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15 Octobre 2007 – CER ENSAM de Metz

ECOLE DOCTORALE. IAEM. Lorraine. Intégration Produit / Process par les concepts d’activité et de caractéristiques clefs. Application au cas de l’allocation des tolérances. Alain ETIENNE. Pr. Patrick MARTIN MCf. Jean-Yves DANTAN MCf. Ali SIADAT. 15 Octobre 2007 – CER ENSAM de Metz.

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  1. ECOLE DOCTORALE IAEM Lorraine Intégration Produit / Process par les concepts d’activité et de caractéristiques clefs.Application au cas de l’allocation des tolérances. Alain ETIENNE Pr. Patrick MARTINMCf.Jean-Yves DANTANMCf. Ali SIADAT 15 Octobre 2007 – CER ENSAM de Metz

  2. Problématique

  3. Conception détaillée Définition complète à partir du concept retenu Qualification Vérification de l’adéquation avec le besoin spécifié Expression du besoin Conception préliminaireExploration des divers concepts de solution – Optimisation du concept retenu [CAVAILLES 1995] Solution design Parametric design Tolerancedesign [TROUSSIER 2006] Processus de conception - Situation - [CAVAILLES 1995] [NADEAU 2002] [FANCHON 1994] [AOUSSAT 1990] [AFAV 1994] [BNAE 1999] [PAHL 1996] [HUBKA 1988] [ULLMAN 2003] [FANCHON 1994] [QUARANTE 1994] [SCARAVETTI 2004] Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  4. Intégration Produit / Process- Pourquoi ? - • Minimisation du coût, • Réduction du temps de conception, • Amélioration de la qualité de fabrication, • Implication du fabricant et des contraintes de fabrication dans le processus de conception amont, • Amélioration de la communication entre les services. Tolerancedesign Objectif : Définir les tolérances limitant les variationsdes pièces et du produit, inhérentes aux processus defabrication afin de garantir les fonctionnalités de celui-ci. Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  5. Processus detolérancement Fonctions,Structure,Forme Fonctions,Structure,Forme Structure,Forme, Tolérances Estimation du Coût, fabricabilité Estimation du Coût, fabricabilité Qualitégéométrique [FENG 2000] [DANTAN 2006] Intégration Produit / Process- Comment ? - Conceptionpréliminaire Préconception duprocessus de fabrication Conceptiondétaillée Produit Macro gamme de fabrication Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  6. Problématique de thèse « Comment, de façon optimale, quantifier les bornes des domaines de validité des variations des paramètres clés Pièce/Produit afin de respecter les exigences définies par l’utilisateur tout en sélectionnant les processus de fabrication et les ressources associées dont les variations sont inhérentes ? » Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  7. Sommaire Problématique Définition de notre approche et des conceptsassociés Définition du concept de coût pondéré qualité, de caractéristiques clés, d’activités Application au cas de l’allocation des tolérances géométriques Application de notre démarche au cas de l’allocation des tolérances géométriques:Développements, exemple et résultats. Conclusions Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  8. Notre démarche Activity Based Tolerance Allocation

  9. Mécanisme complètementconnu (caractéristiques quantifiées) Contraintes (Fonctionnelles,d’assemblage,…) Ressources Spécifications àquantifier Spécifications allouéesoptimales Gamme de Fabrication Pré-Gammes Modèle du coûtpondéré qualité KC Concept d’activité Méthode et outils d’optimisation Connaissance métier Méthode et outils d’analyse des tolérances Méthode et outils de sélection du processus Démarche ABTA – Modèle simplifié Optimiser l’allocation destolérances Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  10. Optimiser l’allocation destolérances KC Concept d’activité Modèle du coûtpondéré qualité Le concept de Key Characteristics Comment Expliciter et Structurer les variations ?

