Vers la 4ème dimension industrielle : de la Conception 4D de pièces imprimées en 4D par l'Industrie 4.0

ou comment l'Industrie se plie en 4 pour relever 4 Défis majeurs du 21ème siècle dès 2021 ! 

2020 se termine et restera dans les annales. Certes, jamais la digitalisation des processus industriels n'aura été aussi rapide du fait d'une pandémie sans précédent : entreprise répartie, visioconférence, ingénierie collaborative, signature électronique, formation à distance, clic & collect, logistique e-commerce, ...

Mais l'essentiel n'est pas là ... En effet, nous changeons de dimension industrielle sur 4 plans technologiques :

• l'Usine devient Industrie 4.0,
• le Bureau d’Étude conçoit en 4D,
• certains Matériaux s'impriment en 4D,
• l'Humanité invente les solutions aux 4 défis du siècle : sauvegarder la terre, l'air, l'eau et le feu.

Tour d'horizon et plongeon dans la 4ème dimension d'une Industrie qui ne cesse de se retrousser les manches ...

De l'Industrie 4.0

Fig. 1 : Développer en 4D les objets du futur : projet d'aile
volante grande capacité - Source : Université TU Delft.

Fig. 2 : Ford modèle T : archétype de la
production industrielle 2.0 des années 1920.

Fig. 3 : Robot ludique Nao : archétype de la
production industrielle 4.0 des années 2020.

Depuis maintenant une décade, l'industrie prend le tournant de la 4ème génération des systèmes productifs, comme suite logique aux 3 premières générations des 2 siècles passés :

• génération 1.0 (1870) : début de l'ère industrielle, où la force artificielle trouve ses fondations dans la machine à vapeur et la mécanisation des tâches simples et laborieuses, le métier à tisser en étant l'exemple emblématique,
• génération 2.0 (1920) : début du fordisme dopé à l'électricité, où la production devient massive et uniforme pour l'accès de tous à des biens de consommation à coût abordable, l'automobile en étant l'objet emblématique - (cf Fig. 2),
• génération 3.0 (1970) : début de la commande numérique généralisée et de l'automatisation, où le technicien d'usine remplace l'ouvrier et où le robot industriel s'invite dans la chaine de production, le smartphone en étant l'avatar emblématique,
• génération 4.0 (2020) : début de l'usine intelligente, où la force artificielle des machines s'allie à l’intelligence artificielle des automates pour délivrer un complexe Qualité/Coût/Délai/Customisation/Service/Logistique aux performances incomparables à un cyber-consommateur toujours plus versatile et volage, avide de nouveautés, de rapidité et de technologies embarquées - (cf Fig. 1) -, le robot ludique Nao en étant alors l'icône emblématique - (cf Fig. 3).

Au cœur de cette évolution 4.0 de l'Industrie, des technologies clefs se développent :

• la méthodologie d'Ingénierie Système rationalise - au sein des Bureaux d’Eudes - le cadre managérial de conduite des projets innovants, méthode désormais largement adoptée par l'industrie logicielle (1980), l'aéronautique (1990), l'automobile (2000), les PME high tech (2010) et maintenant le génie civil (2020),
• les outils d'ingénierie numérique permettent de construire des maquettes paramétriques en 3,5D facilement reconfigurables et partageables à distance, soumettant à de nombreux plans d'expériences virtuelles les jumeaux digitaux des solutions mécatroniques envisagées,
• l'utilisation collaborative de plateformes d'échanges et la production répartie des données d'ingénierie permettent de synthètiser et d'analyser, dans le cloud, les connaissances métier qui en découle,
• l'impression 3D - essentiellement plastique puis métal - réduit drastiquement les temps de mise au point des prototypes et des nouveaux produits,
• l'électronification des fonctions mécaniques barde de capteurs, de lois de commande, d'automatique les cinématiques ... simultanément avec l'apparition de nouveaux champs disciplinaires d'ingénierie tels que la mécatronique, la plastronique, l'optronique, la spintronique, la matériaulogie, ...
• les technologies hertziennes de communication rendent les objets communicants et perpétuellement couplés à des serveurs de données d'exploitation pour plus de maintenance prédictive et de services de maintien en conditions opérationnelles,
• la transitique du e-commerce révolutionne la logistique où de nombreux produits et organes, commandés le matin, sont livrés le soir même,
• les algorithmes de reconnaissance vocale, d'analyse des données, de robotique conversationnelle ... fluidifient les interactions homme/machine.

