La numérisation implique l'apprentissage par la pratique

Bild 1: Die MarketPlace-Plattform ist ein digitaler Arbeitsraum für die Materialmodellierung in all ihren Aspekten, einschliesslich der Nachhaltigkeit. (Bilder: zvg

Ready Player One est un film de science-fiction de Steven Spielberg datant de 2018. il raconte les aventures d'individus fuyant une réalité dystopique dans un monde de jeu virtuel. Plus récemment, le fondateur de Facebook (maintenant Meta), Mark Zuckerberg a annoncé son intention de créer un "Metaverse". Le concept de fusionner la vie réelle avec la vie virtuelle brouille de plus en plus les frontières entre les réalités physiques et celle créées numériquement et est en passe de devenir un objectif commercial. L'individu peut alors faire l'expérience de mondes nouvellement créés en tant que nouvelle incarnation numérique de soi, en tant qu'avatar. Derrière ces publications et déclarations les plus populaires et les plus visibles qui attirent l'imagination des gens, se cachent des développements technologiques complexes poussés par une industrie composée de quelques très grands groupes et d'une multitude de petites et moyennes entreprises. Le secteur de la numérisation a un impact sur toutes les activités socio-économiques dans le monde. Cette industrie est devenue un système circulaire qui régule le flux des bits et des octets qui permettent à la société de fonctionner.

Outre une multitude de jeux publiés et popularisés, la réalité augmentée et virtuelle, l'intelligence artificielle, l'industrie 4.0, les réseaux sociaux, la modération de conférence, la robotique et bien plus encore, il existe une motivation sous-jacente unique qui anime la numérisation du monde. L’objectif principal est de mettre au point des appareils capables d’accomplir des tâches physiques qui dépassent les capacités humaines. La numérisation est donc bien plus que la numérisation, c'est-à-dire que cette dernière copie les informations statiques et disponibles dans un format numérique. La numérisation est la partie « données » de la numérisation. En termes simples, la numérisation consiste à relier ou à construire des relations fonctionnelles à partir d’ensembles de données massifs et diversifiés (intrants/informations sensorielles passés et présents) afin de générer des options ou des scénarios d’action répondant à une question posée précédemment. Les mathématiques sous-jacentes fonctionnent sous la forme d'algorithmes qui peuvent générer des millions de relations possibles entre les ensembles de données disponibles. Les relations trouvées peuvent être ajustées à tout moment lorsque les enregistrements de données changent. Le contexte ou les conditions marginales de la question choisie aident à organiser et à sélectionner les relations les plus appropriées. La distinction ultime est déclenchée par un test d'appariement réel, c'est-à-dire une vérification pour savoir si la solution proposée a fourni le résultat escompté ou souhaité. Un tel test fournit de nouvelles données (feedback) sur le succès de l'option choisie sert de base à l’ajustement des relations. En d'autres termes, la numérisation implique l'apprentissage par la pratique, c'est-à-dire l'utilisation d'expériences factuelles (ensembles de données) qui peuvent être combinées dynamiquement (relations) pour permettre de futures actions réussies (options). Les calculs ultra-rapides rendent l'ensemble du processus interactif, réactif et réaliste. Ces opérations cachées donnent l'impression que certains ordinateurs (par exemple sous la forme de robot) sont capables de prendre des décisions en connaissance de cause. Cependant, l’avantage réel est que le matériel rapide et les algorithmes intelligents peuvent traiter et analyser beaucoup plus d'ensembles de données (dynamiques) en très peu de temps pour définir des réponses qui peuvent conduire à des actions (réponses) - physiques ou virtuelles - et recueillir le feedbacks. Le retour d'information définit de nouvelles données qui servent d'input pour générer des relations optimisées, qui à leur tour, fournissent des actions plus adaptées.

