Industrie du Futur

La production industrielle actuelle de pièces ou de structures complètes est confrontée à des défis majeurs : un enjeu environnemental incontournable, une demande sans cesse croissante de personnalisation des produits, un questionnement sur la place de l’homme dans la production, un montée constante du numérique offrant un espace de jeu virtuel dont il faut optimiser les retombées sur le réel. Ces défis se déclinent sur trois sujets dans l’initiative NExT :

• Le matériau et sa transformation par différents procédés automatisés ou robotisés à des degrés divers. Le matériau peut être recyclé ou bio-sourcé. Le procédé (fabrication additive ou par enlèvement de matière, moulage par injection, …) est repensé pour des gains de matière et d’énergie tout en maintenant une tenue mécanique correcte des pièces ou structures produites.
• La modélisation intégrant les données. Les procédés sont optimisés et contrôlés via la mise en place de répliques virtuelles basées sur de la modélisation augmentée par les données.
• L’homme augmenté en lien avec le procédé de fabrication. La redéfinition de la place de l’homme dans l’usine nécessite de repenser en parallèle les nouvelles technologies (cobotique, réalité augmentée et virtuelle) et les fondamentaux éthiques.

L’océan tant par ses ressources énergétiques durables que par ses ressources marines constitue une formidable opportunité pour répondre au défi environnemental. Trois sujets sont traités dans l’initiative :

– Le développement de technologies de production d’énergie d’origine durable à coût et à impact environnemental réduit, en particulier l’éolien, avec une utilisation raisonnée de l’espace maritime (développement du multi-usage).

• La réduction drastique des coûts de construction et d’opération des navires tout en maintenant des niveaux de sécurité et de manœuvrabilité élevés par forte mer.
• Le développement de procédés de culture et de valorisation de la ressource microalguale en tant que nouvelle bio ressource végétale (sources de protéines, bicomposés actifs pour la santé humaine, matériaux biosourcés, et biocarburant de 3ème génération), ou pour le traitement d’effluents par l’application des principes d’écologie industrielle.

Développement d’une démarche unifiée entre la conception d’un produit, sa fabrication et son recyclage permettant l’émergence de matériaux structuraux hétérogènes et intégrant de nouveaux sourcing matériau. Pour des raisons historiques la conception et la fabrication sont analysées de façon séquentielle. Les unifier est un verrou scientifique majeur dont la résolution permettra de concilier deux mondes actuellement trop peu liés : d’une part, le monde de la conception/ dimensionnement qui spécifie et adapte les propriétés locales des matériaux en jouant sur leur composition et/ou leur degré d’hétérogénéité et d’anisotropie afin que la structure réponde au mieux aux chargements locaux en service et d’autre part, les limites des procédés de fabrication qui ne peuvent pas nécessairement satisfaire les besoins issus du dimensionnement et qui de plus sont

amenés à reconsidérer le sourcing du matériau (le remplacement de matières premières liées à la filière pétrolière par des sources durables ou issues du recyclage). La nécessité du recyclage fait peser une contrainte supplémentaire sur le duo déjà complexe de la conception et de la fabrication. C’est une démarche unifiée pour le triptyque dans son ensemble qui doit voir le jour.

Modélisation des procédés de fabrication augmentée par les données. Ce verrou provient du fait que l’on dispose d’un côté des modèles déterministes qui bien que progressant constamment, en particulier par la prise en compte de la thermodynamique des phénomènes mais qui restent limités par rapport à toutes la complexité des procédés, et d’un autre côté une profusion de données acquises sur ces mêmes procédés. Il convient de combiner efficacement cette profusion de données avec les apports/difficultés de la modélisation « classique » pour parvenir à définir des modèles utilisables dans le cadre du contrôle temps réel.

L’homme augmenté pour la fabrication. Ce verrous vise à définir une co-botique basée sur les physio-signaux et intégrant des aspects subjectifs et sociétaux (confort, ergonomie, organisation du travail, perception des risques, éthique, …) de manière à améliorer la santé et la sécurité au travail. Il s’agit d’un verrou réellement trans-disciplinaire à la frontière entre robotique, physiologie et les sciences humaines et sociales. L’homme augmenté passe également par l’utilisation de la réalité virtuelle/ augmentée dans le cadre de l’apprentissage ou du quotidien de l’opérateur.