De la conception en 4D

Fig. 4 : Fusée réutilisable : archétype du produit
industriel mécatronique du futur. - Source : SpaceX.

Fig. 5 : Dès 18 000 av. J.-C., représentation
graphique 2D du monde animal -
Source : Grotte de Lascaux.

Fig. 6 : Le Maitre peintre du peintre
réaliste belge Jan Verhas - Source :
Musée des Beaux-Arts de Gand.
Cliquez l'image pour agrandir.

Fig. 7 : Système de CAO 4D assurée par
les Connaissances pour la conception
réglée de systèmes mécatroniques.

L'industrie conçoit et fabrique en série les produits mécatroniques du futur ... La génération Z des jeunes adultes, née à la fin du 20ème siècle, aura 2 vies : 50 ans de vie professionnelle et 50 ans de vie retraitée qu'elle pourra prendre sur la Lune et que l'on enterra sur Mars au début du 22ème siècle ...

Qui permettra cela ? Forcément l'Industrie du 21ème siècle si elle sait spécifier, dessiner, concevoir, fabriquer, maintenir et recycler intelligemment les produits du futur - (cf Fig. 4).

Depuis Léonard de Vinci, inventeur du Dessin Industriel (1500), Vauban, inventeur du métier d'Ingénieur (1700) et Gaspard Monge, inventeur de la Géométrie Descriptive (1800), l'homme de l'art a toujours souhaité dessiner et représenter ses inventions avant de les réaliser :

• d'abord armé des 2 premières dimensions - X et Y - il tente dès l'âge des cavernes de la Grotte de Lascaux - (cf Fig. 5) - de donner forme graphique à sa compréhension du monde bien avant de convoquer les premiers mathématiciens - à l'instar de Thalès (600 av. J.-C.), de Pythagore (500 av. J.-C.) et de Héron d'Alexandrie (100 ap. J.-C.) - pour élaborer les premiers théorèmes géométriques rationnalisant le calcul des périmètres, des superficies et des volumes, ...
• maitrisant ensuite de mieux en mieux la 3ème dimension - Z - grâce aux artistes exceptionnels de la Renaissance et du mouvement réaliste du XIXème siècle - (cf Fig. 6) -, la révolution industrielle donne ses lettres de noblesse au Dessin Industriel afin de pouvoir spécifier et formaliser les objets à reproduire en série. Il s'agit alors de disposer d'un langage graphique et géométrique commun permettant aux ouvriers, techniciens et ingénieurs de comprendre et d'apprendre la forme fonctionnelle à rendre facilement fabricable industriellement ...
• en attendant l'avènement de l'électronique, s'en suit alors une longue période de 100 années (1860-1960) où peu de choses évoluent dans les Bureaux d’Étude qui voient alors se multiplier planches à dessin, calques, rotrings et règles à calcul, outils préférés des ingénieurs, concepteurs et dessinateurs ...
• 1960 voit l'arrivée timide des premiers ordinateurs graphiques dans les Bureaux d'Etude pour le DAO (Dessin Assisté par Ordinateur) qui s'excerce alors à la représentation électronique 2D des objets industriels,
• 1970 voit les progrès majeurs de la commande numérique et de la FAO (Fabrication Assistée par Ordinateur) qui commence alors à déplacer en 2 axes les stylos des machines à dessiner les plans et en 3 axes les têtes d'usinage des machines outils,
• 1980 voit l'émergence des progiciels de CAO (Conception Assistée par Ordinateur) véritablement 3D, d'abord avec les modèles "fil de fer" topologiquement ambigus suivis rapidement des modèles B-Rep surfaciques et CSG volumiques,
• 1990 voit l'émergence des premiers travaux pour la conquête de la 4ème dimension - K - du Knowledge et des Savoirs d'Ingénierie ainsi que l'invention par la société lyonnaise KADE-TECH de l'acronyme KAD/KAM - Knowledge Aided Design / Knowledgge Aided Manufacturing - afin de promouvoir une génération de systèmes digitaux centrés sur la 4D et les Connaissances Métier de conception, succédant ainsi aux systèmes CAD/CAM - Computer Aided Design / Computer Aided Manufacturing - du 2D et du 3D,
• 2000 est l'année charnière où le grand public commence à entendre fréquemment parler - dans les journaux, à la radio, à la télévision - des techniques d'Intelligence Artificielle qui s'invitent dans les processus industriels, les bureaux d'étude, les bureaux des méthodes, les bureaux d'ingénierie,
• 11 septembre 2001 : tout s'arrête. Débutent alors par l'horreur du terrorisme de masse 20 années chaotiques et laborieuses de progrès dans les Bureaux d'Ingénierie - secoués entre temps par la crise financière de 2008 et terminées par la crise sanitaire COVID de 2020 - où sont quand même assimilées et pratiquées les méthodes et les techniques du PLM (Product Lifecycle Management), du réseau Internet et de la CAO paramétrique 3,5D pour une ingénierie plus collaborative, plus répartie et plus structurée,
• 2020 démarre la décade de l'industrialisation de la CAO 4D - X, Y, Z, K - comme déjà suggéré par l'article "Évolutions sémantiques de l'ingénierie assistée par ordinateur : du dessin en 2D à la conception en 5D" annonçant dès 1990 une généralisation du concept de Conception Assurée par les Connaissances - (cf Fig. 7).

