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La simulation de jumeaux numériques aide les baristas à préparer un espresso parfait

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Les clients des cafés ne réfléchissent probablement pas beaucoup à la machine à expresso que le barista utilise pour faire leur café au lait du matin, mais il y a de fortes chances que ce soit une merveille de haute technologie qui allie un design rétro à l’avant-garde numérique. Il pourrait bien s’agir d’une machine LaCimbali ou Faema de Gruppo Cimbali, un fabricant italien qui, fin 2020, a commencé à utiliser la simulation de jumeau numérique dans son processus d’ingénierie.

« Nous traduisons nos machines et toute la physique derrière une tasse de café en paramètres », a déclaré Maurizio Tursini, directeur des produits et de la technologie de l’entreprise. « Ensuite, en jouant avec tous ces paramètres, nous pouvons simuler les performances de nos machines. »

Gruppo Cimbali utilise le logiciel de simulation Activate d’Altair, un éditeur de logiciels basé à Troy, dans le Michigan, pour développer les jumeaux numériques. La première était une représentation virtuelle d’une machine à café de base qui a servi de base à des jumeaux numériques de modèles spécifiques, existants et en cours de développement. Le logiciel fonctionne sur site sous la direction de deux employés de Gruppo Cimbali.

Des chaudières au charbon à l’analyse IoT

Giuseppe Cimbali a fondé sa société éponyme à Milan en 1912 pour fabriquer une variété de produits en cuivre, ajoutant des machines à café au bois et au charbon avec des chaudières verticales en cuivre dans les années 1930. Une série d’innovations à partir des années 1940 et 1950 a conduit aux machines hautement automatisées et contrôlées numériquement d’aujourd’hui, qui nécessitent peu de formation et d’expérience nécessaires pour faire fonctionner les premières unités.

Tout d’abord, l’introduction de deux chaudières indépendantes montées à l’avant, chacune avec plusieurs distributeurs, a amélioré l’ergonomie et les taux de production car l’opérateur n’avait plus à se déplacer dans la machine à expresso. L’électricité largement disponible, l’invention du levier de distribution de crème et le système hydraulique breveté de Gruppo Cimbali ont apporté de nouveaux niveaux d’automatisation. Les premiers composants électroniques sont arrivés dans les années 80, et les microprocesseurs sont arrivés la décennie suivante.

Avant d’ajouter des jumeaux numériques, Gruppo Cimbali utilisait depuis longtemps des logiciels de conception assistée par ordinateur et de gestion du cycle de vie des produits. Il existe également une connectivité de machine à machine entre ce que Tursini appelait les machines « traditionnelles » et leurs moulins à café attachés.

« Selon ce que le moulin « comprend », il dit à la machine: » Changez ce paramètre, changez la pression, changez la température « ou vice versa, selon d’autres paramètres d’extraction du café », a-t-il déclaré.

La société affirme être parmi les premières de son secteur à ajouter des systèmes de télémétrie et de représentation de données à ses machines, qui sont connectées à Internet via Wi-Fi. Le réseau IoT collecte des informations sur chaque boisson fabriquée sur une machine et les ajoute à une base de données. Les analyses sur la qualité des boissons aident les utilisateurs à améliorer leur gestion quotidienne des machines.

Photo du café Gruppo Cimbali Faema E71E machine à expresso
Gruppo Cimbali utilise le logiciel de simulation Altair Activate pour modéliser ses machines à expresso et créer des jumeaux numériques qui aident à concevoir et à optimiser l’équipement.

La simulation de jumeaux numériques élimine pratiquement les tests physiques

En tant que modèles d’objets ou de processus physiques, les jumeaux numériques n’ont pas besoin d’impliquer la simulation pour être utiles, mais la simulation de jumeaux numériques était ce dont Gruppo Cimbali avait besoin.

Christian Kehrer, responsable du développement commercial d’Altair pour la modélisation des systèmesChristian Kehrer

« Ils utilisaient déjà la télémétrie ou l’IoT et collectaient des données, mais il leur manquait la partie simulation pour en faire une solution plus ou moins complète », a déclaré Christian Kehrer, responsable du développement commercial d’Altair pour la modélisation des systèmes. Le fabricant avait déjà simulé des pièces mécaniques, mais pas les autres caractéristiques importantes d’une machine à expresso, telles que le transfert de chaleur et la pression de l’eau.

« L’objectif principal [of the digital twin simulation] était sur l’évaluation du comportement fonctionnel du système multiphysique, y compris la thermodynamique, l’électricité et les contrôles », a déclaré Kehrer.