Figure 2 : Schéma de procédé simplifié pour la fabrication d'une pièce en céramique à partir d'un composé polymère hautement chargé

Aujourd'hui, et depuis le début de sa croissance exponentielle dans les années 1950, l'industrie du plastique fait face à son plus grand défi : se réinventer pour devenir durable et neutre en carbone en moins de 30 ans. Les pressions des consommateurs et de la législation ne cesse de croître, obligeant l’industrie à reconsidérer (rapidement) comment des plastiques autrefois très populaires peuvent survivre et rester le matériau de choix pour assurer le fonctionnement d’une population mondiale croissante. Les plastiques sont liés, pour le meilleur comme pour le pire, à tous les aspects de l'activité humaine et à tous les organismes sur terre. Une réponse simple, quoique un peu naïve, consiste à transformer l'économie dite linéaire existante en une économie circulaire. C’est le signe d’un statu quo, où l’industrie ne récupère que ses produits chimiques ou ses matériaux et se contente d’utiliser des énergies renouvelables plutôt que des combustibles fossiles. Tout cela doit se faire sans émission de gaz à effet de serre (CO₂et équivalents), sans perte de matériaux ou de produits chimiques et sans dommages supplémentaires à la biosphère. Cependant, la réalité est bien plus complexe. La biosphère dans laquelle se déplace l’homme est un système d’interconnexions et de boucles qui se développe et change constamment et s’adapte aux changements climatiques et environnementaux. Il s'agit d'un réseau multidimensionnel d'éléments et de processus en interaction dans lequel l'économie n’est qu’un sous-système parmi tant d’autres. Comprendre ces systèmes complexes est la première étape vers le développement de mesures intelligentes qui permettront à l’industrie des plastiques, mais aussi à l’humanité de survivre à long terme, et cela ne peut se faire qu’avec l’aide de la numérisation. La modélisation et la prévision de la météo et du climat rendues possibles par la numérisation sont passées des modèles développés par Edward Lorenz au début des années 1960 – le «modèle papillon» – à des prévisions et des simulations très précises de scénarios futurs de l’impact des émissions de gaz à effet de serre sur le réchauffement global moyen. de la biosphère. La météo est un système complexe qui peut être décrit à l’aide d’un ensemble d’équations mathématiques couplées (reliées) et peut être résolu avec des algorithmes sophistiqués et intelligents pour prédire ce qui va se passer. La compréhension des variables en jeu et des conditions-cadres définies peut conduire à une analyse des conséquences et des risques qui propose les meilleures solutions pour faire ce qui est nécessaire, comme dans le cas de la réduction des émissions de GES (gaz à effet de serre). La conséquence (boucle de rétroaction) de chaque action sélectionnée peut être évaluée de la même manière.

De même, la numérisation peut et doit aider à développer des solutions pour faire des plastiques les matériaux durables de demain.Toutefois, ces efforts ne font que commencer et sont illustrés, du moins en partie, par le développement de la science des matériaux dans le cadre du projet européen MarketPlace d’Horizon 2020.

MarketPlace

Le développement de matières plastiques en tant que matériaux pour la fabrication de produits fonctionnels durables et neutres pour le climat en termes d’ingrédients chimiques, de synthèse, de transformation, d’utilisation et de réutilisation est un défi systémique complexe. En termes très simples, les défis scientifiques et technologiques sont à plusieurs échelles, de petites à grandes échelles longitudinales et de courtes à longues échelles de temps. La science pertinente sur chaque échelle de temps/longueur est mathématiquement définie, façonnée en algorithmes spécifiques et généralement mise en place sous forme de programmes séparés pour relever des défis spécifiques. Pour aborder le cycle de vie complet de l’utilisation ultérieure du produit et après son utilisation, tous ces programmes doivent être reliés de l’échelle atomique ou moléculaire (discrète) à l’échelle macroscopique (continuum). Dans un second cas, des algorithmes d’optimisation multicibles sont nécessaires pour explorer des solutions alternatives. En outre, il est nécessaire d’intégrer des programmes d’évaluation de l’empreinte écologique et des aspects socio-économiques tout au long du cycle de vie du produit. L’ensemble des activités de modélisation et de simulation, les outils et bases de données associés, le réseau d’experts, les procédures d’exploitation et de sécurité, les systèmes de calcul et bien d’autres encore sont regroupés en un point de contact unique et ouvert, la plateforme MarketPlace (figure 1). De nouveaux programmes et informations peuvent être ajoutés, mis à jour ou supprimés par n’importe qui, gratuitement ou avec une barrière de paiement commerciale. Le projet MarketPlace est soutenu par le programme Horizon 2020 de l’UE et s’inspire des recommandations du Conseil européen de la modélisation des matériaux (EMMC). Il contribue aux efforts de numérisation de l’UE, en mettant l’accent sur la mise en place d’un marché virtuel permettant d’acheter, d’expérimenter et de travailler ensemble pour relever les défis complexes liés aux matériaux sous tous leurs aspects, y compris la durabilité.

