Jumeau & simulation numériques au coeur de l’industrie 4.0. Un écosystème riche en Wallonie

En Wallonie, cet écosystème rassemble plus de 10% d’entreprises actives dans les technologies avancées ainsi qu’un centre de recherche hautement spécialisé équipé d’un super computer.

Le jumeau et la simulation numériques font partie, avec l'internet des objets et l'intelligence artificielle, des trois technologies numériques avancées qui occupent une place importante en Wallonie avec la présence d'un écosystème fort tant au niveau de l'offre des entreprises privées que de la recherche.

Ces technologies peuvent créer de réels avantages concurrentiels pour le secteur industriel. Au travers de Digital Wallonia, il a été identifié que la Wallonie se positionne avec un écosystème fort dans ces domaines tant au niveau de la recherche, que des entreprises qui proposent des solutions et des activités diverses opérées dans la région.

Contenu co-rédigé par une série d’acteurs wallons avec notamment la contribution active du Cetic, de Skywin, du Service public de Wallonie et de l'Agence du Numérique.

Le procédé de simulation s'appuie sur l'utilisation d'un logiciel pour représenter un phénomène physique, chimique ou biologique complexe réel sur base des lois naturelles. La simulation numérique repose sur la mise en œuvre de modèles théoriques du phénomène en utilisant souvent, mais pas seulement, la technique dite des éléments finis. Elle permet d'étudier le fonctionnement et les propriétés d'un système modélisé, de l'optimiser et d'en prédire l'évolution.

Elle est devenue incontournable pour la modélisation des systèmes en physique (mécanique, thermique, électromagnétique, optique... et multiphysique), fluide (écoulement de gaz et fluides), chimie, biologie, météorologie, géographie, etc.

Cet outil de prototypage est en constante mutation. Actuellement, on parvient à simuler les procédés de fabrication en même temps que le produit lui-même. Les produits évoluent sans discontinuer que ce soit au niveau :

• des matériaux (composites, métalliques, biocompatibles),
• des composants (MEMS, implants, ...)
• des  procédés de fabrication (par exemple, l’additive manufacturing),
• de l'optimisation.

Dés lors, les logiciels doivent évoluer en parallèle. De plus, les progrès en calcul à haute performance sont aussi des défis pour les éditeurs qui doivent adapter au mieux leurs logiciels aux nouveaux calculateurs.

Le jumeau numérique est une machine virtuelle auto-apprenante sur base de données collectées via des capteurs et calculées par des algorithmes de simulation pour réaliser une copie digitale d’un processus.

Le jumeau numérique et la simulation numérique sont donc complémentaires notamment lorsque la collecte de données est compliquée. Le modèle mathématique peut identifier les paramètres déterminants d’un procédé et la simulation peut expliquer "pourquoi ce paramètre est important".

Exemples d’applications :

• conception virtuelle de pièces mécaniques ou systèmes énergétiques,
• modélisation de procédés de fabrication,
• aérodynamique des véhicules terrestres et aériens,
• résistance de matériaux,
• prévisions météorologiques, etc.

Technologies liées :

• calcul à haute performance (HPC),
• et bientôt les ordinateurs quantiques.

Exemples d’applications :

• détection des problèmes sur un appareil à distance,
• entraînement sur une machine virtuelle pour acquérir les compétences nécessaires au pilotage de la machine réelle,
• optimisation d'un processus de fabrication ou de transformation en explorant divers paramétrages ou configurations d’une machine virtuelle ou d’une chaîne de production,
• contrôle du bon fonctionnement d’un produit ou d’une machine avant la construction (exemple: moteur de voiture),
• réalisation d'un clone virtuel grâce à l'intelligence artificielle afin d’accroître la "conscience de soi de la machine".

Technologies liées :

• intelligence artificielle (machine learning),
• internet des objets (les capteurs alimentent la connaissance des jumeaux numériques via une connexion IoT).

Les chiffres clés sur les entreprises du secteur du numérique en Wallonie publiés sur la plateforme "Digital Wallonia" montrent que 10% de ces entreprises actives dans l’offre de solution en "advanced ICT" proposent des produits et services liés aux technologies de jumeau et simulation numériques.

Focus sur les membres des pôles, dans la thématique en 2017 :

• MecaTech : 61 entreprises
• Skywin : 12 entreprises
• Greewin : 22 entreprises.

Données des pôles - Ces données ne sont pas cumulatives, puisque les entreprises peuvent être membres de plusieurs pôles.

Les logiciels de nombreux éditeurs wallons, pour la plupart faisant désormais partie de groupes mondiaux (ex. Siemens PLM, Open Engineering, GeonX, NUMFLO, e-Xstream, Hexagon, Nolisys, OAP, Optimal Computing) sont utilisés par de nombreuses entreprises wallonnes, belges, européennes mais aussi japonaises, chinoises, américaines, canadiennes et même australiennes.

• Une expertise forte au niveau des centres de recherche. En 2018, une enquête sur les "11 technologies pour l’Industrie du Futur et expertises des centres de recherche en Wallonie" a été menée par Digital Wallonia en collaboration avec les centres de recherche agréés. Les résultats démontrent l’importance de l’expertise wallonne sur cette thématique avec de nombreux chercheurs spécialisés, un niveau élevé d'expertise cumulée entre les différents centres et un leader international, Cenaero.
• Une technologie développée à partir des années 60 avec un ancrage fort et mondialement reconnu en Wallonie. L'Université de Liège a été pionnière en la matière. Les autres universités wallonnes, ainsi que des centres de recherche ont aussi contribué largement à son développement.
• Un centre de recherche équipé d'un super computer (Céci: Consortium des Équipements de Calcul Intensif) : CENAERO.
• Plusieurs laboratoires universitaires (ULiège, UMons, UNamur, UCL et ULB) soutenus par des Fonds de la Recherche scientifique, experts dans ces technologies.
• La participation active des entreprises wallonnes aux projets de R&D impliquant des nouveaux besoins en simulation numérique : projets européens, "pôles", Feder, Interreg, Cwality (source SPW EER):
• Projets collaboratifs RW (Cwality, First Spin-Off, First Hautes Ecoles, Wallinov) : 57 projets déposés dans le domaine du Digital (2017-2018).
• 17% des projets R&D (SPW Recherche: 2017-2018) concernent les domaines "digital et industrie" et notamment la thématique des objets connectés, de la simulation numérique et de l’intelligence artificielle.