Comment les constructeurs d'équipements aéronautiques peuvent utiliser les jumeaux numériques pour optimiser leur production

Technologie des jumeaux numériquesréécrit discrètement les règles de la fabrication aéronautique. Autrefois concept futuriste, les jumeaux numériques sont désormais des outils essentiels pour les fabricants d'équipements d'origine (OEM) du secteur aéronautique qui cherchent à réduire les coûts de production, à accélérer la mise sur le marché et à améliorer la fiabilité des avions.

Les jumeaux numériques sont des modèles virtuels basés sur les données qui reproduisent les systèmes physiques et apprennent en continu à partir de données réelles pour aider les équipementiers à simuler les résultats, tester les conceptions et anticiper les besoins de maintenance bien avant la construction ou le déploiement de tout matériel physique. Ils permettent également de tester de nouveaux aménagements d'atelier pour en évaluer l'impact sur la production.

Des entreprises comme Airbus, Rolls-Royce, Siemens et Bell en récoltent déjà les fruits. Airbus a considérablement réduit les délais de production de ses programmes A320 et A350 grâce à des modèles numériques couvrant l'intégralité du cycle de vie.Salle de presse Airbus), et Siemens affirme que les jumeaux numériques ont réduit les coûts de reprise technique de 20 % à seulement 1 % pour certains clients de l'aérospatiale (Actualités internationales de l'aviation).

Cet article explore comment les équipementiers de l'aviation utilisent les jumeaux numériques pour concevoir et construire des avions plus rapidement et plus sûrement, et former la prochaine génération de professionnels de l'aviation.

Que sont les jumeaux numériques et pourquoi sont-ils importants ?

Un jumeau numérique est une réplique vivante et évolutive d'un objet, d'un processus ou d'un système physique, qui simule le comportement réel grâce à un flux continu de données en temps réel. Dans l'aéronautique, cela peut être le jumeau d'un moteur ou d'une chaîne de production entière.

Les jumeaux numériques sont rendus possibles par des technologies telles que les capteurs IoT (Internet des objets), les algorithmes d'IA et de ML (apprentissage automatique) et l'analyse cloud. Ils permettent aux fabricants de reproduire virtuellement tout, du flux d'air des ailes aux nouvelles dimensions des chariots à boissons, avant de s'engager dans la construction physique. Ces modèles sont dynamiques, constamment mis à jour avec les données opérationnelles et liés à des simulations qui s'exécutent dans une quasi-infinité de scénarios.

Pour les OEM, l'intérêt est évident. Au lieu de recourir à des essais et erreurs longs et coûteux, ils peuvent valider les conceptions numériquement et éviter ainsi des erreurs coûteuses.

Chez Siemens, les logiciels de jumeaux numériques aident les startups comme JetZero à viser un délai de certification des avions de seulement cinq ans, ce qui est nettement plus rapide que les programmes traditionnels comme le Boeing 787 ou l'Airbus A350 (Actualités internationales de l'aviation).

Todd Tuthill, vice-président de l'industrie aérospatiale, de la défense et de la marine chez Siemens Digital Industries Software, affirme que leur technologie permet de construire et de certifier un avion à fuselage mixte de 250 passagers « en deux tiers du temps qu'il a fallu [aux autres équipementiers] pour certifier leurs dernières conceptions entièrement nouvelles ».

Tuthill attribue ces délais serrés à ses technologies de jumeaux numériques supérieures, affirmant qu'ils peuvent désormais « faire voler des avions avant qu'ils ne soient construits », bien avant même que l'usine n'existe.

Le jumelage numérique est également au cœur de l'initiative « IntelligentEngine » de Rolls-Royce. L'entreprise utilise des données de capteurs et des analyses en temps réel pour simuler le comportement des moteurs dans des conditions extrêmes, allant bien au-delà des essais physiques traditionnels.Rolls-Royce Media).

Nick Ward, vice-président des systèmes numériques chez Rolls-Royce, expliqueFabrication et conception aérospatialesqu'il permet moins de prototypes, des délais plus rapides, de meilleures performances et un meilleur retour sur investissement (Conception de fabrication aérospatiale).

