Les avionneurs s’emparent du jumeau numérique

Les digital twins sont en train de prendre de plus en plus de place. Pour preuve, ils sont désormais considérés comme l’un des principaux leviers pour améliorer la disponibilité des avions militaires en France, un enjeu stratégique. Le concept de jumeau numérique est en effet au cœur du contrat de maintenance Ravel, pour Rafale verticalisé, signé en mai 2019 entre Dassault Aviation et la Direction de la maintenance aéronautique du ministère des Armées, pour une durée de dix ans. Et qui entre dans sa phase d’application. L’avionneur met en œuvre le jumeau numérique pour l’ensemble des équipements – hors moteurs et sièges éjectables qui font l’objet de contrats distincts – des 152 Rafale de l’armée de l’air et de la Marine nationale afin d’améliorer leur maintien en condition opérationnelle (MCO).

"Avec Ravel, Dassault Aviation s’engage à long terme, sur un périmètre élargi et sur une performance de disponibilité de flotte, de façon forfaitaire, et donne ainsi de la visibilité à l’État et à nos partenaires industriels", résume Jean Sass, le directeur général de l’avionneur chargé de la transformation numérique. Et de détailler : il s’agit de récupérer les données de maintenance des flottes, de les introduire dans le jumeau numérique de chaque appareil via la plate-forme 3DExperience de Dassault Systèmes, puis d’en faire l’analyse. À la clé, une réduction du temps d’intervention et une maintenance prédictive… "Cette plate-forme est en outre destinée à établir un standard industriel de traitement pour le futur avion de combat européen au cœur du Scaf", assure Jean Sass.

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Pour tirer parti de cette promesse, les avionneurs peuvent prendre exemple sur les motoristes. À l’image de General Electric, Rolls-Royce et Safran qui tirent jusqu’à la moitié de leurs revenus de services pour les moteurs d’avions fondés en partie sur le concept de jumeau numérique. Il faut dire que ces derniers assurent la production et la maintenance de la partie la plus critique et sollicitée d’un avion. Ils cherchent encore à se diversifier : en partenariat avec Infosys, General Electric a récemment pu déterminer qu’en plaçant 34 capteurs au niveau du train d’atterrissage, alimentant un jumeau numérique, il était possible en prenant également en compte les données d’exploitation de réduire fortement les délais de maintenance.

Répondre à la hausse des cadences

"Historiquement, le premier jumeau numérique d’avion dans le secteur aéronautique commercial date du Boeing 777, mis en service en 1995. Il s’agissait alors de la maquette de représentation physique", rappelle David Ziegler, le vice-président aéronautique et défense chez Dassault Systèmes. Un outil qui a permis, et permet toujours, de faire travailler conjointement, dans le monde virtuel, le bureau d’études du donneur d’ordres avec les sous-traitants. Aujourd’hui, les avionneurs veulent aller plus loin. D’une part en créant de véritables jumeaux numériques propres à chaque appareil qui seront actualisés par l’intégration des données d’exploitation. D’autre part en construisant des jumeaux numériques des process de production. De quoi englober tout le cycle de vie des appareils. Et répondre ainsi aux enjeux liés à la hausse de cadences de production, à l’amélioration de la qualité et donc de la sécurité des aéronefs, à la personnalisation croissante des appareils et à l’optimisation de la gestion des flottes par les compagnies aériennes.

En 2018, le patron de Boeing, Dennis Muilenburg l’assurait : grâce à l’utilisation du jumeau numérique, Boeing a pu améliorer de 40 % la qualité des pièces et des systèmes nécessaires pour l’assemblage des avions. Et le dirigeant d’annoncer que ce concept serait l’un des facteurs clés d’efficacité industrielle pour l’avionneur durant la décennie 2020. "Il va se généraliser dans tout le secteur, afin que chaque avion, dans sa configuration de production, puisse avoir un jumeau numérique exact, augure David Ziegler. Cela permettra de mieux comprendre le niveau de performance propre à chaque appareil et d’en tirer les meilleures conditions d’exploitation. Et les fabricants d’avions pourront proposer les meilleurs services associés à leur production."

Se nourrir des données d’exploitation des appareils

Chez Airbus, qui a développé sa première maquette numérique complète d’un avion avec l’A350, mis en service en 2015, l’heure est également à l’extension du jumeau numérique à l’appareil productif. "Nous allons mettre en œuvre le premier jumeau numérique du process de fabrication d’ici à un an pour améliorer notre performance industrielle, notamment en anticipant les solutions en cas de perturbation grâce à des simulations", détaille Alain Tropis, le responsable du programme DDMS Airbus, qui vise à assurer la continuité digitale dans l’ensemble des activités du groupe. Le jumeau numérique est mis en œuvre sur le site de Hambourg (Allemagne), pour le pré-assemblage du fuselage de l’A 321 : le groupe peut ainsi tester virtuellement les interactions entre les outillages et les éléments à assembler, la bonne exécution des tâches par les robots… "Il s’agit bien de jumeau numérique et pas simplement de simulation, car nous pouvons intégrer les données observées au modèle", précise Alain Tropis.

Alain Tropis, responsable du programme DDMS Airbus
"Nous allons mettre en oeuvre le premier jumeau numérique industriel d’ici à un an pour améliorer notre performance industrielle."