Ces physiques sont étonnamment complexes. Une tasse de café parfaite nécessite d’atteindre le bon équilibre entre la pression et la température de l’eau, ce qui dépend de l’ingénierie précise des pièces mécaniques pour aider à contrôler l’échange thermique entre elles. Le défi est de le faire jusqu’à 600 fois par jour, la capacité du LaCimbali S60 entièrement automatique, selon Tursini. « La qualité doit toujours être la même de la coupe numéro un jusqu’à la tasse numéro 600 », a-t-il déclaré.

Altair Activate modèle de jumeau numérique de la machine à expresso Gruppo Cimbali LaCimbali
En utilisant le logiciel Altair Activate pour modéliser le comportement thermodynamique dans un jumeau numérique, Gruppo Cimbali peut optimiser le subsystems dans sa machine à expresso LaCimbali.

Pour construire la simulation de jumeau numérique, les ingénieurs de Gruppo Cimbali ont travaillé en étroite collaboration avec les ingénieurs de développement de produits d’Altair et ont mis en valeur les forces de chacun. Altair possède l’expertise en ingénierie, mais n’a pas les connaissances du domaine des machines à café qui doivent être codées dans les jumeaux numériques, a déclaré Kehrer. Mais ses développeurs ont pu expliquer les formules derrière les simulations, puis demander à leurs homologues de Gruppo Cimbali de souligner ce qui manquait et d’ajuster les modèles aux besoins de l’entreprise.

Le fabricant était vivement intéressé par l’utilisation de la simulation de jumeau numérique pour collecter des données sur l’efficacité énergétique, le nombre de cycles qu’une machine peut fonctionner et les températures qu’elle peut atteindre.

« C’est quelque chose de vraiment nouveau », a déclaré Kehrer : pour être en mesure d’évaluer des KPI plus pertinents pour le client dans les premiers stades et pour voir si je change le composant A en composant B, quel est l’effet du point de vue du client ? Cela prendra-t-il plus de temps jusqu’à ce que la machine chauffe ? » Ces paramètres se traduisent par le temps qu’il faut à un client pour obtenir sa tasse de café, ce qui a un impact sur l’expérience client globale.

Tursini a déclaré qu’avant les jumeaux numériques, essayer différents paramètres nécessitait une approche par essais et erreurs. « En utilisant la spécification du modèle, nous avons défini les paramètres, fait un prototype et commencé à optimiser. Mais avec un modèle virtuel, nous pouvons simuler de nombreuses configurations de sorte qu’en fin de compte, la configuration que nous décidons d’utiliser soit optimale », a-t-il déclaré.

En conséquence, Gruppo Cimbali a pu réduire le temps de développement d’un nouveau modèle dans sa gamme Faema de 30% à 40%, a déclaré Tursini.

Prouver la convergence du virtuel et du physique

Le changement culturel a été le plus grand défi de la mise en œuvre de jumeaux numériques, selon Tursini, qui devait convaincre les ingénieurs habitués à travailler avec des prototypes physiques qu’ils pouvaient faire confiance à une simulation de jumeau numérique.

« Nous avons fait quelques tests afin de les convaincre que c’était la bonne approche », a-t-il déclaré. « Nous avons fait des tests physiques et des tests virtuels en parallèle, et nous avons démontré que les résultats convergeaient. Nous avons démontré que c’était la bonne approche [and would also] accélérer notre délai de mise sur le marché.

Tursini a déclaré que la société aimerait mettre en œuvre des jumeaux numériques dans le cloud pour les rendre disponibles aux clients d’ici la fin de 2022. Des jumeaux numériques plus accessibles aideront également les techniciens de service sur le terrain à analyser les informations collectées sur la machine physique par rapport aux données stockées dans le cloud. L’analyse prédictive pourrait aider à anticiper les appels de service et les pannes de machine. La société prévoit également d’offrir à terme un produit en tant que service, qui tirerait parti de la connectivité IoT pour permettre de nouveaux types de services.

Dans l’ensemble, Tursini considère les jumeaux numériques comme un succès. « Vous réduisez le délai de mise sur le marché, vous améliorez la qualité, vous avez un meilleur contrôle sur ce qui se passe », a-t-il déclaré. « C’est quelque chose qui aide aussi les ingénieurs à mieux faire leur travail. Vous devez voir cela comme un soutien au travail des ingénieurs plutôt que comme un substitut. »

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