Leurs réacteurs sont si bien conçus et entretenus, explique Ward, que le moteur Trent de Rolls-Royce peut faire plus de 1 000 fois le tour du monde entre deux « événements moteurs importants ». Les prévisions multivariables de l'entreprise permettent de cartographier les performances des pièces et de fournir une échéance de maintenance prédictive précise, jusqu'au numéro de pièce.

Accélérer la conception des avions avec une confiance virtuelle

Les jumeaux numériques transforment la façon dont les constructeurs abordent les premières étapes de la conception aéronautique. Chez Airbus, les ingénieurs utilisent des simulations physiques et des modèles 3D détaillés pour accélérer les cycles de conception et réduire les problèmes de qualité, notamment pour les familles A320 et A350.Salle de presse Airbus).

Le FlightLab d'Airbus, un hélicoptère H130 modifié, a été utilisé pour tester des systèmes d'autonomie, des systèmes anti-impact rotor et des commandes de vol électriques simplifiées. Parallèlement, son démonstrateur DisruptiveLab se concentre sur la réduction de la traînée et des émissions de CO₂. L'entreprise estime que le DisruptiveLab pourrait réduire la consommation de carburant de 50 % par rapport aux modèles actuels.Verticale).

Rolls-Royce adopte une approche similaire dans le développement des moteurs (Rolls-Royce Media). Le vice-président Nick Ward déclare : « De nouvelles informations précises sont présentées quotidiennement aux compagnies aériennes et sont utilisées de manière transparente par leur planificateur de maintenance. »

Les premiers rapports de Rolls-Royce montrent d'énormes progrès et les intégrations de données prolongent considérablement la durée de vie utile des moteurs et d'autres composants coûteux, augmentant même le délai de retrait du premier moteur de près de 50 % (Fabrication et conception aérospatiales).

« Avec un tel niveau de surveillance et de données », explique Ward, « leurs précédentes approches de maintenance préventive sont obsolètes. » Les défaillances sont presque toujours localisées au niveau de chaque pièce, et bien avant les cycles de maintenance planifiés.

L’entreprise affiche un « taux de réussite de 100 % » dans la réalisation de son objectif de « zéro fausse prédiction ».

Dans ces exemples, les jumeaux numériques permettent aux équipementiers de construire des avions plus intelligents et plus sûrs plus rapidement, avec moins de surprises en termes de production et de performances.

Fabrication plus intelligente : comment les OEM optimisent les lignes de production

Concevoir un avion est un défi. Le construire à grande échelle, efficacement et sans délai en est un autre. Là aussi, les jumeaux numériques s'avèrent précieux, notamment pour la planification et la simulation des chaînes de production.

JetZero mise fortement sur une fabrication réussie dès le départ. Grâce aux outils de jumeaux numériques de Siemens, l'entreprise peut simuler les processus de production, identifier les goulots d'étranglement et optimiser l'agencement de l'usine avant même le début des travaux.Actualités internationales de l'aviation). « J'ai hâte de construire [le jumeau numérique] d'une usine pour découvrir que je l'ai mal conçue », a déclaré Todd Tuthill, vice-président de Siemens, à Aviation International News (AIN). C'est l'intérêt de cette technologie : corriger les erreurs virtuellement, et non physiquement.

Airbus adopte une approche similaire avec ses démonstrateurs PioneerLab et Racer, où il teste tout, des capteurs de choc du rotor à l'efficacité aérodynamique en passant par les systèmes de propulsion hybrides. L'objectif est de valider les composants tout en optimisant les chaînes de montage et les protocoles de maintenance en parallèle.Verticale).

Dans les usines d'Illescas et de Saint-Éloi, des jumeaux numériques surveillent tout, des vibrations des machines à la température et à l'humidité. Ces données éclairent les décisions en matière de contrôle qualité, de maintenance des machines et d'optimisation des flux de travail.Salle de presse Airbus). De plus, les lunettes intelligentes et les tablettes permettent une formation virtuelle pour les ouvriers d’usine avant même qu’ils ne mettent les pieds dans l’atelier.

