Dossier Power the Future : Les technologies émergentes et les usines du futur

2015 février 04, 09:00 CEST

AUTEUR : professeur Peter J Dobson OBE, The Queen’s College, Oxford et Warwick Manufacturing Group, université de Warwick.

Le secteur industriel a connu des bouleversements considérables au cours des deux dernières décennies. Le temps des usines bruyantes et sales fonctionnant avec des outils obsolètes est désormais relégué aux livres d’histoire. Même dans les cas de production mécanique à grande échelle, les sites de travail sont nettement plus propres et mieux organisés. Ces changements ont en grande partie été rendus possibles par des gains d’efficacité, des biens de meilleure qualité et des méthodes de réduction des coûts.

La question qui se pose aujourd’hui est la suivante : comment les technologies émergentes et les progrès des technologies traditionnelles vont-ils transformer la forme et l’organisation futures des usines ? Avec l’utilisation généralisée des technologies de l’information et de la communication (TIC), qui donnent lieu à une pluralité de techniques et d’applications, les attitudes envers la production sont déjà modifiées, y compris la façon dont la future main-d’œuvre est développée et formée.

Nouvelles technologies et technologies émergentes :

La croissance omniprésente de l’importance et de la sophistication des TIC ne peut pas passer inaperçue. Les processus peuvent être surveillés et contrôlés. Les stocks peuvent maintenant être suivis à la fois en entrée et en sortie du processus de production et les données peuvent être utilisées pour maximiser l'efficacité. L'état des machines utilisées dans les usines peut être surveillé en continu, avec les immenses conséquences que cela implique sur la réduction des coûts d'entretien et des temps d'immobilisation. La probabilité d'erreur humaine en est aussi diminuée (Dhillon 2014).

Le processus de conception lui-même a changé, à travers une réduction importante du personnel qui s’y consacre et une évolution de l’infrastructure correspondante. Ceci pourrait mener à une expansion du télétravail et des équipes ou sociétés spécialisées dans la conception et travaillant pour plusieurs unités de production. Les références à la conception sont de plus en plus courantes dans le discours des techniciens. Celle-ci s’intègre à davantage de branches de l’ingénierie, entraînant sans aucun doute de profonds effets sur l’éducation à tous les niveaux.

À propos des technologies émergentes, les biotechnologies se sont vues améliorées par de nouveaux développements de la biologie systémique et synthétique, suivies par les nanotechnologies et leurs applications aux matériaux, à la médecine, à l’énergie et à d’autres secteurs. Il est aujourd'hui possible de prédire le besoin d'un nouveau type d'usine qui pourrait créer et manipuler des cellules humaines.

Les biotechnologies ont à de nombreux égards commencé à se faire une place dans les usines, mais selon une grande diversité d’ampleur et de portée. Alors qu’il existe déjà des exploitations à grande échelle qui transforment des cultures biologiques en produits non alimentaires et en énergie, on recense aussi des usines plus petites mais à la pointe de la technologie qui créent des enzymes purs, des protéines et des biomolécules pour la médecine et d’autres applications. Malgré les préoccupations du grand public sur les modifications génétiques, ces activités sont promises à une belle croissance. Elles ont pour facteur commun l’importance croissante des pratiques interdisciplinaires et le besoin grandissant d’ingénieurs en chimie et génie des procédés.

Parmi les nouveaux développements très probables, citons la création « d’usines de cellules-souches » puis potentiellement, « d’usines de remplacement d’organes ». Mais leur modèle opérationnel et la façon dont elles seront organisées et construites reste encore à déterminer. Le monde des biotechnologies est très sensible à la contamination par des parasites microbiologiques, fongiques et viraux. Par conséquent l'entretien et la propreté sont d'une importance fondamentale, et la plupart des usines biotechnologiques sont et seront caractérisées par des conditions d'exploitation stériles ainsi que par le confinement minutieux du flux de déchets.

Comme beaucoup d’autres processus chimiques, ces usines s’efforceront d’exploiter les « déchets » au maximum, notamment le traitement thermique et le dioxyde de carbone pour alimenter d’autres processus de l’usine. Cette attitude « zéro déchet » orientée vers l'efficacité thermique maximale s'impose de plus en plus dans l'esprit des ingénieurs des procédés. Un bon exemple qui fait aujourd'hui son apparition réside dans la récupération de l'énergie de la chaleur résiduelle, des flux de fluides ou des vibrations pour fournir une alimentation électrique aux capteurs désormais plus intégrés à l'usine, éliminant ainsi souvent le besoin de câblages importants au profit de la télémétrie sans fil. 