La récurrence conceptuelle de ces progrès digitaux vers la 4D est alors facile à décrire :

• 1960 : le BE se dote de la 2D pour générer automatiquement les modèles 1D (ie : les hachures des contours 2D),
• 1990 : le BE se dote de la 3D pour générer automatiquement les modèles 2D (ie : les plans graphiques des volumes 3D),
• 2020 : le BE se dote de la 4D pour générer automatiquement les modèles 3D (ie : les solides géométriques fonctionnels et fabricables des cognitons 4D).

De l'impression 4D

Fig. 8 : Pointes de flèche néolithiques (5000 av. J.-C.). -
Source : CNews.

Fig. 9 : Objet imprimé en 4D prenant progressivement
sa forme finale sous l'influence de la température -
Source : Self-Assembly Lab

Fig. 10 : Objet imprimé en 4D prenant progressivement
sa forme finale sous l'influence de la température -
Source : Self-Assembly Lab

Coté fabrication, les progrès technologiques ne sont pas en reste :

• Initialement, dès l'âge des cavernes, la fabrication était artisanale et conférait à l'objet fabriqué un caractère unique, non industriel, des pointes de flèches préhistoriques - (cf Fig. 8) - à la Grande Pyramide de Gizeh, du plus petit objet artisanal à la plus gigantesque réalisation humaine de l'ère pré-chrétienne, du Fardier de Cugnot (1769) à la Montgolfière des Frères Montgolfier (1783), précurseurs artisanaux de l'automobile et de l'aéronautique.
• L'industrialisation, alors permise par la force artificielle de la machine à vapeur puis du moteur électrique, débouche sur le développement d'une infinité de procédés tous plus originaux les uns que les autres : du travail du métal, du bois, du cuir, du caoutchouc, ... couplé à l'industrie paradoxale de la machine-outil qui produit des méta-machines peu précises fabriquant des machines plus précises essentiellement centrées sur l'usinage soustractif, par enlèvement de matière.
• 1930 voit l'avènement de l'industrie de l'injection plastique où il ne s'agit pas d'enlever - par fabrication soustractive - de la matière mais au contraire d'en ajouter - par fabrication injective - afin de donner forme moulée à l'objet voulu.
• Avec le développement de la commande numérique 2D, des tables à dessiner et à découper, se construisent dans les années 1970 les prémisses technologiques de la fabrication additive 3D : il est alors possible de piloter en 2D la pointe d'un stylo ou d'un outil de découpe pour générer une forme 2D.
• Parallèlement à la fabrication CN 2D émergent - toujours dans les années 1970 - les cristaux liquides, véritables matériaux transformables dont il devient possible de contrôler la forme 2D affichée sur un écran par utilisation d'un courant électrique servant à polariser les cristaux. Débutent également à cette période là les recherches sur les alliages à mémoire de forme.