  11. Caractéristique est une Caractéristique processus Caractéristique produit est une caractéristique est une caractéristique Ressource Activité de fabrication Fonctionnelle Structurelle est une caractéristique De situation Intrinsèque Caractéristiques clés- Définition - « Une caractéristique est un paramètre ou une propriété d’une ou plusieurs entités du produit, ou d’une activité du processus, ou d’une ressource qui impacte le coût, la fiabilité, la qualité du produit lorsque celle-ci varie par rapport à la cible. » [THORNTON 1999][MARGUET 2001][DANTAN 2006] Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  12. KC Flowdown Condition Flowdown Analyse fonctionnelle Horloge & Horloge & utilisateur utilisateur du produit, … poids poids FC1,2 FC1,2 FC3 FC3 FC5 FC5 Syst Syst è è me de remont me de remont é é e e Analyse foncitonnelle é é nergie nergie FS1 FS1 automatique de poids d'horloge automatique de poids d'horloge FC4 FC4 logement logement Embrayer Embrayer Tendre la courroie Tendre la courroie Identification des caract é ristiques et des KC FR 1 1 sp é cifications fonctionnelles • Conditions : • Exigences (fonctionnelle ou d’assemblage), • Tolérances, • Contraintes, • … Contraint D é finition de la structure du produit, … liminaire Precision and Conception Assembly Jeux fonctionnels, … Identification des requirement , … é pr caract é ristiques du produit KC KC PR PR 11 12 et des besoins 1 2 e é taill D é finition des formes é des pi è ces, … Dispersions dimensionnelles et d ’ orientation, Tolerance , … Identification des Conception d … caract é ristiques des pi è ces KC KC KC T T T 121 122 123 1 2 3 et de leurs tol é rances, … D é finition du processus • Caractéristiques Produit : • Durée de vie, • Déplacements (angulaire, linéaire), • Précision, • … de fabrication, … 2 2 Conception de la gamme de fabrication Manufacturing Dispersions de tolerance , … fabrication, … Identification des caract é ristiques du processus KC KC Tp Tp Cp 1211 1221 1 2 3 et de ses capabilit é s • Caractéristiques Pièce : • Dimensionnelle (diamètre, distances, angles), • Matériau, • Etat de surface, • … • Caractéristiques Processus : • Dispersions, • Vitesse d’avance ou de coupe, • … 2 Arborescences de caractéristiques Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  13. Optimiser l’allocation destolérances Modèle du coûtpondéré qualité KC Concept d’activité Le coût pondéré qualité Comment évaluer la performance d’une solution ?

  14. Comment transférer une exigence système en tolérances sur ses composants ? IT 1 ± L 2 1 IT l ± L 2 IT ± IT 2 ± L L 2 2 2 IT 3 ± L 2 l l l IT IT IT 3 3 ± 1 2 ± ± ? ? ? L L L 1 2 3 2 2 2 3 1 2 Allocation des tolérances - Principe - 1 2 KC Flowdown Condition Flowdown Assemblage 3 Pi è ce Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  15. Plusieurs expressionsmathématiques b Process1 Process2 = + i C C C ( ( ( T T T ) ) ) a Coût C(T) i K T i Process3 b i = i K T i i - × = × Tolérance k Ti b e i i ai, bi, Ki = ??? Ne pas évaluer le coût des tolérances mais le coût impacté par celles-ci. Indicateur de performance :Coût des tolérances ? [SUTHERLAND 1975] [SPOTTS 1973] [SPECKHART 1972] Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  16. C production = + + + Coût C . P ( NonConform e ) C . P ( NonAssembl able ) ... M.O. recyclage P ( Ok ) Le coût pondéré qualité- Définition - Coût indirect dû à un ensemble de pièces satisfaisantes mais non assemblables Coût de production d’un produit satisfaisant Coût indirect de retraitement Probabilité que le risque « pièce non-conforme » apparaisse Coût de retraitement des pièces non conformes Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  17. Coûts :- de Production,- de Retrait,- de Réassortiment. Probabilités : - que la pièce soit conforme, - que le produit soit assemblable, - que le produit soit fonctionnel. Le coût pondéré qualité- Besoins - Est fabriquée Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  18. Optimiser l’allocation destolérances KC Concept d’activité Modèle du coûtpondéré qualité Evaluation de la performance Quelles sont les étapes de ce processus d’évaluation ?

