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Claudius Peters

Un fabricant d'équipements lourds applique la conception générative aux machines traitant les matières premières

The Future of Making Things

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Photos publiées avec l'aimable autorisation de Limbforge

Les nouvelles technologies de développement de produit préparent une entreprise fondée il y a plus d'un siècle aux processus de fabrication du futur

Claudius Peters, une entreprise fondée il y a 113 ans qui fabrique des équipements pour traiter les matériaux en vrac, s'est lancée dans une mutation qui la transformera en entreprise numérique du XXIe siècle. La conception générative va changer la donne pour l'entreprise en lui offrant une manière considérablement nouvelle de concevoir et d'optimiser les produits. En adaptant cette technologie (généralement associée à l'impression 3D) aux méthodes de fabrication traditionnelles, l'entreprise élabore des produits plus rentables pour un marché industriel sensible aux coûts. La conception générative appliquée à la fabrication d'équipements lourds permet de réduire le coût des matériaux, les coûts énergétiques et les délais, et d'accroître la compétitivité de Claudius Peters dans une période pleine de changements.

Une entreprise à l'ancienne en plein renouveau

Le fabricant allemand Claudius Peters incarne l'expression « industrie lourde » : l'entreprise conçoit des machines industrielles et des usines de traitement gigantesques pour les secteurs du ciment, de l'acier, du gypse et de l'aluminium. « Nous sommes les spécialistes du traitement des matériaux en vrac », déclare Thomas Nagel, directeur des opérations chez Claudius Peters. Outre son siège social situé à proximité de Hambourg (Allemagne), l'entreprise compte 12 bureaux régionaux en Amérique, en Europe et en Asie.

Fondée en 1906, l'entreprise Claudius Peters fabrique de gigantesques équipements industriels nécessitant de forts investissements (tels que des convoyeurs, des silos ou des broyeurs) depuis plus d'un siècle. Mais au lieu de s'accrocher à son glorieux passé, M. Nagel, responsable du service numérique, aide l'entreprise à asseoir sa réputation en tant que chef de file mondial en matière d'innovation numérique. Claudius Peters s'est lancé dans l'innovation en 2014 avec pour objectif d'améliorer les résultats commerciaux en matière de coûts, de qualité, de délais de livraison et de satisfaction du client. Mais l'entreprise a compris que pour rester concurrentielle au XXIe siècle, il fallait plus que des nouveaux logiciels. En 2018, Claudius Peters a poursuivi sa transformation en une entreprise flexible, ce qui nécessitait de nouvelles compétences numériques et une culture axée sur les idées de conception, l'expérimentation et l'itération.

Thomas Nagel, directeur des opérations et responsable du numérique chez Claudius Peters, au siège de l'entreprise à Buxtehude, à proximité de Hambourg (Allemagne).

S'engager sur la voie de l'innovation

La collaboration avec des partenaires technologiques tels qu'Autodesk a été essentielle pour mener à bien le processus d'innovation chez Claudius Peters. L'entreprise a adopté de nouveaux outils, y compris BIM 360 (site Web É.-U.), pour connecter les processus de vente, d'ingénierie, de conception, de fabrication et d'assemblage. Elle a également trouvé de nouvelles manières de rationaliser les processus de fabrication à l'aide d'Inventor et de l'analyse au moyen de la méthode des éléments finis (MEF). Pour installer ses machines, Claudius Peters a commencé à utiliser des numérisations de captures de la réalité 3D avec ReCap et Navisworks pour collecter les données dans les installations des clients, puis transmettre rapidement les fichiers aux équipes d'ingénierie et de conception basées en Allemagne. « Grâce à cela, nous pouvons travailler plus vite, offrir une qualité supérieure, réduire les coûts et satisfaire davantage les clients », affirme M. Nagel.

« Mais notre processus d'innovation ne s'est pas arrêté là », ajoute-t-il. Inspiré par une démonstration de conception générative dans Fusion 360, M. Nagel a organisé un atelier de quatre heures pour que l'équipe de Claudius Peters découvre cette technologie émergente.

Le logiciel de conception générative (site Web É.-U.) d'Autodesk tient compte des contraintes et des objectifs de conception, puis explore les différentes combinaisons d'une solution de conception, générant ainsi rapidement des dizaines d'options possibles. Après quelques expérimentations sur des pièces standard, l'équipe décide de tester la conception générative pour optimiser une pièce d'un refroidisseur de mâchefer, l'un des produits phare de Claudius Peters destiné au secteur du ciment.

M. Nagel (à droite) révise la conception de la pièce existante du refroidisseur de mâchefer avec l'équipe de Claudius Peters.

Qu'est-ce qu'un refroidisseur de mâchefer?