Airbus compte ensuite déployer ce système au sein de tous ses sites industriels. L’étape d’après ? Connecter les jumeaux numériques des process et des produits. "Si ces modèles partagent un langage commun de modélisation et de structuration, nous pourrons les faire interagir en mode itératif et faire en sorte que chaque modification dans l’un entraîne une modification dans l’autre", décrypte le responsable du programme DDMS Airbus. Évaluation de l’impact d’une modification du produit physique sur le système industriel, amélioration de la maintenance… Si le jumeau numérique du produit est mature chez Airbus et si celui lié aux process est en cours de déploiement, l’intégration globale reste à faire. "C’est notre objectif pour nos prochains programmes", lâche Alain Tropis.

Le graal que compte atteindre Airbus : nourrir les jumeaux numériques des process et du produit avec les données d’exploitation des appareils. À l’heure actuelle, la plate-forme 3DExperience de Dassault Systèmes – plébiscitée par Airbus comme par tous les grands acteurs du secteur, tels que Boeing, Safran, Lockheed Martin… – vise à assurer une continuité digitale entre le design et l’industrialisation des produits. Mais l’avionneur, qui a par ailleurs fait appel à l’américain Palantir pour développer la plate-forme de données d’exploitation en vol Skywise, vise à une intégration globale des différents environnements numériques. Ce sera la "pierre angulaire" de notre transformation digitale, clame Alain Tropis.

Décliner le concept toujours plus en aval

Cette ambition de déployer ce concept à tous les échelons se retrouve chez Dassault Aviation, qui s’appuie de longue date sur son cousin Dassault Systèmes. Alors que la maquette numérique a été étendue aux process dans le civil dès le début des années 2000, le Falcon 7X ayant été le premier appareil à en bénéficier, l’avionneur lorgne désormais vers les services. "Aujourd’hui, le jumeau numérique intervient au niveau de phases situées plus en aval, pour assurer le suivi d’un avion une fois livré au client", commente Jean Sass. Et de préciser qu’outre les Rafale, la volonté est de faire de même dans le civil : la plate-forme 3DExperience peut traiter les données des flottes de Falcon et constituer ce que le groupe appelle les "carnets de santé individuels" des appareils en service. "La démarche classique consiste à accumuler des données via le big data et à les analyser pour proposer des services d’optimisation de gestion de flotte, glisse Jean Sass. Chez Dassault Aviation, nous avons la même démarche, à ceci près que nous confrontons ces données d’exploitation à celles de la représentation de l’avion, son jumeau numérique."

Jusqu’où le concept pourrait-il être appliqué ? "On s’achemine désormais vers un jumeau numérique complet de l’entreprise, prédit David Ziegler. Il s’agirait par exemple d’inclure, dans les modèles des données, le positionnement d’un nouveau programme par rapport à des conditions de marché ou même des données sociétales. On peut simuler aujourd’hui l’impact d’une nouvelle usine dans un système de production. On pourra demain vérifier la pertinence de programmes de recherche en fonction de leur impact en termes de développement durable." Les jumeaux numériques ne semblent plus avoir aucune limite.

Les électroniciens sur le banc de touche

Électronique et jumeau numérique ne font pas bon ménage. "Aujourd’hui, la mise en place de jumeaux numériques modélisant le vieillissement des équipements électroniques n’est pas envisageable, et ce, pour des raisons de faisabilité technique mais aussi d’intérêt économique", assure Olivier Saint-Esprit, associé du cabinet IAC Partners. La raison ? L’usure des composants électroniques reste très complexe à modéliser numériquement, contrairement à celle des pièces mécaniques. Des limites rencontrées notamment dans le secteur aéronautique par Thales. Dans le détail, une pièce mécanique métallique décrit une courbe d’usure linéaire jusqu’à un certain seuil, puis l’usure s’accélère jusqu’à la rupture complète. Pour les composants électroniques, l’usure est quasi nulle, d’où des défaillances rarissimes. "Décrire le vieillissement d’un composant électronique reste hors de portée, résume Olivier Saint-Esprit. Il y a des essais pour définir des règles mathématiques de l’usure sur les différents types de composants, mais cela reste très compliqué."

 

"Nous observons la capacité du système véhicule-environnement à bien réagir"

Nicolas Fouquet, responsable de laboratoire R & T véhicule autonome chez Safran

Quelles sont les plus récentes applications du jumeau numérique chez Safran ?

Le concept de jumeau numérique est déployé depuis de nombreuses années chez Safran, dans le domaine militaire et civil, et il est désormais au cœur de nos développements en matière de véhicules terrestres autonomes. Au niveau de notre centre de recherche à Saclay, nous avons modélisé l’environnement du site dans un rayon de 8 km, avec une précision de l’ordre de 5 cm. Tout ce que peut rencontrer le véhicule autonome durant son déplacement a été modélisé : routes, trottoirs, marquage au sol, végétation... Puis nous avons inséré le jumeau numérique du véhicule dans cet environnement.

Dans quel but ?

Nous n’observons pas le vieillissement du système, mais sa capacité à bien réagir à une grande diversité de scénarios, comme la densité du trafic, la typologie de conduite, les différents types d’obstacles... Le simulateur est régulièrement enrichi de données réelles issues d’essais. Nous sommes parvenus à démontrer la fiabilité du système dans un cadre défini. L’objectif maintenant est de faire évoluer ce jumeau numérique dans un environnement non maîtrisé. À terme, les résultats de simulation pourraient être des moyens acceptables de mise en conformité lors du processus de certification.

Vos travaux alimentent-ils les recherches en matière d’aéronefs autonomes ?

Les technologies que nous développons sont en grande partie utilisables dans l’aérien. Nous avons réutilisé des capteurs, des concepts et des algorithmes pour des applications liés aux VTOL et au roulage au sol des avions commerciaux. Il est plus facile de mener des expérimentations réelles sur véhicule terrestre que sur véhicule aérien.

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