  19. Analyse Ascendante Synthèse descendante P(assemblable)P(fonctionnel) Coût Quantification P(conforme) Propagationet vérification Sélection / génération Dispersions de fabrication, … Gammes A1 A1 A1 A1 A2 A2 A2 A2 A3 A3 A3 A3 KC1211 KC1221 Ai Ai Ai Ai Identification Quantification Intégration au concept de KC CMOCRetrait CProduction Exigences d’assemblage, … Jeu fonctionnel, … KC12 PR1 PR2 Assemblage Dispersions dimensionnelles et d’orientation, … Pièce Tolérances, … KC121 KC122 KC123 T1 T2 T3 Fabrication Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  20. Optimiser l’allocation destolérances KC Concept d’activité Modèle du coûtpondéré qualité Le concept d’activité Quel est le support de ce processus d’évaluation ?

  21. Identification et propagation des variations Sélection / génération du processus de fabrication Evaluer la performance d'une solution Activités Objectifs => Montrer le rôle clef des activités dans notre démarche (le support commun de ses trois étapes majeures) => Expliciter leurs comportements informatiques Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  22. Consomment Consomment Produits Activités Ressources Inducteur d’activité Inducteur de ressources Inducteurde coût Activity Based Costing (ABC) [MEVELLEC 1993] CONSOMMATION ESTIMATION DU COÛT Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  23. Génère OccurrencePerformance ESTIMATION DU COÛT C Production C C P ( NonAssembl able ) MO Recyclage ESTIMATION DES DISPERSIONS P ( Ok ) P ( NonConform e ) ABTA – Enrichissements de l’ABC  Estimation des coûts  Analyse des variations  Sélection du Processus Activités Consomment Consomment Produits Ressources Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  24. Exigences Probabilités Produit final Brut Gamme Exigences, Spécifications Coût Variations et Probabilités Ressources Produit sortant Activité Produit entrant Produitfinal Brut Activité Activité Activité Coût Ressources Activités dans le formalisme ABTA Plusieurs types d’activités : • Production, • Contrôle de Conformité, • Assemblage, • Retrait, • Logistique, • … Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  25. - Exemple - Spécification sur diamètre Exigences, Spécifications Caractéristiques Probabilités de respect des exigences et des spécifications Dispersions d’usinage Capabilité Activité d’usinage :Perçage Activité de production 2.82€ Coûts Foret25Machine41Posage géométrique Ressources Activité de Production Produit / Pièce à l’état j Produit / Pièce à l’état j + 1 Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  26. Spécificationde perpendicularitéIT=0.05 Spécificationdimensionnelle10±0.02 Activité decontrôle de conformitélocalisation Activité deretrait P(respect estimé)=0.66 P(respect estimé)=1 Occur. = 15% 2 2 14 14 MO MO MO MO Convoyeur Convoyeur Outils de mesure Outils de mesure Processus de fabrication- Extrait - 2P1b-2P2b-2P4b 2P1b-2P2b-2P4b Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  27. Application dédiée à l’allocation des tolérances géométriques Du concept au logiciel