Exemple

Le PICC est partenaire du projet MarketPlace dans le cadre de HES-SO – HEIA-FR. La tâche principale du PICC est de valider la capacité de la plate-forme MarketPlace à relever un défi spécifique en matière de matériaux. A titre d’exemple, le défi de l’injection céramique d’implants dentaires est étudié. Comme le montre la figure 2, la modélisation de la fabrication d’une pièce céramique à partir d’un plastique hautement rempli pose plusieurs défis à différentes longueurs et échelles de temps. La fabrication du composé se caractérise par l’interaction physique et chimique du polymère et de la charge inorganique, ainsi que par l’influence de la forme et de la taille des particules. La coulée par injection nécessite une compréhension de l’écoulement et de la distribution des particules au niveau continu pour former une pièce « verte . » Ensuite, le polymère est éliminé par pyrolyse pour former la partie «brune» qui est ensuite frittée pour fournir le composant final qui doit répondre à des critères de performance très spécifiques. Chacune de ces étapes nécessite une modélisation très sophistiquée pour saisir la physique et la chimie, pour prédire l’intégrité de forme et les performances mécaniques du composant final.

Figure 3: Simulations d’injection d’un mélange de polymères à haute charge en trois endroits différents d’une forme d’implant dentaire. Les trois cas montrent les points d’injection (en haut), la ligne de soudure (au milieu) et la décélération résiduelle et la contraction pour chaque cas (en bas).

Tout d’abord, l’ensemble du processus doit être converti en un flux de travail de données de modélisation (MODA) qui définit les données nécessaires, les modules logiciels nécessaires et les grandeurs physiques nécessaires pour obtenir les dépenses qui permettront d’améliorer les performances du produit final. Jusqu’à présent, aucun critère de durabilité n’a été pris en compte dans le processus de modélisation, bien que la plateforme MarketPlace offre plusieurs outils pour étudier les incidences environnementales, économiques et sociales du produit cible.

Le MODA définit les étapes à suivre avec les outils disponibles sur la plateforme MarketPlace. Par exemple, le mélange de granulés de polymère et de poudre inorganique peut être simulé pour obtenir un composé homogène qui peut être coulé dans une pièce «verte. »

Comme le montre la figure 3, le processus de moulage par injection peut alors être simulé pour différents points d’injection afin d’évaluer la production de pièces la plus appropriée, ce qui permettra d’obtenir une pièce céramique répondant à toutes les exigences de performance.

D’autres modélisations du processus de débondage et de frittage peuvent alors être effectuées à l’aide des programmes disponibles sur la plateforme MarketPlace. L’utilisateur peut trouver une aide spécialisée sur MarketPlace en cas de besoin. Cela peut prendre la forme, par exemple, de l’organisation de l’effort de modélisation ou de la réalisation de la modélisation avec, le cas échéant, une formation du modélisateur individuel.

Perspectives

La plate-forme MarketPlace n’est que le début d’une plate-forme numérique basée sur la science et la technologie et permettant de développer des solutions dans le choix des matériaux pour l’industrie, y compris l’industrie des plastiques. Jusqu’à aujourd’hui, la pleine fonctionnalité de MarketPlace, comme on peut l’imaginer avec «Ready Player One», est encore loin d’être réalisée. Mais entrer sur la plateforme MarketPlace en tant qu’avatar et interagir avec d’autres avatars pour construire et améliorer ensemble des matériaux et des produits en plastique durables dans le monde virtuel des polymères, des extrudeuses, de la conception des produits, des utilisations et des réutilisations, tout en évaluant pleinement les performances et la durabilité, n’est plus une chose impossible, mais est déjà dans un futur tangible.

Remerciements

Le projet MarketPlace bénéficiera d’un soutien financier dans le cadre de l’appel d’offres H2020-NMBP-25-2017 portant le numéro de convention de subvention 760 173. Les graphiques ont été aimablement fournis par les partenaires du projet et en particulier par Nikolaos Lempesis et Vlasios Mitsoulas.

Références:

https://en.wikipedia.org/wiki/Ready_Player_One

https://www.aps.org/publications/apsnews/200301/history.cfm

https://www.the-marketplace-project.eu/

 

Article extrait de Kunststoff Xtra - 25.02.2022

Lire l'article en version originale (allemand): https://kunststoffxtra.com/digitalisierung-beinhaltet-learning-by-doing/