Le secteur du ciment est une activité essentielle pour Claudius Peters depuis ses débuts. Les fabricants de ciment mélangent des roches concassées et les chauffent dans un four à 1 450 °C, jusqu'à obtenir des morceaux de la taille d'une bille que l'on appelle « mâchefer ». Le mâchefer brûlant est déversé dans un refroidisseur, une énorme machine de 50 x 25 m. L'air refroidit le mâchefer autour de 100 °C tandis qu'il est transporté dans le refroidisseur. Le mâchefer est ensuite broyé et mélangé avec d'autres matériaux pour fabriquer du ciment.

Claudius Peters a commencé à fournir des refroidisseurs de mâchefer pour ce secteur au début des années 1950, produisant plus de 700 machines au cours des 60 années suivantes. Toutefois, la production de mâchefer est très énergivore, ce qui fait du secteur du ciment l'un des plus gros émetteurs de CO2 dans le monde.

Au début des années 2000, Claudius Peters a commencé à développer un refroidisseur de mâchefer de nouvelle génération conçu pour économiser l'énergie. Il s'agit du refroidisseur ETA, baptisé d'après la lettre grecque « η » (« êta »), qui fait référence à l'efficacité énergétique. « L'un des grands avantages de notre refroidisseur ETA est son remarquable rendement thermique », déclare M. Nagel. « Ces économies d'énergie peuvent contribuer à réduire les conséquences néfastes sur l'environnement de la production de ciment. » De nos jours, l'activité principale de Claudius Peters consiste à remplacer les refroidisseurs de mâchefer existants par le modèle ETA afin d'accroître l'efficacité des cimenteries.

Le refroidisseur ETA de la cimenterie Holcim située à Untervaz en Suisse est une gigantesque machine qui occupe presque la moitié d'un terrain de football. Photo publiée avec l'aimable autorisation de Claudius Peters.

La conception générative réserve bien des surprises

Claudius Peters a décidé d'appliquer la conception générative pour optimiser une pièce du refroidisseur ETA. Cette pièce en métal lourd avait été récemment modifiée à l'aide de méthodes de conception traditionnelles afin d'éliminer l'excédent de matière. Chaque refroidisseur compte entre 50 et 60 de ces pièces. Elles sont vissées ensemble sur une série de couloirs de convoyeur qui transportent le mâchefer fondu à l'intérieur du refroidisseur ETA. « Cette pièce moulée a été optimisée à maintes reprises », déclare Maximilian Lerch, ingénieur de conception chez Claudius Peters. « L'objectif était de réduire le poids et le coût connexe du métal. Une optimisation même minime du poids entraîne un impact important.

« C'était vraiment génial de voir tous les ingénieurs rassemblés autour de l'écran d'ordinateur, observant le processus de conception générative en train de donner naissance à une pièce optimisée et robuste à partir de presque rien, seulement les contraintes », poursuit M. Lerch. « Toutes les itérations qui sont nécessaires pour aboutir à la meilleure solution sont effectuées par le logiciel. »

Après cette première session de conception générative de quatre heures, l'équipe obtient son premier résultat. « Nous l'avons appelée la "pièce extraterrestre" », déclare M. Nagel. « Le résultat nous a surpris. Comment cette pièce pouvait-elle être aussi différente de notre propre pièce optimisée? Et en plus, elle était de 30 % à 40 % plus légère! »

Les premiers résultats du processus de conception générative ont abouti à la création de la « pièce extraterrestre » (à droite), qui était considérablement différente de la pièce de transport originale du refroidisseur ETA (à gauche) et de la pièce optimisée à l'aide de la méthode traditionnelle (au centre).

La conception générative réserve bien des surprises

Claudius Peters a décidé d'appliquer la conception générative pour optimiser une pièce du refroidisseur ETA. Cette pièce en métal lourd avait été récemment modifiée à l'aide de méthodes de conception traditionnelles afin d'éliminer l'excédent de matière. Chaque refroidisseur compte entre 50 et 60 de ces pièces. Elles sont vissées ensemble sur une série de couloirs de convoyeur qui transportent le mâchefer fondu à l'intérieur du refroidisseur ETA. « Cette pièce moulée a été optimisée à maintes reprises », déclare Maximilian Lerch, ingénieur de conception chez Claudius Peters. « L'objectif était de réduire le poids et le coût connexe du métal. Une optimisation même minime du poids aurait eu un impact important.

« C'était vraiment génial de voir tous les ingénieurs rassemblés autour de l'écran d'ordinateur, observant le processus de conception générative en train de donner naissance à une pièce optimisée et robuste à partir de presque rien, seulement les contraintes », poursuit M. Lerch. « Toutes les itérations qui sont nécessaires pour aboutir à la meilleure solution sont effectuées par le logiciel. »

Après cette première session de conception générative de quatre heures, l'équipe obtient son premier résultat. « Nous l'avons appelée la 'pièce extraterrestre' », déclare M. Nagel. « Le résultat nous a surpris. Comment cette pièce pouvait-elle être aussi différente de notre propre pièce optimisée? Et en plus, elle était de 30 % à 40 % plus légère! »

  • Dans le processus de production du ciment, le mâchefer brûlant est transféré du four vers le refroidisseur ETA, capable de traiter jusqu'à 13 000 tonnes métriques par jour.

