Développement produit in silico

Dans les entreprises du secteur CPG, les essais d'emballage et de produit se digitalisent

William J. Holstein
30 June 2017

6 minutes

Grâce à l'augmentation de la vitesse des ordinateurs et à des algorithmes améliorés, les essais in silico se sont étendus au-delà des secteurs de l'aérospatiale et de l'automobile. Désormais, même les articles peu coûteux, comme les bouteilles, peuvent être testés et rapidement améliorés virtuellement.

Quand est-ce qu'une bouteille cesse d'être seulement une bouteille ? Pour Hansong Huang, une bouteille est un univers à elle seule, un environnement qui affecte fondamentalement la qualité du produit qu'elle renferme.

En tant que directeur de l'ingénierie avancée chez Amcor Rigid Plastics à Manchester, Michigan, une division de la société australienne Armure Limited qui réalise 10 milliards de dollars de ventes combinées aux États-Unis, Hansong Huang est responsable de la conception de bouteilles en plastique pour des grandes marques comme Coca-Cola et PepsiCo.

« Personne ne veut ressembler à une autre marque », explique Hansong Huang. La forme des bouteilles, cependant, affecte leur performance - robustesse, rétention des bulles, protection contre la lumière, et plus encore. Il n'est donc pas facile de créer une bouteille qui évoque une marque particulière uniquement par sa forme. Surtout quand la forme affecte également des dizaines d'autres variables qui influent sur la qualité des produits.

« Le dioxyde de carbone ne doit pas s'en échapper trop vite et l'oxygène ne doit pas y entrer, pour qu'elle ait une durée de conservation acceptable », indique Hansong Huang. « Il nous faut souvent pousser notre ingénierie à la limite. »

Il y a peu, la conception des bouteilles était encore un processus d'essais-erreurs. Conçues par des experts puis fabriquées en quelques exemplaires, elles étaient ensuite testées pour voir comment elles résistaient aux différentes contraintes. Il fallait plusieurs mois, voire plusieurs années, pour valider une nouvelle conception.

Aujourd'hui, Hansong Huang peut tester un nouveau design de bouteille in silico - en utilisant la simulation par ordinateur - en quelques minutes. Un puissant logiciel de simulation lui permet de soumettre de nouveaux designs à des températures et taux d'humidité, poids de charge et conditions de chute variés - sans bouteille physique ni laboratoire. Des codes couleur indiquent l'endroit où la bouteille est trop fragile ou d'où le gaz carbonique s'échappe, ce qui permet de cerner les zones problématiques. Dès qu'il modifie le design virtuel, il peut lancer un nouvelle simulation en l'espace de quelque minutes.

Les essais in silico permettent de tester virtuellement des produits pour vérifier que leur forme ne modifie pas les dizaines de variables qui influent sur leur qualité. (Image © Plastic Technologies Inc.)

Lorsque son ordinateur confirme que la conception fonctionne, les ingénieurs peuvent effectuer des tests ponctuels sur des échantillons de production. Mais les tests physiques n'ont qu'un seul objectif : que les ingénieurs aient la conscience tranquille ! Les bouteilles répondent toujours aux attentes.

ADIEU, LE BOIS

Les essais in silico ont commencé dans l'aérospatiale et l'automobile, où il est impossible d'attendre la première phase de prototype coûtant des milliards pour découvrir qu'un avion nouvellement conçu ne peut pas voler ou qu'il est trop coûteux de soumettre au crash test des dizaines de voitures pour parfaire un design pour qu'il réponde aux normes réglementaires et de sécurité.

À présent, les simulations in silico sont disponibles pour des produits moins chers comme les bouteilles. Avant l'arrivée de la conception assistée par ordinateur (CAO) en trois dimensions, les concepteurs mettaient au point un produit fonctionnel ou attractif. Ce produit était ensuite sculpté dans un morceau de bois pour lui donner la forme souhaitée, explique Sumit Mukherjee, directeur de l'ingénierie et de la conception assistée par ordinateur pour Plastic Technologies à Holland, dans l'Ohio. Un moulage était ensuite fabriqué à partir de la bouteille en bois pour créer un moule de soufflage en métal, qui servait finalement à créer une bouteille en plastique.

Mais grâce à l’amélioration des performances des ordinateurs et des algorithmes, cette méthode a été abandonnée. « Maintenant, je peux tester 20 modèles différents et identifier le meilleur dans le même laps de temps », indique Sumit Mukherjee.

La modélisation et les essais in silico ont un autre avantage : en éliminant la plupart des tests physiques, la phase de tests prend beaucoup moins de temps. Il n'est plus nécessaire de faire appel à des laboratoires coûteux ou d'utiliser des matériaux physiques. Les scientifiques peuvent consacrer leur énergie, autrefois dédiée à l'élimination des milliers d'idées qui échouaient, à l'amélioration des candidats les plus prometteurs.

