Sécurité des machines CNC grâce au Digital Twin

Deux étudiants en master de la KU Leuven ont développé un système anti-collision en temps réel pour les machines CNC dans le cadre de leur thèse. Cette solution prometteuse, utilisant un digital twin pendant la production, peut prédire et prévenir automatiquement les collisions de machines, 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 aéronautique internationale depuis 1954. L'entreprise 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 et quatre sites, dont son siège social à Zaventem, ASCO développe et produit des composants mécaniques complexes pour les ailes d'avion et les trains d'atterrissage. Ces composants sont fabriqués sur des machines CNC très avancées, contrôlées par la technologie Siemens, où la précision et la fiabilité sont cruciales.

Les collisions, une réalité industrielle

Dans la production aéronautique, les programmes NC sont généralement simulés dans un digital twin avant d'être envoyés du CAM à la machine. Néanmoins, le risque de collisions demeure. Des variations de longueur d'outil, des déviations dans les points zéro de la pièce ou des erreurs humaines lors de la saisie peuvent entraîner des accidents pendant l'usinage. Les conséquences sont importantes, avec des dommages potentiels à la machine, à la pièce ou au calendrier de production, ce qui peut entraîner des coûts exorbitants de dizaines de milliers d'euros.

« Les erreurs humaines sont inévitables dans un environnement de production complexe », déclare Mohamed El Hatri, ingénieur principal chez ASCO. « Une longueur d'outil mal saisie ou une opération manuelle en mode jog peut suffire à provoquer un grave accident. Nous avons donc cherché un moyen de gérer activement ce risque, non seulement en amont, mais aussi pendant l'usinage lui-même. Dans la production aéronautique, 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 petites variations ou d'erreurs humaines. Nous voulions non seulement limiter ce risque, mais le contrôler activement pendant l'usinage lui-même. »

Anticiper deux secondes à l'avance

Cette problématique concrète a servi de point de départ à une collaboration avec la Siemens Industry Academy, l'Aerospace Machining Academy et ASCO, où deux étudiants en master de la KU Leuven ont travaillé sur une solution innovante. Le projet, qui s'est déroulé d'octobre 2023 à la fin de l'année universitaire 2024-2025, visait à développer un système qui simule le processus d'usinage deux secondes à l'avance en temps réel. Tout d'abord, un digital twin de la machine a été construit via Siemens NX CAM et NX MCD, qui est continuellement connecté au 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 qu'un opérateur ne pourrait jamais intervenir. Ce processus a également été testé avec SinuTrain, le progiciel Siemens pour la programmation, la conception et la simulation CNC. Cette approche s'est finalement avérée la plus efficace.

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

Bien que le système anti-collision ne soit pas encore déployé en production aujourd'hui, ASCO entrevoit de claires possibilités d'avenir. La solution répond à un problème mondial dans l'industrie aéronautique, où de nombreuses machines ne sont pas de la dernière génération et où les dommages causés par les collisions ont un impact majeur.

Combinaison de technologies

Pour le développement, les étudiants ont utilisé une large pile logicielle Siemens, notamment NX CAM, NX MCD, NX Open, SinuTrain et la passerelle Brown Field Connector, qui permet de relier des machines plus anciennes. « La force mais aussi le défi de ce projet résidait dans la combinaison possible de ces technologies Siemens », déclare 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. En conséquence, 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 la Siemens Industry Academy

Le projet s'inscrit parfaitement dans la philosophie de la Siemens Industry Academy, qui met l'accent sur la co-création autour de défis industriels réels. Les étudiants ont la possibilité de travailler dans un contexte professionnel, avec l'encadrement d'experts universitaires et d'ingénieurs de l'industrie. Pour ASCO, la valeur ajoutée a dépassé le simple résultat technique. Le parcours a offert un espace pour explorer et évaluer des technologies innovantes, sans impact sur la production en cours, tout en développant des connaissances internes précieuses.

« Ce projet démontre parfaitement comment la collaboration avec Siemens et le monde universitaire nous aide à anticiper », déclare Mohamed El Hatri. « Les étudiants apportent une nouvelle perspective, nous apportons 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 conjointement un premier proof of concept, nous construisons des connaissances, acquérons un aperçu des nouvelles technologies et pouvons aborder l'innovation de manière progressive et réfléchie. Cette collaboration confirme ainsi comment l'industrie, l'éducation et les partenaires technologiques se renforcent mutuellement et construisent ensemble une production plus sûre et plus intelligente dans le secteur de l'aérospatiale. »

Le parcours a également été particulièrement précieux pour les étudiants eux-mêmes. « Nous avons travaillé avec les mêmes logiciels et conditions que dans un environnement industriel réel. Cela a rendu le projet techniquement stimulant, mais aussi très instructif. L'encadrement d'ASCO et de Siemens nous a obligés à réfléchir constamment à ce qui est réalisable et pertinent en pratique », conclut l'étudiant en master Rohan Vits.