  28. Allocation des tolérances géométriques • Hypothèses : • Allocation des tolérances géométriques, • Non prise en compte des outils spécifiques, • Produits de morphologie hétérogène, • Procédé limité à l’usinage, • Volonté de ne pas générer de gammes, • Objectifs : • Valider et implémenter les deux étapes de l’ABTA dans le cas de l’usinage (Analyse et Synthèse). Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  29. Approche par analyse des graphes Propagationpar contrainte Approche par domaines Approche algorithmique Analyse des variations Sélection du processus Activités Calcul du coût SystèmeExpert Approche par les l Coût pondéré qualité Méthode ABC Coût paramétriques Bilan : le rôle clef des activités Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  30. M M  t2 A Les entrées Plusieurs spécifications géométriques à quantifier (localisation, dimensionnelles,…) Optimiser l’allocation destolérances Une ou plusieurs prégammes, proposées par un gammiste Sous phase 10: Posage sur 2P1b, 2P2b, 2P4b Réaliser 2P3, 2T1 et 2T2 Machine 3Axes Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  31. Les contrôles Ressources (outil et machine) et leurs lois statistiques de dispersion associées Mécanisme complètement connuProduit simple et hyperstatique Plusieurs exigences fonctionnelles et de montabilité.Exemple : Battement angulaire du bras de robot (notée FR1) Optimiser l’allocation destolérances Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  32. outil compatibilité entitégéométrique machine opération Les supports Optimiser l’allocation destolérances L’analyse des variations repose sur le couple approche par l / simulation de MonteCarlo La méthode d’optimisation retenue repose sur un algorithme génétique, où un gène = une tolérance Connaissances métier capitalisées, modélisant les habitudes de l’entreprise et des gammistes. + + Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  33. Formalisation des données & Connaissances métier Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  34. Outil d’analyse de performance- Maquette logicielle - Définition des besoins fonctionnels Définition des ressources, Cartes de Visite Paramètres des activités Affichage de la gamme résultante Décomposition des posages géométriques Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  35. Outil d’analyse de performance- Résultats - • Moins de 30 secondes pour évaluer le coût d’une allocation de tolérances et sélectionner les gammes associées (3) à partir d’une pré-gamme Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  36. Gestion des ressources Gestion des connaissances Optimisation des tolérances Outil d’optimisation- Maquette logicielle - Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  37. Outil d’optimisation- Résultats - Adaptation moyenne Adaptation de l’individule plus adapté Coût pondéré Itérations de l’algorithme génétique Itérations de l’algorithme génétique Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  38. - Outils retenus Monte Carlo l Analyse du produit Coût pondéré Estimation duCoût Sélection duProcessus Algorithme / PPC Algorithme génétique Optimisation de l’allocation des tolérances € Méthode AnalyseFonctionnelle technique Définition des spécifications etdes pré-gamme(s) Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  39. Conclusions Bilan et Travaux futurs

  40. Caractéristiques Exigences Tolérances KC Flowdown Connaissances Activités Process KC Flowdown Connaissances Ordonnées dansun processus Dispersions Coût [GAMA 1990] Bilan conceptuel Produit Ressources Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  41. Bilan de l’approche ABTA • Approche de quantification de certains paramètres de conception (tolérances) en explorant l’espace de solutions du processus de fabrication, • Recherche du compromis qualité / coût, • Intégration facilitée des outils de conception (du produit et du processus) dans la démarche par les activités, • Implémentation et validation sur un cas d’étude, Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  42. Limites • De l’approche : • Sa robustesse n’a pas été validée ni évaluée, • Sa validation est limitée au cas de l’usinage • Sa grande sensibilité aux données et connaissances capitalisées, • Le risque de l’explosion combinatoire, • De l’outil : • Nombreuses limitations dues à la programmation et aux choix techniques opérés. Ces limites peuvent être surpassées. Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  43. Perspectives- Amélioration de l’outil - • Fusionner les deux maquettes de validation et terminer la programmation modulaire de l’approche, • Mettre à disposition de la communauté un outil facilement adaptable • Effectuer une génération de la gamme de fabrication, • Supprimer la description des pré-gammes • Proposer l’opérabilité de l’outil avec des logiciels métiers (Delmia, SmartTeam, outils de simulation, d’analyse des tolérances 3D…) • Enrichir les types de relations de causalités entre les caractéristiques Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  44. Perspectives- Amélioration de la démarche - • Améliorer la portée de l’approche : Tolerancedesign Usinage Parametric design ProcessControlDesign Fonderie Forge ElectroniqueOptique … • Intégrer l’approche dans une démarche d’optimisation multi-objectifs (MDO) Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

  45. Des questions ? Merci pour votre attention ! Publications associées à la thèse :5(+1) articles dont 2(+1) dans des revues internationales avec comitéde relecture (CII, JMS, IJPR) Présentations associées à la thèse :4 conférences effectuées dont 2 internationales (CIRP ICME et CAT) Soutenance de thèse de Doctorat - Lundi 15 Octobre 2007 - Alain ETIENNE

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