[PDF] Modèles et méthodes pour une conception hautement productive

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N° d'ordre : 143 Année 2010

Préparée au Laboratoire Mécatronique, Modèles, Méthodes et Métiers - M3M-E.A.3318

Rue du Château - 90010 BELFORT Cedex

THESE DE DOCTORAT

Université de Technologie de Belfort-Montbéliard-UTBM École doctorale Sciences Pour l'Ingénieur et Microtechniques - SPIM

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR

SPECIALITE : MECANIQUE

Modèles et méthodes pour une conception

hautement productive orientée vers la fabrication : application à l'ingénierie routinière de pièces plastiques présentée et soutenue publiquement par

Luis TOUSSAINT

le 2 décembre 2010 devant le jury d'examen :

Président

Prof. Jean RENAUD Institut National des Sciences

Appliquées de Strasbourg

Rapporteurs

Prof. Daniel BRISSAUD

Prof. Michel ALDANONDO

Institut National Polytechnique de

Grenoble

École de Mines d'Albi Carmaux

Examinateurs Dr. Dimitris KIRITSIS École Polytechnique Fédérale de

Lausanne

Directeur de thèse

Prof. Samuel GOMES Université de Technologie de

Belfort-Montbéliard

Co-encadrants

Dr. Nadhir LEBAAL

Dr. Samuel DENIAUD

Université de Technologie de

Belfort-Montbéliard

ii "I may not have gone where I intended to go, but I think I have ended up where

I needed to be."

Douglas Adams

iii

REMERCIEMENTS

La rédaction d'une mémoire de thèse est une activité qui invite à la réflexion et au

travail solitaire, cependant, je ne serais jamais arrivé là sans le soutien d'un certain nombre de personnes.

Je tiens d'abord à remercier les rapporteurs de ma thèse, à savoir Monsieur Daniel

BRISSAUD et Monsieur Michel ALDANONDO, pour avoir accepté de rapporter mes travaux de recherche, ainsi que tous les membres du jury pour m'avoir fait l'honneur de bien vouloir évaluer les travaux de ma thèse. J'exprime toute ma gratitude à mon directeur de thèse, Monsieur Samuel GOMES, pour m'avoir accueilli au sein de son équipe, pour son support et pour son soutien quand les solutions demeuraient inaccessibles. Je remercie également mes co-encadrants de thèse, Monsieur Nadhir LEBAAL et Monsieur Samuel DENIAUD, qui ont su me guider au long de ces années de travail. J'adresse également mes remerciements à Monsieur François COTTET et Monsieur Eric GROSS, qui se sont succédés au Bureau d'Études de l'entreprise Mark IV, et qui m'ont aidé à ancrer mes travaux solidement sur le réel et le pratique. Je tiens à remercier aussi toutes les personnes chez Mark IV avec lesquelles j'ai pu travailler, Christophe, Thomas, David, Alex, Jean-Philippe, mais aussi Sylvain, Steve, Max, je ne peux pas tous vous nommer mais sachez que vous m'avez aidé infiniment, avec votre travail, votre humeur et votre disponibilité. Je n'oublierai pas toutes les personnes qui, de près ou de loin, ont permis l'aboutissement de ma thèse, principalement Fred, Pascal, Davy, Christophe, Samuel, Béatrice, Émilie, Nadhir, votre soutien moral, votre bonne humeur, ont fait que ces travaux, et surtout ces très difficiles derniers mois, passent facilement. Finalmente agradezco a aquellos que me siguieron más de cerca. Primeramente le agradezco a mis padres, su infinita confianza en mi hizo que esto fuera posible. Beto, tu presencia, a veces fácil y a veces difícil, le ha dado tono a este trabajo y aunque a gritos, no has dejado de apoyarme, creo que sin ello no hubiera podido. Carlos, te gané, con mucha dificultad llegué a esto antes que tu, y eso me hace creer que tu lo harás también, y seguirá la competencia. Finalmente, pero no sin menos importancia, Maaret, todo este trabajo hubiera sido en vano si no te hubiera tenido a mi lado. Me hiciste encontrar lo dulce en tantos tragos amargos. Muchas gracias por toda tu paciencia, por todo tu amor y por todo tu apoyo. Luis iv

A mes parents,

A mon frère

A mi vida

v

SOMMAIRE

Remerciements ......................................................................................................... iii

Sommaire v

Liste d'acronymes ..................................................................................................... vii

Introduction générale ................................................................................................. 1

Chapitre 1. Contexte et Problématique : utilisation des connaissances Produit/Process

dans un Bureau d'études .......................................................................... 5

1. Enjeux globaux .................................................................................................. 7

2. Contexte industriel spécifique Mark IV ............................................................. 11

3. Contexte scientifique ........................................................................................ 15

4. Le Projet de recherche CoDeKF ........................................................................ 19

5. Problématique, objectifs et originalités des travaux de recherche ....................... 22

6. Conclusion ....................................................................................................... 24

Chapitre 2. État de l'art ........................................................................................... 25