Les gains technologiques sont impressionnants. L'hélicoptère Airbus Racer économise 20 % de carburant en mettant l'un des deux moteurs en veille à l'altitude de croisière, tout en continuant à voler beaucoup plus vite que les hélicoptères classiques. De plus, son aile peut fournir 40 % de la portance de l'hélicoptère, réduisant ainsi la contrainte sur le rotor. Elle réduit également les vibrations pour améliorer le confort des passagers et du pilote.Salle de presse Airbus).

Réduire les temps d'arrêt des avions

Pour les équipementiers et les exploitants aéronautiques, les temps d'arrêt sont catastrophiques. Chaque avion immobilisé représente une perte de revenus, des problèmes de planification et des retards en cascade. Au-delà de la fabrication, les jumeaux numériques occupent une place de plus en plus importante dans les entreprises de maintenance, de réparation et de révision (MRO).

Un jumeau numérique d'un composant de moteur ou de train d'atterrissage peut recevoir en continu des données provenant de capteurs IoT intégrés, suivre l'usure et la dégradation du modèle dans diverses conditions. GE, par exemple, a développé des jumeaux numériques pour des composants individuels, comme le train d'atterrissage, afin d'obtenir une vision précise du cycle de vie des pièces.AeroTime).

Selon Deloitte, les programmes de maintenance prédictive peuvent réduire les temps d’arrêt des avions de 15 %, augmenter la productivité du travail de 20 % et réduire les coûts de maintenance de 18 à 25 % (AeroTime). McKinsey ajoute que cette approche peut également augmenter la disponibilité des avions jusqu’à 15 %.

Air France-KLM fait partie des grandes compagnies aériennes qui s'appuient fortement sur les jumeaux numériques optimisés par l'IA. En combinant les outils d'IA générative de Google Cloud avec les données des capteurs de toute la flotte, la compagnie aérienne peut réduire le temps d'analyse des données de maintenance de quelques heures à quelques minutes.AeroTime). À ce jour, Air France-KLM a utilisé plus de 900 000 vues de 104 jumeaux numériques pour générer ces gains de fiabilité (Matterport).

Les jumeaux numériques sont également utilisés pour les inspections pré-vol des pilotes et réduisent le temps de nettoyage de l'équipage jusqu'à 30 %, améliorant ainsi la préparation au vol des avions (Matterport).

Chez Delta Air Lines, près de 1 000 avions de ligne sont connectés à la plateforme Airbus Skywise, qui permet d'alimenter en temps réel leurs jumeaux numériques respectifs grâce à des flux de données. Plus de 50 000 utilisateurs s'appuient sur ce système pour prédire l'usure, optimiser les programmes de maintenance et éviter les accidents de vol.Salle de presse Airbus).

Lockheed Martin explore une application encore plus futuriste : la création de jumeaux numériques « e-Pilot » qui surveillent non seulement les systèmes de l'avion, mais aussi les pilotes humains en temps réel. Ces copilotes numériques pourraient à terme apporter leur aide lors d'opérations critiques.AeroTime).

Simulation, formation et développement de la main-d'œuvre

À mesure que les systèmes numériques évoluent, les personnes qui les exploitent et les entretiennent doivent également évoluer. C'est un défi croissant dans l'aviation, où la main-d'œuvre vieillit et où la prochaine génération a besoin de compétences entièrement nouvelles, à parts égales mécaniques et numériques.

L'industrie est confrontée à une pénurie de techniciens maîtrisant les outils numériques. Boeing prévoit l'embauche de 716 000 nouveaux professionnels de la maintenance au cours des deux prochaines décennies pour 2024, et l'Aviation Technician Education Council (ATEC) met en garde contre le manque d'instructeurs pour les former.AeroTime).