Autre avantage : en moyenne, les matières premières représentent 67 % du coût total d'une bouteille. La réduction de la quantité de matière plastique PET d'une bouteille contribue ainsi à réduire le coût de la bouteille, mais aussi du produit final. Pour référence, Sumit Mukherjee rappelle que la bouteille de soda en plastique de deux litres était faite de 79 grammes de matière il y a 20 ans. Aujourd'hui, ce n'est que 44 grammes. « Et le consommateur n'a rien remarqué », ajoute-t-il.

Les outils de simulation sont devenus plus sophistiqués encourageant ainsi leur adoption. La combinaison d'une informatique de plus grande capacité et de meilleurs algorithmes a permis l'élaboration de programmes « multiphysiques », qui permettent d'effectuer des simulations simultanées de plusieurs matériaux ou variables. Par exemple, les programmes multiphysiques peuvent prévoir les résultats attendus des matériaux d'un objet particulier, ainsi que la façon dont ces résultats changeront en fonction des conditions auxquelles cet objet sera exposé, comme la pression de l'air, la température et le magnétisme. « Les tests multiphysiques simplifient la vie des ingénieurs », explique Sumit Mukherjee.

En même temps, les outils in silico deviennent de plus en plus simples à manier. Il n'y a pas si longtemps, seule une poignée de chercheurs titulaires d'un doctorat pouvaient comprendre comment construire et manipuler un modèle in silico. Bien que les essais in silico nécessitent toujours un haut niveau de compétences, les qualifications requises pour produire des simulations informatiques précises sont moins élevées. Les outils peuvent donc être utilisés plus largement et les résultats sont partagés plus facilement.

DE L'EMBALLAGE AUX PRODUITS

De nos jours,les entreprises testent bien plus que l'emballage in silico. Dans les grandes entreprises de CPG, comme Procter & Gamble (P&G), les ingénieurs qui utilisaient autrefois des outils in silico pour la conception de l'emballage s'en servent pour concevoir également les produits eux-mêmes.

Thomas Lange était directeur de la modélisation et de la simulation quand il a pris sa retraite après 37 années chez P&G. Il dirige à présent une société de conseil basée à Cincinnati,Technology Optimization & Management.

« Notre activité consiste à gérer des contradictions », explique Thomas Lange. « Comment détacher un tissu tout en protégeant le linge ? Je peux éliminer une tache sur n'importe quoi à la Javel, mais je ne protège pas la couleur. »

Autrefois, il fallait des années d'expérimentation physique pour résoudre ces contradictions, rappelle Thomas Lange. Aujourd'hui, les outils de simulation in silico aident P&G à déterminer quelle résistance conférer aux dosettes « Tide pods » pour que les différentes enveloppes ne se dissolvent pas sur les rayons du magasin, ou comment concevoir des couches Pampers pour une absorption maximale.

« Dans le monde des contradictions, nous utilisions la modélisation et la simulation pour concevoir des produits, des processus, des systèmes de production, l'ensemble des chaînes d'assemblage dans les usines », déclare Thomas Lange. « Nous les utilisons même pour déterminer la fréquence d'utilisation des produits et, lors de leur expédition, la température qu'ils pourraient atteindre dans un camion. »

J'avais l'habitude de dire : "Je veux savoir si une chose s'adapte, fonctionne et est sensée sur le plan financier, avant même qu'elle existe dans le monde réel". »

Quand il a débuté sa carrière d'ingénieur, explique-t-il, il n'aurait jamais rêvé d'effectuer des simulations aussi complexes sur un ordinateur.

« La modélisation et la simulation ne sont plus réservées qu'aux seuls avions et satellites. Elles sont aussi appliquées au papier hygiénique, aux cartons de lait et à tout le reste. »

Thomas Lange aide actuellement des entreprises alimentaires à développer leurs propres capacités de simulation et de modélisation en interne. Un jour, une entreprise l'a choisi pour intervenir sur une machine qui utilise d'énormes quantités de chaleur et d'air pour transformer une matière première agricole en aliments. Il y avait un déséquilibre dans la façon dont l'air s'écoulait à l'intérieur de cette vieille machine, aussi grande que coûteuse, ce qui altérait le produit.

Mais il était impossible d'essayer différentes corrections physiques sur la machine par crainte qu'elle ne tombe en panne. « Lorsque vous mettez en route un tel engin, il vaut mieux qu'il fonctionne ou vous avez un gros problème », ajoute-t-il.

C'est pour cette raison que Thomas Lange a aidé l'entreprise à créer un modèle in silico de la machine pour étudier des solutions. La solution a permis d'identifier qu'il fallait modifier la conception d'un conduit d'air et retirer certaines pièces qui gênaient l'écoulement de l'air. « Le modèle nous a permis de tester ce que nous estimions être de bonnes idées. Il nous a permis de tester virtuellement une solution qu'il n'aurait pas été possible de tester dans la vie réelle. » ◆

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