1. Introduction ..................................................................................................... 27

2. Les concepts d'ingénierie .................................................................................. 27

3. Conception pour la fabrication .......................................................................... 31

4. Gestion du Cycle de vie des Produits ................................................................. 42

5. Représentation et exploitation des connaissances en conception et développement

de produits ....................................................................................................... 47

6. Mise en application de démarches de KBE et optimisation lors de la conception et

développement de produits ............................................................................... 54

7. Conclusion : besoin d'une méthodologie adaptative ............................................ 61

Chapitre 3. Modèles et méthodes pour une conception à base de connaissances orientée vers la fabrication : la méthodologie FaBK (design for Fabrication Based on Knowledge) ............................................................................. 63

1. Introduction ..................................................................................................... 65

2. Principes de la méthodologie ............................................................................. 69

3. Capitalisation et connaissances dans FaBK ...................................................... 76

4. Conception avancée de produits ........................................................................ 91

5. L'importance de la rétroaction .......................................................................... 95

6. Conclusion ....................................................................................................... 96

vi Chapitre 4. Vers la définition de modèles robustes en phases préliminaires de

conception ............................................................................................. 99

1. Introduction ................................................................................................... 101

2. Conception des modèles génériques robustes et vérifiés à l'aide d'applications de

KBE ............................................................................................................... 102

3. Optimisation des modèles génériques ............................................................. 136

4. Conclusion ..................................................................................................... 156

Chapitre 5. Expérimentations en milieu industriel globales de la méthodologie FaBK

........................................................................................................... 159

1. Introduction ................................................................................................... 161

2. Application au développement d'un produit..................................................... 162

3. Application de la " vérification de la loi d'évolution » ....................................... 170

4. Application de développement et contrôle d'un cordon de soudure .................... 175

5. Résultats généraux des expérimentations ....................................................... 179

6. Conclusion ..................................................................................................... 183

Apports de la thèse, conclusion générale et perspectives ......................................... 185

1. Conclusion générale ....................................................................................... 187

2. Perspectives de recherche ............................................................................... 189

Liste des figures ..................................................................................................... 191

Liste des tableaux ................................................................................................... 195

Références bibliographiques .................................................................................... 197

1. Valorisation des travaux de thèse ................................................................... 197

2. Références externes ........................................................................................ 198

vii

LISTE D'ACRONYMES

ACSP Atelier Coopératif de Suivi de Projet

AI Intelligence Artificielle (Artificial Intelligence) BP Boîtier Papillon (ou Volet Doseur pour les moteurs diesel) CAO Conception Assistée par Ordinateur (de l'anglais CAD) CBR Raisonnement à partir de cas (Case Based Reasoning)

CdC Cahier des Charges

CE Concurrent Engineering

CFAO Conception et Fabrication Assistées par Ordinateur (de l'anglais CAM) CIFRE Conventions Industrielles de Formation par la REcherche

CoDeKF Collaborative Design and Knowledge Factory

CORE Programme de COnception par le Retour d'Expérience

CSG Constructive Solid Geometry

CYGMA CYcle de vie et Gestion des Métiers et Applications

DFX Design For X

DFM Design for Manufacturing

DFA Design for Assembly

DFE Design for Environment

DFQ Design for Quality

DFR Design for Recyclability

DFMA Design for Manufacture and Assembly

DRAMA Design RAtionale Management

DYPKM DYnamic Process for Knowledge Management

FaBK Design for Fabrication Based on Knowledge (Conception orientée vers la fabrication basée sur des connaissances)

IHM Interface Home-Machine

KM Knowledge Management

KBE Knowledge Based Engineering

MASK Méthode d'Acquisition et de Structuration des Connaissances

MKSM Methodology for Knowledge System Management

OEM Original Equipment Manufacturer

OMG Object Management Group

PLM Product Lifecycle Management

PDM Product Data Management

QOC Questions, Options and Criteria

RFQ Request For Quotation

RAS Retour Air Suralimenté

R&D Recherche et Développement

SE Systèmes Experts (Expert Systems)

SGDT Système de Gestion des Données Techniques SVD Singular Value Decomposition (Décomposition en Valeurs Singulières)

SysML System Modeling Language

UML Unified Modeling Language

XAO X Assisté par Ordinateur (de l'anglais Computer Assisted X - CAx) viii 1

INTRODUCTION GENERALE

La concurrence actuelle demande aux entreprises une réduction de leurs coûts et un renouvellement rapide de leurs produits en vue d'améliorer leur productivité. Les stratégies de Recherche et Développement (R&D) au sein des entreprises s'orientent aujourd'hui vers l'amélioration de la productivité du processus de conception et de développement des produits mécaniques. L'implication des différents acteurs métiers, dans toutes les phases de développement, devient critique pour maintenir les facteurs de

compétitivité. Ce constat est en cohérence avec la récente stratégie de gestion du cycle de

vie des produits (Product Lifecycle Management - PLM), qui propose une gestion

intégrée de l'ensemble des informations et des processus liés au produit, sur la totalité de

son cycle de vie, dans un contexte d'entreprise étendue, allant de la phase d'expression du besoin jusqu'au retrait en fin de vie de celui-ci [Stark, 2004 ; CIMdata, 2009]. Dans le contexte d'entreprise étendue actuel, les entreprises doivent faire face à des

problèmes d'organisation liés aux contraintes des acteurs métier délocalisés [Jagdev et

Browne, 1998], ainsi qu'aux réseaux d'expertise métier associés. D'autres difficultés

émergent également au niveau de l'intégration constante des évolutions des technologies de fabrication.