Contrairement à d’autres secteurs où l’IA pourrait remplacer les travailleurs, l’aviation a besoin de professionnels qualifiés pour travailleravecOutils numériques. L'essor des jumeaux numériques implique que les techniciens d'aujourd'hui doivent maîtriser les modèles de données, l'analyse prédictive et les outils de simulation, en plus des outils traditionnels. Les programmes de formation s'adaptent lentement, mais la dynamique est là.

La réalité augmentée (RA), la réalité virtuelle (RV) et les simulations immersives deviennent des éléments essentiels des programmes de perfectionnement. De même, des solutions comme AK GO et AK View proposent des environnements de formation en RA simulant les procédures d'urgence et les tâches de maintenance.AeroTime).

Leonardo a franchi une étape supplémentaire en créant un jumeau numérique de son démonstrateur d'hélicoptère sans pilote Proteus, qui permet aux équipes de développer et de tester des composants virtuellement, bien avant que tout avion réel ne prenne son envol (Verticale). L'environnement synthétique sert à la fois de bac à sable de développement et de simulateur de formation.

Le Centre britannique de jumelage numérique, lancé en mai 2024, constitue une autre avancée majeure. Axé sur les secteurs aérospatial, spatial et maritime, ce centre promeut la normalisation et le partage d'infrastructures afin de faciliter l'accès aux formations basées sur le jumelage numérique.Organisation de l'OTAN pour la science et la technologie).

Les environnements de test numériques sont également essentiels pour garantir la conformité de la formation par simulation aux exigences réglementaires. De nouveaux cadres visent à intégrer les programmes de compétences des pilotes aux capacités des simulateurs, comblant ainsi l'écart entre le réalisme de la formation et les normes de certification.Société royale aéronautique).

La formation est nécessaire pour que les outils d'IA soient performants. L'avenir de l'aviation est peut-être numérique, mais il dépend toujours de personnes hautement qualifiées.

La réalité pilotée par l'IA

Siemens repousse les limites de l'IA et du monde réel avec son NX Immersive Designer, qui combine la réalité augmentée, les commandes vocales et l'IA générative pour permettre aux ingénieurs d'interagir avec des modèles 3D dans un contexte réel (SSalle de presse d'IEMENS).

Au salon aéronautique de Paris 2025, Siemens a comparé cette expérience à un holodeck fonctionnel (de la télévision).Star Trek), donnant vie aux conceptions d'avions dans des environnements totalement immersifs (Actualités internationales de l'aviation).

Le système d'autonomie Matrix de Sikorsky est déjà utilisé en mission réelle. En 2024, il a permis à un hélicoptère Black Hawk de détecter et d'éteindre de manière autonome un incendie de forêt simulé : il a identifié l'incendie, positionné l'appareil et effectué un largage d'eau de précision sans intervention du pilote.Verticale).

Défis et obstacles à l'adoption

Malgré toutes les promesses, les OEM sont confrontés à des obstacles importants dans l’adoption de la technologie des jumeaux numériques à grande échelle.

L'interopérabilité est l'un des plus grands défis. L'intégration de plateformes de jumeaux numériques dans des environnements complexeschaînes d'approvisionnement multinationalesCe n'est pas une mince affaire. Les fabricants travaillent avec des centaines de fournisseurs, chacun utilisant des outils, des normes et des formats de données différents. Permettre à ces systèmes d'échanger des données de manière fluide et sécurisée constitue un obstacle majeur.

Le coût est un autre facteur limitant. Bien que les jumeaux numériques entraînent souventépargne à long termeL'investissement initial peut être conséquent. Capteurs sophistiqués, infrastructure cloud, casques de réalité augmentée (RA), licences logicielles et programmes de formation : tout cela représente un investissement important. Pour les petits OEM ou les fournisseurs de niveaux 2 et 3, le retour sur investissement peut prendre plusieurs années.

Vient ensuite la pénurie de talents. Comme indiqué précédemment, les systèmes de jumeaux numériques nécessitent une main-d'œuvre hybride capable d'allier expertise mécanique et maîtrise du numérique. À l'heure actuelle, notre vivier actuel de travailleurs qualifiés ne suit pas le rythme. Les entreprises manquent déjà de travailleurs formés de manière traditionnelle, sans parler de ceux qui savent utiliser efficacement les nouvelles technologies d'IA.AeroTime).