Les nanotechnologies peuvent apporter des améliorations et des changements considérables aux matériaux à travers une approche progressive, ainsi qu’une action réellement transformationnelle dans des domaines tels que l’éclairage à faible consommation d’énergie, de nouveaux dispositifs de stockage et de transformation de l’énergie et des développements nanomédicaux. Une augmentation d’échelle importante sera nécessaire pour que les nanoparticules et autres nanostructures puissent être produites en masse dans des conditions strictement contrôlées, puis incorporées aux matériaux et produits. Le « voyage » ne fait que commencer. Nous connaissons déjà les risques potentiels des nanoparticules en cas de diffusion accidentelle dans l’environnement ou sur le site de travail, c’est pourquoi leur utilisation doit être strictement contrôlée. Ceci nous mènera ainsi à de nouveaux moyens bénéfiques de contrôler le flux de déchets émanant des usines du futur. En outre, il nous faut traiter l'aspect financier de l'introduction des nouveaux matériaux nanocomposites, même si nous visons des améliorations progressives. La plupart des secteurs sont principalement dirigés par les coûts, et c'est le marché qui détermine si un petit gain de performance peut justifier une augmentation des coûts de production. L’analyse du cycle de vie de la production sera beaucoup plus détaillée à l’avenir. Cette évolution est déjà visible dans le domaine des composites, car dans le cas de ces matériaux il est très difficile de récupérer les matières premières pour le recyclage. Alors que les ressources se raréfient, ceci pourrait même mener à de nouveaux concepts d'usines de recyclage.

Les secteurs demandeurs de nouveaux concepts d’usines seront les suivants :

Le secteur pharmaceutique est susceptible de subir prochainement des transformations radicales. Nombre des méthodes traditionnelles seront conservées pour la préparation des nouveaux médicaments, mais afin de garantir la qualité et de réduire les coûts, les processus seront de plus en plus automatisés et incluront davantage d’instrumentation. L’introduction des nanotechnologies pour synthétiser les nouvelles méthodes d’administration de médicaments et de diagnostic, notamment, mènera à des changements majeurs dans la production. Cette approche peut être appliquée par étapes, avec d’abord une « extension de la vie » des formules existantes, en administrant les médicaments par nanoparticules ou nanocapsules. Cette optique est particulièrement adaptée aux médicaments inhalés. Toutes ces nanoparticules seront aussi dotées d’une couche superficielle sophistiquée de « détection des cibles » pour leur garantir d’atteindre leur objectif dans le corps. L’élaboration du processus industriel permettant de les reproduire, et d’une façon qui saura satisfaire les organismes de régulation, est tout un défi.

Le secteur énergétique va aussi exiger de nouvelles méthodes de production. Les nanoparticules et de nombreux aspects des biotechnologies vont s'imposer au cœur des nouvelles méthodes de stockage et de production d'énergie. La plupart des progrès appliqués aux nouvelles batteries reposent sur le développement de nouveaux matériaux pour emmagasiner et libérer les ions chargés. Ceci exige l’intégration de nouveaux matériaux à base de carbone, qui peuvent être conçus pour inclure de grandes surfaces internes à ces batteries. Les moteurs de cette évolution ne se limitent pas au secteur des véhicules hybrides et électriques, mais s’étendent à toutes les applications de stockage d’énergie en général, notamment pour les sources renouvelables intermittentes comme l’énergie éolienne ou solaire. Les nanoparticules pour catalyse devront aussi adopter une forme de plus en plus sophistiquée. Il existe un immense potentiel pour créer des catalyseurs et des réacteurs qui aident à transformer une capacité électrique résiduelle en gaz, soit en hydrogène par l'électrolyse ou la photoélectrolyse de l'eau ou en méthane à partir de dioxyde de carbone et d'eau. Des catalyseurs et de nouveaux réacteurs spécialisés seront aussi nécessaires pour la transformation du gaz en liquide, car, que cela nous plaise ou non, les hydrocarbures sont très efficaces pour le transport de l'énergie.



Les transports et le secteur automobile poseront des conditions très exigeantes aux nouveaux matériaux afin d'en réduire le poids tout en maintenant la résistance et l'intégrité. On constate déjà des changements dans les véhicules qui passent de l'acier à l'aluminium pour s'alléger, et cette évolution pourrait se généraliser. Le rôle des composites dans le remplacement de l'acier est particulièrement compliqué à cause du problème de recyclage précédemment évoqué. La récupération de l'énergie à partir de la chaleur résiduelle actuellement inexploitée à la fois dans les secteurs automobile et de la construction mènera à de nouveaux types de pompes thermiques et autres convertisseurs d'énergie.

Formation :

Il existe un besoin réel et urgent de formation du personnel pour les usines du futur. Les initiatives européennes sont nombreuses, notamment celle intitulée « Manufuture », et la situation très différente de celle des États-Unis et du Japon a été parfaitement résumée par Mavrikios et autres (2013). Les tendances internationales de ce domaine ont été réunies et analysées dans un article de Secundo et autres (2013). Celui-ci identifiait notamment les besoins de la société pour préserver les ressources rares, en prenant en compte le changement climatique et la réduction de la pauvreté. Les auteurs de l’article citaient aussi les programmes Manufuture et IMS2020. Ce dernier est mené par l’Europe, le Japon, la Corée, les États-Unis et la Suisse pour traiter tous les problèmes ainsi que la standardisation, l’innovation et l’aspect fondamental du développement des compétences et de l’éducation.

