intégrées dans un seul logiciel évolutif développé par le LaBoMaP, Xylomat©, dans le cadre de l’Equipex Xyloforest.
Etant donné la complexité des phénomènes physiques mis en jeu, c’est sur la base de ces données (via des modèles phénoménologiques ou par apprentissage, agrémentées de modèles physiques simples lorsque ce sera possible) que le jumeau numérique sera construit. Il devra permettre de reproduire les phénomènes de base observés lors du déroulage et propres aux machines tournantes en produisant un rendu réaliste des placages intégrant la texture du bois par des méthodes et outils de l’immersion virtuelle (réalité virtuelle et/ou augmentée).
En particulier, le jumeau numérique pourra simuler les différents phénomènes intervenants lors du déroulage et leurs manifestations (efforts, vibrations, épaisseur du placage, bourrelets locaux, flexion du billon) permettant la caractérisation de la maitrise du procédé, la compréhension des phénomènes physiques en cours et la simulation des propriétés des placages fabriqués.
Le jumeau numérique doit offrir :
- un support pédagogique offrant de multiples possibilités en complément de cours ou de travaux pratiques (apprentissage immersif)
- une large diffusion des savoirs sur le procédé et possibilité de ruisseler depuis le lycée jusqu’au doctorat
- trois scénarios pédagogiques ciblés (initiation, 100% distanciel, intermédiaire mixant les supports et expert destiné à la formation continue). »