Modélisation multi-échelle spatiale et temporelle de l’interaction d’un navire ou d’une structure d’Energie Marine Renouvelable (EMR) avec son environnement hydro- et aéro-dynamique. Au niveau spatial, on passe de l’échelle du mètre dans les interactions vague-navire ou vague-structure EMR les plus violentes, à la taille de l’océan pour la détermination de l’évolution statistique de la houle et des vents menant à ces interactions. Similairement,côté temporel, le phénomène de slamming (tossage) dure quelques dixièmes de secondes alors que le phénomène de houle (évolution de l’état de mer dans une zone donnée) conduisant à ce slamming a pour échelle caractéristique quelques heures. Des méthodologies multi-échelles encore inexistantes sont donc nécessaires. Cet objectif scientifique implique une nécessité de combiner plus fortement démarches numériques, expérimentales et théoriques, afin de comprendre comment faire le lien entre les différents modèles numériques déterministes et statistiques, les essais sur prototype en bassin et la structure réelle en mer. Lever ce verrou est essentiel pour : a) améliorer encore la conception des navires de transport et anticiper la transition vers les navires autonomes, b) développer des navires avec de nouvelles fonctionnalités pour les opérations marines complexes (levage, sous-marines, etc.), c) connaître, qualifier et reproduire plus précisément les effets des conditions de vent et de mer (ainsi que de la qualité des ancrages) sur le comportement des structures EMR et des navires pour améliorer leurs performances, leur durabilité et réduire les coûts et les risques associés à leur maintenance.

Développement de systèmes autonomes de contrôle adaptés à la surveillance des structures

EMR. Le coût de maintenance et le risque de casse par conditions météorologiques sont des freins au

développement viable de l’éolien (en particulier flottant). Les systèmes télé-opérés, internet des objets, robotique sous-marine devraient permettre de réduire drastiquement ces coûts. De plus, la production énergétique du parc offre une source directe d’énergie pour le système de contrôle. Les enjeux scientifiques sont : a) la prise en compte des perturbations (courants subits par exemple) pour rendre robuste le contrôle , b) géo-localisation sous-marine c) gestion de l’interaction entre capteurs posés sur les structures EMR et un ou plusieurs robots d)la gestion des conflits d’usage et la responsabilité juridique et cas d’avarie ou d’impact sur l’environnement marin.

Développement de procédés permettant la valorisation de la bioressource microalgale. Un premier verrou réside dans la mise en place d’approches rationnelles de criblage de souches et de composés originaux (ex : microréacteurs, criblage haut débit) pour une exploration systématique du potentiel encore méconnu de la biodiversité marine. Le second verrou concerne la nécessité de développer des procédés dédiés, allant de la production optimisée (photobioréacteurs), à la valorisation finale de la biomasse obtenue par utilisation de technologies d’extraction adaptées. De nouvelles approches multi-échelles originales combinant Sciences de l’Ingénieur et Sciences du Vivant sont ici nécessaires, les enjeux étant ici l’optimisation de la réaction biologique (ex : modèles métaboliques) en particulier lors de forçage physiologique ou dans les conditions industrielles d’exploitation (exemple : fonctionnement solaire dynamique, culture sur effluents toxiques), la recherche de ruptures technologiques sur les différents maillons de l’exploitation (culture et photobioréacteur, extraction et conversion des composés en produits d’usage), le développement de modèles de connaissance multi-échelles allant de cellule au procédé, et le contrôle des procédés alliant contraintes physiques et biologiques. L’ensemble doit viser la mise en place d’une exploitation durable de cette bio-ressource marine, minimisant les impacts sociétaux et environnementaux tout en répondant aux contraintes des applications visées. L’intensification de procédés, le développement d’approches intégrées de bioraffinerie maximisant la valorisation matière et minimisant les impacts environnementaux, et le contrôle avancé seront ici les leviers clés.