Le Royaume-Uni, par exemple, met actuellement en place une formation sur plusieurs niveaux. Le pays développe sa capacité d'acquisition précoce des compétences à travers des apprentissages et de nouvelles écoles polytechniques universitaires sont ouvertes pour compléter certaines écoles supérieures. À un niveau de diplôme supérieur, il existe plusieurs centres spécialisés de formation doctorale. Mais aujourd’hui, au Royaume-Uni comme ailleurs, la brèche se trouve probablement au niveau professionnel, dans l’accès aux formations continues. Ce point doit réellement trouver une réponse.

L'EPSRC a récemment présenté une initiative très ciblée pour améliorer la formation et le transfert des compétences dans le secteur de la production, et a créé 16 nouveaux centres manufacturiers innovants. Cet accès à la recherche et au développement aux premiers stades des niveaux de maturité technologique, de 1 à 3, complète les initiatives InnovateUK Catapult qui couvrent les niveaux supérieurs. Aujourd'hui, on en dénombre 7 dans tout le pays, avec un investissement de 140M £ sur une période de 6 ans.

Un autre aspect qui n'a pas encore été abordé est celui du problème du maintien opérationnel de nos usines du futur. Au fil des années, certaines formes de surveillance de l'état et de maintenance préventive ont été adoptées, notamment dans l'aérospatial et le secteur automobile. À mesure de la diversification et de l'automatisation des processus, il devient de plus en plus nécessaire de prévenir les défaillances de l'usine et plus particulièrement les erreurs humaines. Ces problèmes sont très bien décrits dans un article récent de Dhillon (2014).

Quelles politiques régionales et nationales soutiennent le développement des usines du futur ?

Il existe un large consensus sur la réponse à cette question, puisqu'il semble qu'il existe un objectif de développement commun.

La Commission européenne a publié un document commandé par l'European Factories of the Future research Association : « Factories of the Future », qui établit une feuille de route détaillée pour son programme Horizon 2020. Ce document englobe à la fois des aspects techniques, sociétaux et organisationnels.

Le gouvernement britannique a publié un document qui s'inscrit dans le cadre de son projet Foresight Future of manufacturing : « The Factory of the Future » (Ridgeway et autres (2013). Ce document recommande :
  • Davantage d'intégration des chaînes d'approvisionnement
  • Une collaboration étroite entre le secteur industriel et les universités du Royaume-Uni
  • Une concentration sur l'innovation à la fois organisationnelle et technique
  • Une perspective de « l’intégration des systèmes »
  • La conception d’usines et d’opérations reconfigurables
  • Un cadre réglementaire favorable aux nouvelles usines, notamment dans le domaine des sciences de la vie
  • Une vision britannique qui encourage l'innovation et les réseaux de talents
  • La reconnaissance d'un besoin de changement de culture

Il est clair que les politiques régionales pour la création d'usines du futur commencent à gagner du terrain. Par exemple, le concept d’approche modulaire « plug and play » est actuellement appliqué sur le site de production chimique de Bayer Technology Services en Allemagne, avec le soutien du financement de l’UE. Le vaste site de production chimique BASF à Ludwigshafen fournit déjà un exemple de production entièrement intégrée où les résidus de matériaux ou d'énergie sont réduits à leur minimum.

Manifestement, la mission visant à créer ces usines du futur est déjà en marche, et nous faisons désormais face à une époque passionnante et pleine de défis pour les mettre en place.

Références :
Mavrikios D, Papakostas N, Mourtzis D et Chryssolouris G. (2013). On industrial learning and training for the factories of the future: a conceptual, cognitive and technology framework. J.Intell. Manuf. 24, 473.

Dhillon BS. (2014). Human error in maintenance: An investigative study for factories of the future. Materials Science and Engineering. 65, 012031.

Ridgway K, Clegg CW, Williams DJ. (2013). The Factory of the Future. ISBN-13:987-0-9927172-0-9

Secundo G, Passiante G, Romano A et Moliterni P (2013) Developing the next generation of engineers for intelligent and sustainable manufacturing: A case study. International Journal of Engineering Education 29, 248.

[FIN]

Biographie de Peter Dobson

Peter Dobson est un grand spécialiste de la production, des matériaux avancés et des nanotechnologies. Il est actuellement à la tête du Warwick Manufacturing Group de l’université de Warwick et siège à différentes commissions et comités EPSRC, outre son importante activité de conseil aux entreprises. De 2002 à 2013, il a dirigé le Begbroke Science Park de l’université d’Oxford et il a mis sur pied plusieurs entreprises issues de la recherche universitaire. Peter Dobson a été nommé membre de l’OBE en reconnaissance de ses services à la science et à l’ingénierie en 2013. La même année, il quitte le poste qu’il occupait à l’université d’Oxford en tant que conseiller stratégique sur les nanotechnologies auprès des conseils de recherche du Royaume-Uni (2009-2013), pour prendre sa retraite.

P J Dobson, BSc, MA (Oxon), PhD, C Phys, F Inst P, membre de l'ACS, FRCS.

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