• Dans les années 1990, de la combinaison de l'industrie plastique, de la fabrication CN 2D et de l'adjonction d'un 3ème axe Z nait la stratoconception : il s'agit, par empilage successif de couches plastiques, de donner une forme 3D à un objet prototype préalablement digitalisé en CAO. Toute sorte de matériaux sont alors expérimentés : papier, carton, bois, plastique, béton, chocolat ... jusqu'au métal dont les grains de poudre microscopiques sont agglomérés par fusion laser,

C'est dans ce contexte en perpétuelle innovation qu’émerge l'impression 4D qui prolonge alors l'impression 3D en fédérant plusieurs concepts et résultats de recherche visant à faire changer de forme un objet 3D une fois imprimé, notamment sous l'effet de la température ou de la lumière - (cf Fig. 9).

Initiées au MIT au début des années 2010, les recherches en impression 4D ont consisté à coupler fabrication additive avec matériaux à mémoire de forme - (cf Fig. 10).

La France terminant brillamment la décade 2020 avec engagement dans la 4D par une soutenance de thèse - ce 18 décembre 2020 à l'Université de Technologie de Belfort-Montbéliard - sur l'art du pliage :

• "Conception basée sur les origamis pour l'impression 4D de structures déployables" - présentée par Bingcong JIAN,

il ne reste plus qu'à imaginer - pour les 10 années à venir - ce que sera la conception 4D d'un objet imprimé en 4D par une usine 4.0.

Conclusion : 4 Défis industriels à méditer en 4D et à plier en 4

Fig. 11 : Planète Terre : à méditer en 4D
durant le 21ème siècle, dès 2021.

Fig. 12 : Bonne Année 2021 !

Tous ces progrès scientifiques et technologiques impressionnants de l'Industrie actuelle ne doivent pas faire oublier les défis majeurs qu'il reste à relever par l'Humanité au 21ème siècle pour préserver ses 4 ressources critiques de la vie :

• la terre : pour laquelle nourrir 10 millards d'habitants sans épuiser les sols ni les doper massivement aux intrants spécifie le 1er défi,
• l'air : pour lequel rester sous la barre des 750 Millards de tonnes de CO₂ ajoutées à l'atmosphère à partir de 2020 constitue le 2ème défi vital si l'on veut contenir le réchauffement climatique à +2°C en 2050,
• l'eau : pour laquelle tous les espoirs sont permis si l'on sait relever le 3ème défi énergétique sous-jacent : extraire de l'onde bleue le deutérium qu'elle contient pour qu'avec 1 g de sel de lithium et 50 litres d'eau de mer par Terrien, il soit possible de produire - en 2050 et sans déchet - la consommation électrique nécessaire à une vie terrestre grâce aux technologies de fusion thermonucléaire,
• le feu : pour lequel, au delà du phénomène sensible de production de lumière et de chaleur qu'il symbolise, il faut y voir tous les bienfaits de l'énergie abondante et dont le 4ème défi sera de la produire proprement et de manière renouvelable.

4 Dimensions dans l'usine, le bureau d'étude et les matériaux pour affronter 4 Défis globaux majeurs : reste plus à l'Industrie qu'à se plier en 4 pour développer en 4D les solutions du futur.

Excellente Année 2021 dans la 4ème dimension de la nouvelle décade qui commence !