  • Les couloirs du convoyeur transportent le mâchefer à l'intérieur du refroidisseur ETA, où l'air refroidit les roches fondues autour de 100 °C.

  • Chaque refroidisseur ETA comporte une soixantaine de pièces de transport placées au niveau des couloirs du convoyeur pour acheminer le mâchefer brûlant à l'intérieur du refroidisseur.

  • La pièce de transport d'origine (à gauche) a été repensée en 2016, puis installée et testée dans 14 refroidisseurs de mâchefer.

  • La nouvelle pièce (à droite), issue de la conception générative, est plus de deux fois plus légère que celle d'origine, permettant ainsi des économies considérables sur le coût des matériaux et de l'énergie.

  • Les rendus montrent l'évolution de la pièce du refroidisseur de mâchefer depuis la conception géométrique lourde initiale (rangée de l'haut, tout à gauche) jusqu'aux différentes itérations obtenues par conception générative et ingénierie inversée.

Images reproduites avec l'aimable autorisation de Claudius Peters

Adapter une pièce réalisée par conception générative à la fabrication traditionnelle

Sceptiques, les ingénieurs de Claudius Peters ont procédé à des calculs et à une analyse MEF sur la « pièce extraterrestre ». Ils ont été stupéfiés de constater qu'elle était plus efficace que leur propre pièce, optimisée de manière traditionnelle. L'équipe a commencé à analyser la conception pour comprendre comment la fabriquer. « En général, la conception générative utilise l'impression 3D ou d'autres méthodes de fabrication additive pour réaliser le produit », déclare M. Nagel. « Notre secteur n'utilisera pas de pièces imprimées en 3D. Cela coûte trop cher. » Mais en utilisant des idées issues de la conception générative et de l'optimisation traditionnelle, « il ne nous a fallu qu'une semaine pour procéder à l'ingénierie inversée de la pièce afin de pouvoir la fabriquer au moyen de méthodes de fabrication traditionnelles. »

À l'aide d'Inventor et de l'analyse MEF, l'équipe a testé différentes solutions de fabrication avec la fonderie de Claudius Peters. « Nous avons décidé de passer d'une pièce moulée à une solution avec des plaques découpées et soudées au laser », explique M. Nagel. « Nous avons allégé la pièce de 25 % supplémentaires. Nous l'avons également fabriquée plus rapidement et à un coût inférieur. » L'équipe continue d'étudier les options de conception disponibles pour la pièce de transport, et à rechercher d'autres occasions d'amélioration et d'économies. « La pièce devrait être mise en production très prochainement », poursuit M. Nagel. « Je pense qu'elle sera opérationnelle quelque part dans le monde d'ici un an. »

Un soudeur fabrique le prototype de la nouvelle pièce de transport, obtenue par ingénierie inversée en exploitant des idées issues de la conception générative, la conception traditionnelle et des retours en provenance de la fonderie.

Tirer parti des avantages de la conception générative

La pièce que Claudius Peters a créée par conception générative permet au final à l'entreprise de réaliser des économies significatives sur tous les refroidisseurs de mâchefer qui en sont équipés. Le poids de la pièce de transport étant réduit d'environ 20 kilos, l'entreprise prévoit d'économiser autour de 100 € par pièce, sachant que chaque refroidisseur en compte au moins 60. En outre, la réduction du poids entraîne une baisse du coût d'expédition. « Dès le premier prototype que nous avons développé, nous étions convaincus que la conception générative nous aiderait à obtenir de meilleurs coûts pour nos produits et à nous rendre plus concurrentiels », déclare M. Nagel.

La conception générative permet également d'obtenir une durabilité supérieure. « Nous pouvons passer d'une pièce plus lourde moulée dans une fonderie en Inde ou en Turquie à une pièce plus légère, une conception soudée que nous pouvons même fabriquer dans notre atelier ici », déclare M. Nagel. « Nous réalisons des économies au niveau des matériaux, de la consommation d'énergie, des délais de transport, et évitons d'autres effets négatifs sur l'environnement. »

Claudius Peters est désormais à un stade où la conception générative devient un processus standard pour optimiser les pièces existantes ou en concevoir de nouvelles. « Nous identifierons d'autres pièces auxquelles appliquer des optimisations et des réductions de matériaux à l'avenir », affirme M. Nagel. « Pièce par pièce, nous tâcherons de voir si la conception générative offrira les mêmes avantages. »

L'ingénieur concepteur Maximilian Lerch travaille sur une version obtenue par ingénierie inversée de la pièce réalisée par conception générative. Cette version peut être fabriquée par des méthodes de fabrication traditionnelles.

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