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La fabrication intelligente ouvre la voie à la giga-usine de batteries du futur

Par Dominique Scheider, Transportation Industry Strategy & Marketing Manager, Rockwell Automation,

Publication: 23 février

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Les batteries joueront un rôle central sur les futurs marchés de l’énergie, tant pour la mobilité que pour le stockage de l’énergie...
 

D’après l’Agence internationale de l’énergie (AIE), la capacité de production mondiale de batteries pour véhicules électriques devra plus que tripler entre 2020 et 2025 pour répondre aux besoins anticipés du secteur.

Des giga-usines de production de batteries seront nécessaires pour fournir aux véhicules électriques les milliards de watts dont ils auront besoin dans les décennies à venir. Pour cela, il faudra bien plus qu’une montée en puissance des techniques et technologies de production traditionnelles. La réalisation de cet objectif exigera de nouvelles approches en matière de processus de production, afin d’optimiser la rapidité, la flexibilité et le rendement. La fabrication intelligente est un outil indispensable pour intensifier la production de batteries. Mais pas seulement, car la fabrication intelligente, reposant sur la « continuité numérique », en optimise également la totalité du cycle de vie.

Tout commence aux premiers stades de la R&D avec le développement de nouveaux concepts de batteries par les chimistes et les ingénieurs. Ils utilisent les outils offerts par la chimie informatique et la CAO pour la conception, ainsi que le PLM pour gérer le développement des produits. La continuité numérique débute lorsque les données sont centralisées dans un environnement virtuel.

Tout au long du cycle d’essais, de précieuses données peuvent être générées à l’aide de différents outils. Ces données serviront à la création des « jumeaux numériques » des machines qui seront utilisées ultérieurement dans le processus de fabrication, notamment pour planifier et tester virtuellement les opérations. Ces jumeaux numériques contribuent également à former le personnel dans le monde virtuel et permettent une montée en puissance rapide de la production le moment venu. Mais ce n’est pas tout. À mesure que les produits sont fabriqués, vendus et utilisés, les données sont collectées dans le monde réel et renvoyées dans le monde virtuel, ce qui permet d’optimiser à la fois les produits et les processus. Cette fusion des mondes réel et virtuel est l’avenir de ce secteur.

Surveillance intelligente de la production dans la fabrication de batteries

L’un des atouts les plus significatifs de la continuité numérique est la visibilité accrue sur la production qu’elle peut apporter. Cette surveillance peut être assurée grâce à une suite logicielle MES (Manufacturing Execution Systems ou systèmes de gestion de la production). Utilisés depuis des décennies dans la fabrication automobile, les logiciels MES joueront un rôle clé pour les fabricants de batteries, notamment en matière de personnalisation, à mesure que celle-ci augmentera au fil de l’évolution du marché, jusqu’à la création de lots uniques pour chaque véhicule.

Des logiciels MES permettent d’intégrer tous les systèmes de commande et de gestion afin d’exécuter et de suivre les commandes à l’échelle de l’entreprise. Une fois contextualisées, les données de production deviendront alors des informations utiles à la prise de décision. Il est même possible de commencer à une échelle moindre avec des applications MES qui prennent en charge les spécificités de la production. Une application MES performante peut répondre au besoin d’analyse des défaillances et assurer le suivi d’une machine ou d’un processus opérateur, détecter et alerter sur les comportements non prévus.

Une application dédiée au suivi et à la traçabilité de bout en bout des batteries, soit tout au long du processus de fabrication, participe à sécuriser l’utilisation des batteries. Par la suite, ces applications peuvent évoluer en une suite logicielle d’entreprise MES complète, à même d’offrir une source d’information fiable et unique pour l’ensemble des opérations.

Le Passeport de Batterie proposé par la Global Battery Alliance (GBA) offre un exemple pertinent de collecte automatisée et intelligente des données « zéro papier ». Il fournit des informations fiables sur des indicateurs en lien avec des pratiques responsables et durables. Cela donne lieu à un label de qualité qui atteste de l’approvisionnement, de la gestion, du recyclage et de l’utilisation responsables d’une batterie tout au long de son cycle de vie. Le rôle du Passeport de Batterie dans la promotion d’une chaîne de valeur responsable pour les batteries a été approuvé à l’occasion de discussions sur les politiques mondiales, notamment lors de la réunion des dirigeants du G7 en 2021, dans le projet de directive européenne sur les batteries et par les administrations canadienne et américaine.

Une meilleure gestion grâce aux tests de performance

Un système MES complet et zéro papier intégrant des boucles de qualité peut documenter chaque étape de production, et signaler par exemple la cause d’une augmentation de la fréquence d’erreur. Ce type d’outil d’analyse contribue à améliorer considérablement le rendement dans les domaines les plus variés et s’inscrit dans un processus d’amélioration continue. Le simple fait de pouvoir obtenir des informations en cinq minutes (contre plus d’une heure auparavant) démontre à quel point ce type de solution MES est rapidement amortie.

Concernant la disponibilité des données en dehors du système MES, il est intéressant de travailler sur une plateforme IoT pour accroître la visibilité des actifs. Celle-ci permet de collecter des données tout en augmentant la visibilité, offrant la possibilité de tester les performances de différentes machines où qu’elles se trouvent. Il est possible par exemple d’identifier les sites, lignes et machines de dix sites de production affichant de meilleures performances que les autres. Le système compile non seulement les informations en temps réel provenant de l’usine, mais ajoute également de nombreuses autres sources de données qui permettent d’avoir une vision à 360 degrés des opérations.

Des systèmes d’acheminement intelligents

D’aucuns pensent que la fabrication intelligente se limite à une suite logicielle, mais il en est tout autrement. Le matériel jouera un rôle crucial dans les giga-usines, avec des machines performantes et flexibles. Les équipements tels que les systèmes d’acheminement traditionnels ne peuvent que ralentir le processus. En effet, ces systèmes utilisent des technologies de commande de mouvement incluant des centaines d’éléments mécaniques, tels que des chaînes, des courroies et des engrenages rotatifs. Ils ne présentent qu’une flexibilité limitée, ainsi que des vitesses opérationnelles et d’accélération/de décélération qui ne répondent pas aux exigences des giga-usines.

Le système de commande de mouvement avec technologie de chariot indépendant (ICT) constitue dans ce domaine une alternative intéressante. Libéré des contraintes d’un système d’acheminement traditionnel, il permet de créer des lignes de fabrication de batteries plus rapides et plus flexibles, grâce à leurs chariots programmables indépendants. Il peut réduire considérablement les délais de changement de production, grâce à des profils logiciels qui permettent de changer de produit d’une simple pression sur un bouton.

Un marché en pleine expansion

Le marché des véhicules électriques connaît actuellement une forte croissance. Pour qu’il puisse contribuer à la décarbonisation de la mobilité, des giga-usines flexibles et efficaces sont requises afin de produire des batteries de véhicules électriques, à large échelle, à une cadence soutenue tout en maintenant un niveau de qualité élevé et homogène. La continuité numérique de bout-en-bout jouera un rôle clé dans le développement de ces installations en s’appuyant sur le recueil et l’analyse des données.

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