Sécurité CNC grâce à Digital Twin

Deux étudiants à la maîtrise de la KU Leuven ont développé un système d'évitement de collision en temps réel pour les machines CNC dans le cadre de leur travail de thèse. Cette solution prometteuse utilise un digital twin pour prédire et prévenir automatiquement les collisions de machines pendant la production, avec un impact direct sur le contrôle des coûts, la sécurité et la continuité de la production.

ASCO est un nom établi dans l'industrie aérospatiale internationale depuis 1954. La société belge fait partie du groupe Montana Aerospace depuis 2022, qui emploie environ 6 000 personnes dans le monde. Avec environ 1 100 employés en Belgique répartis sur quatre sites, y compris son siège social à Zaventem, ASCO développe et fabrique des composants mécaniques complexes pour les ailes et les trains d'atterrissage d'avions. Ces composants sont produits sur des machines CNC de pointe contrôlées par la technologie Siemens, où la précision et la fiabilité sont essentielles.

Collisions : Une réalité industrielle

Dans la production aérospatiale, les programmes CN sont systématiquement simulés dans un digital twin avant d'être transférés de la CAM à la machine. Pourtant, le risque de collisions demeure. Les variations de longueur de l'outil, les écarts dans les points zéro de la pièce à usiner ou les erreurs humaines lors de l'entrée peuvent entraîner des accidents pendant l'usinage. Les conséquences sont importantes, avec des dommages potentiels à la machine, à la pièce ou aux calendriers de production qui peuvent entraîner des coûts atteignant des dizaines de milliers d'euros.

« Les erreurs humaines sont inévitables dans un environnement de production complexe », explique Mohamed El Hatri, ingénieur principal principal chez ASCO. « Une longueur d'outil mal entrée ou une opération manuelle via le mode jog peut suffire à provoquer un accident grave. Nous avons donc cherché un moyen de gérer activement ce risque, non seulement à l'avance, mais aussi pendant le processus d'usinage lui-même. Dans la production aérospatiale, nous travaillons avec des machines CNC extrêmement coûteuses et complexes. Une broche seule dans une telle machine CNC peut coûter plus de 100 000 euros. Malgré des simulations approfondies au préalable, les collisions restent possibles en raison de variations mineures ou d'erreurs humaines. Nous voulions non seulement limiter ce risque, mais aussi le contrôler activement pendant le processus d'usinage lui-même. »

Deux secondes d'avance

Ce défi concret est devenu le point de départ d'une collaboration entre Siemens Industry Academy, Aerospace Machining Academy et ASCO, avec deux étudiants de master de la KU Leuven développant une solution innovante. Le projet, qui s'est déroulé d'octobre 2023 à la fin de l'année académique 2024-2025, s'est concentré sur le développement d'un système qui simule le processus d'usinage en temps réel deux secondes à l'avance. Tout d'abord, un digital twin de la machine a été créé à l'aide de Siemens NX CAM et NX MCD, qui communique en continu avec le contrôleur de machine Siemens 840D sl. Si le système détecte une collision potentielle, il envoie automatiquement un signal d'arrêt à la machine, plus rapidement que n'importe quel opérateur ne pourrait jamais intervenir. Le processus a également été testé avec SinuTrain, le progiciel de Siemens pour la programmation, la conception et la simulation CNC. Cette approche s'est finalement avérée être la plus efficace.

Le choix de la règle des deux secondes est délibéré. Cela explique à la fois le temps de réaction extrêmement rapide du contrôleur Siemens et le facteur humain. Si un opérateur est présent, l'image simulée s'aligne étroitement avec l'état réel de la machine au moment où il déplace son attention de l'écran vers l'installation physique. En même temps, le système fournit une couche de sécurité cruciale pour les machines sans pilote fonctionnant de manière autonome ou pendant la nuit.

Bien que le système d'évitement des collisions ne soit pas encore opérationnel en production aujourd'hui, ASCO voit clairement des opportunités futures. La solution répond à un problème répandu dans l'industrie aérospatiale, où de nombreuses machines ne sont pas de dernière génération et où les dommages par collision ont un impact significatif.

Combiner les technologies

Pour le développement, les étudiants ont utilisé une vaste pile de logiciels Siemens, y compris NX CAM, NX MCD, NX Open, SinuTrain et la passerelle Brown Field Connector, qui permet l'intégration de machines plus anciennes. « La force — et aussi le défi — de ce projet réside dans la combinaison possible de ces technologies Siemens », explique Jan Vereecke, chef d'équipe des opérations de service MC MTS chez Siemens. « En connectant directement NX CAM/SinuTrain, le digital twin, et le contrôleur 840D sl, nous avons pu simuler le processus d'usinage en temps réel. Cela signifie que le digital twin fonctionne non seulement comme un outil de conception, mais aussi comme une couche de sécurité active pendant la production. C'est précisément cette approche innovante qui a rendu le projet particulièrement stimulant et, en même temps, très pertinent pour les étudiants : ils ont travaillé avec une technologie de pointe et ont vu comment sa combinaison peut résoudre un problème industriel concret.

Co-création au sein de Siemens Industry Academy

Le projet s'aligne parfaitement avec la philosophie de la Siemens Industry Academy, qui met l'accent sur la co-création autour de vrais défis industriels. Les étudiants ont la possibilité de travailler dans un contexte professionnel, guidés à la fois par des experts académiques et des ingénieurs de l'industrie. Pour ASCO, la valeur ajoutée s'est étendue au-delà du résultat purement technique. L'initiative a fourni un espace pour explorer et évaluer des technologies innovantes sans impacter la production en cours, tout en construisant simultanément de précieuses connaissances internes.

« Ce projet démontre parfaitement comment notre collaboration avec Siemens et le monde universitaire nous aide à regarder vers l'avenir », déclare Mohamed El Hatri. « Les étudiants apportent une nouvelle perspective, nous apportons de l'expérience industrielle, et au sein de la Siemens Industry Academy, nous pouvons explorer des idées innovantes sans impacter notre production en cours. En développant ensemble une première preuve de concept, nous construisons des connaissances, acquérons un aperçu des nouvelles technologies et pouvons aborder l'innovation de manière progressive et réfléchie. Cette collaboration confirme comment les partenaires de l'industrie, de l'éducation et de la technologie se renforcent mutuellement et ensemble construisent une production plus sûre et plus intelligente dans le secteur de l'aérospatiale.

Pour les étudiants eux-mêmes, le projet était tout aussi précieux. « Nous avons travaillé avec les mêmes logiciels et conditions que dans un environnement industriel réel. Cela a rendu le projet techniquement difficile, mais aussi particulièrement éducatif. Les conseils d'ASCO et de Siemens nous ont permis de constamment réfléchir à ce qui est faisable et pertinent dans la pratique », conclut Rohan Vits, étudiant à la maîtrise.