Enfin, les cadres réglementaires sont encore en phase de rattrapage. Bien que des agences comme l'AESA (Agence européenne de la sécurité aérienne) et la FAA commencent à intégrer la simulation dans leurs parcours de certification, une incertitude persiste quant au traitement réservé à la validation exclusivement numérique, notamment pour les composants critiques pour la sécurité.Société royale aéronautique).

Et ensuite : l’avenir immédiat des jumeaux numériques et de l’IA dans l’aviation

L'essor actuel des jumeaux numériques dans l'aviation est indéniable et ne cesse de s'accélérer. Les équipementiers (OEM) investissent massivement dans la simulation, l'intelligence artificielle (IA) et les environnements de conception immersifs, marquant ainsi une transformation majeure dans la conception, la construction et même la certification des avions.

De plus en plus, les décisions de conception et de fabrication les plus importantes sont prises dans le domaine numérique, bien avant qu’une seule pièce physique ne soit usinée ou installée.

Un exemple convaincant est celui de JetZero, dont la stratégie de jumeau numérique va au-delà de l’avion lui-même pour inclure l’usine qui le construira.

En simulant chaque détail du produit et de l'environnement de production, JetZero ouvre la voie à la manière dont les épreuves numériques pourraient un jour remplacer les flux de travail traditionnels d'inspection et de certification. Au lieu d'attendre de longues validations physiques et de coûteuses retouches itératives, les entreprises pourront bientôt présenter aux autorités de réglementation des démonstrations virtuelles prouvant le respect des normes de sécurité et de qualité, avant même l'installation du premier outil.Actualités internationales de l'aviation).

L'IA ouvre également de nouvelles perspectives en matière de performance environnementale. Prenons l'exemple de l'hélicoptère Airbus Racer, développé dans le cadre de l'initiative Clean Sky 2 (Aviation propre de l'Union européenne,Verticale). La volonté de vols plus respectueux de l’environnement est à l’origine du développement de son système d’IA qui permet à un moteur de s’éteindre pendant le vol, et constitue un puissant exemple concret de la manière dont les outils d’IA créent une technologie plus rapide et plus efficace, qui est également meilleure pour les personnes et la planète.

L'infrastructure globale supportant les jumeaux numériques évolue rapidement. Les environnements de jumeaux numériques deviennent des systèmes interconnectés qui servent de sources de vérité partagées à l'échelle des organisations.

Les plateformes Skywise d'Airbus et 3DEXPERIENCE de Dassault Systèmes illustrent cette évolution. Toutes deux s'imposent comme des plateformes fondamentales pour la collaboration en temps réel à l'échelle de l'entreprise.Salle de presse Airbus). Ces plateformes permettent une prise de décision basée sur la simulation à tous les niveaux de l’entreprise.

Les chiffres témoignent de leur adoption. Plus de 370 000 clients (12,5 millions d'utilisateurs finaux) utilisent actuellement 3DEXPERIENCE comme plateforme de conception assistée par ordinateur (CAO). Ces clients sont issus de 12 secteurs d'activité répartis dans 159 pays.Dassaults Systèmes).

L'intégration généralisée de la plateforme indique que l'utilisation de l'IA, au moins pour certains flux de travail, est désormais courante. Les technologies génératives qui transforment l'aérospatiale transforment également d'autres secteurs comme l'automobile, l'espace et l'énergie. Les outils d'IA accélèrent le prototypage, réduisent le gaspillage de matériaux et permettent aux équipes de modéliser des systèmes complexes et de tester des hypothèses.

Alors que de plus en plus d'organisations adoptent la simulation, la modélisation des données et les informations issues de l'IA, la nécessité d'un déploiement à plus grande échelle ne cesse de croître. Pour toute entreprise qui conçoit des produits, gère des systèmes, analyse des données de performance ou applique des protocoles de gouvernance, l'IA offre une valeur immédiate et mesurable.