Des approches, qualifiées d' " ingénierie intégrée » et " concourante » (concurrent

engineering), ont émergées [Prasad et al., 1993 ; Tichkiewitch, 1994] au carrefour des approches de conception routinière [Culverhouse, 1995] et conception innovante [Deneux, 2002]. Ceci a permis l'intégration des contraintes des métiers situés en aval, au plus tôt dans les processus de conception et de développement. Dans ce contexte, les approches de Conception pour l'X (Design For X - DFX) [Baxter et al., 2008] ont su prouver leur efficacité en diminuant les temps de cycle et en améliorant la productivité en ingénierie.

Des mesures pour améliorer l'efficacité et la réactivité existent déjà au niveau de

l'industrialisation et de la fabrication des produits telles que la conception pour l'assemblage, la conception pour la fabrication ou encore la conception pour la qualité. Durant plusieurs décennies, l'automatisation des systèmes de production (fabrication / assemblage) a été un objectif majeur pour conduire à la production de masse [Bourdet et Villeneuve, 1990]. Aujourd'hui, cette stratégie touche ses limites et a conduit à des systèmes rigides, en raison de la perpétuelle demande de produits personnalisés (engineering-to-order et mass customization). Cette demande en réactivité croissante,

causée par la variabilité des produits [Agard, 2002], a donné lieu à l'évolution des

systèmes de production vers des systèmes dits " Agiles » (Agile Manufacturing). Ce

changement a apporté un degré d'automatisation de la production plus faible, mais a

l'avantage de répondre de manière plus efficace aux évolutions des produits et à la

variabilité de la demande [Kerbrat et al., 2010]. Cette agilité, obtenue au sein du département de production, est maintenant une préoccupation courante au sein du processus de conception et de développement. En effet, pour répondre aux appels d'offres (Request for Quotation - RFQ), avec des délais

Introduction générale

2 de plus en plus courts, les entreprises de l'industrie manufacturière en général et du secteur automobile en particulier se doivent d'être plus réactives dans la phase de pré-

développement. Cette agilité nécessite d'intégrer, de manière cohérente et flexible, les

métiers couvrant le cycle de vie des produits, dès les phases amont du processus de

conception et de développement, où 70% des coûts de production sont déterminés. Il est

donc essentiel de prendre en compte les contraintes de fabrication dès les premières étapes du processus de conception, d'identifier les paramètres influençant les performances du produit et son coût, puis de les évaluer de façon à obtenir un produit globalement optimal. Nos travaux de recherche se sont déroulés dans le cadre d'une bourse CIFRE (Conventions Industrielles de Formation par la REcherche) en partenariat avec l'entreprise Mark IV Systèmes Moteurs (SM). D'une part, au sein du bureau d'études de la société Mark IV SM, avec François Cottet comme responsable hiérarchique, fournisseur rang 1 des systèmes d'asservissement d'air et de fluides pour l'industrie automobile. D'autre part, au sein du laboratoire Mécatronique, Méthodes, Modèles et Métiers (M3M, E.A. 3318) de l'Université de Technologie de Belfort-Montbéliard (UTBM) et plus particulièrement au sein de l'équipe INCIS (Ingénierie Numérique avancée pour la Conception Intégrée de Systèmes mécaniques) animée par Samuel Gomes. Cette équipe travaille depuis plusieurs années sur des thématiques de recherche dans le domaine de la conception hautement productive de systèmes mécaniques, alliant la gestion des informations liées au cycle de vie des produits, intégrant une ingénierie à

base de connaissances et modélisation géométrique paramétrée et réglée [Gomes et al.,

2005 ; Monticolo et al., 2008 ; Demoly, 2010]. Ces travaux de recherche ont comme

objectif l'amélioration des processus routiniers de conception, par l'intégration des métiers tout au long du cycle de vie des produits. Ceux-ci ont conduit au développement de méthodes et d'outils (outil PLM, baptisée ACSP (Atelier Coopératif de Suivi de Projet), outil KROSSROADS, outil PEGASUS, etc.), pour expérimenter les différents concepts scientifiques proposés. Ce mémoire présente la synthèse de nos travaux de recherche, qui portent sur la conception intégrée du couple produit-process. Notre travail propose une méthodologie, expérimentée sur plusieurs cas d'application permettant la définition, la propagation et la mise en oeuvre des connaissances associées au processus de fabrication, dès les phases amont du processus de conception et de développement des produits. L'objectif est dequotesdbs_dbs35.pdfusesText_40

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