La technologie du jumeau numérique de l'IA est au cœur de l'aviation. Ce qui n'était au départ qu'un outil de visualisation et de conception est devenu une pierre angulaire de l'innovation pour presque tous les aspects de la gestion des vols et des aéronefs. Cette technologie guidera bientôt la gestion de l'espace aérien en temps réel et la personnalisation de l'expérience passager. La frontière entre virtuel et physique ne fera que s'estomper.

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FAQ

Depuis combien de temps la technologie des jumeaux numériques existe-t-elle ?

Le concept des jumeaux numériques remonte au programme Apollo de la NASA dans les années 1960, lorsque les ingénieurs ont construit des répliques terrestres exactes de vaisseaux spatiaux pour simuler des pannes et tester des scénarios critiques avant le vol (Serveur de rapports techniques de la NASA). Les racines théoriques fondamentales remontent encore plus loin, jusqu'au livre de David Gelernter de 1991Mondes miroirs, qui envisageait des réflexions numériques de systèmes complexes(Singe).

Les applications de fabrication sont apparues en 2002, lorsque le Dr Michael Grieves de l'Université du Michigan a introduit le modèle des espaces miroirs, plaçant l'actif physique, la contrepartie virtuelle et la liaison de données au cœur de ce que nous appelons aujourd'hui les jumeaux numériques (MDPI).

Mais le terme « jumeau numérique » lui-même a été inventé en 2010 par le technologue de la NASA John Vickers, qui l'a formellement défini dans la feuille de route de l'agence pour la réplication, la simulation et la maintenance des engins spatiaux (DANS).

Depuis combien de temps la technologie des jumeaux numériques est-elle utilisée dans l’aviation ?

Depuis leur apparition, les jumeaux numériques sont utilisés dans l'industrie aérospatiale. Ils ont été utilisés pour la première fois dans le cadre du programme Apollo de la NASA dans les années 1960.Serveur de rapports techniques de la NASA).

D'autres industries, notamment la fabrication, l'automobile, les soins de santé, la construction et l'architecture (AEC) n'ont commencé à adopter de manière significative la technologie des jumeaux numériques que dans les années 2010, car elle a permis l'apparition de technologies telles que les capteurs IoT et le cloud computing (Deloitte Insights).

Au début des années 2020, des villes comme Singapour, Shanghai et Helsinki ont adopté des jumeaux numériques pour simuler les infrastructures urbaines, les schémas de circulation et les impacts environnementaux. Parallèlement, les entreprises de services publics ont commencé à adopter des jumeaux numériques pour surveiller en temps réel les réseaux électriques, les pipelines et les réseaux d'eau.Deloitte Insights,PricewaterhouseCoopers).

Les jumeaux numériques sont-ils le point final de l’évolution de la technologie de l’IA ?

Les jumeaux numériques constituent une étape intermédiaire, et non une fin en soi. Ils sont fondamentaux pour le prochain chapitre : les jumeaux cognitifs et les fils numériques.École de technologie, Université pontificale catholique du Paraná).

Les jumeaux cognitifs vont au-delà de la simple mise en miroir et de la simulation de systèmes ; ils utilisent l'IA et l'apprentissage automatique pour prendre des décisions autonomes en temps réel. Ces modèles nouvelle génération peuvent optimiser la production, réorienter la logistique et même s'autocorriger sans intervention humaine. Siemens développe déjà des systèmes qui associent l'IA à des flux de données en temps réel, permettant ainsi des réponses plus intelligentes sur les réseaux industriels.Siemens Xcelerator).

La deuxième frontière est la continuité numérique, qui relie les jumeaux individuels tout au long du cycle de vie d'un produit. Contrairement aux modèles autonomes, les continuités numériques intègrent les données de la conception à la mise hors service, permettant une véritable traçabilité de bout en bout et une optimisation système. Dans l'aviation et la défense, cela pourrait impliquer que les régulateurs certifient virtuellement les systèmes aéronautiques, en utilisant des simulations remplaçant de nombreux tests physiques.Deloitte Insights).