REDUIRE LE RISQUE EN CONCEPTION PAR L'UTILISATION DU PROTOTYPAGE RAPIDE

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1 REDUIRE LE RISQUE EN CONCEPTION PAR L'UTILISATION DU PROTOTYPAGE RAPIDE François PERES Laboratoire Productique-Logistique Ecole Centrale Paris Grande Voie des Vignes Châtenay-Malabry Cedex- France Tél. : (+33) Fax : (+33) peres@pl.ecp.fr Emmanuel CAILLAUD Centre Génie Industriel Ecole des Mines d'albi-carmaux Campus Jarlard - Route de Teillet Albi CT Cedex 09 - FRANCE Tél. : (+33) Fax : (+33) caillaud@enstimac.fr Résumé Ce papier est une contribution à l'identification et à la classification des risques évités par l'utilisation des techniques de prototypage rapide très tôt dans le cycle de développement d'un produit. Alors que dans la littérature le prototypage rapide n'est considéré que de manière globale, une originalité de ce papier est la différenciation qui est faite entre les technologies. Décrites séparément avec des critères objectifs elles sont comparées sous l'angle de la sûreté de fonctionnement par la nature des risques qu'elles éliminent dans la maîtrise et le développement de l'innovation. L'article est divisé en 3 parties. Nous faisons dans un premier temps un état de l'art des méthodes de management du risque en développement de produit : quels sont les risques?, comment les prévenir?. Nous abordons ensuite les techniques majeures de prototypage rapide, présentées sous l'angle technique mais aussi selon leur place dans l'ordre chronologique de déroulement des activités du processus de conception. Nous développons alors une approche destinée à mettre en évidence les risques susceptibles d'être éliminés par l'utilisation du prototypage rapide. Chacune des technologies est enfin évaluéee dans sa capacité à réduire les risques précédemment cités. Mots clés sûreté de fonctionnement, conception, innovation, prototypage rapide, gestion du risque Introduction L ère moderne qui décline le triptyque coût qualité délai comme le seul champ de réflexion potentiellement générateur de plus de compétitivité conduit les entreprises à baser le produit au cœur de leur stratégie de développement. Dans des conditions économiques souvent difficiles l industrie doit donc mettre en œuvre des produits capables de répondre aux impératifs d un marché fluctuant et exigent. Les conséquences sont évidentes et se traduisent en un besoin de réactivité accrue pour une mise sur le marché rapide d un produit répondant à l attente du client et s intégrant dans une norme législative en vigueur également très contraignante. Pour nombre de secteurs industriels ne pas intégrer ces aspects

2 c est s exposer à un déclin immédiat et quelquefois irréversible. A l'inverse, accepter de relever le défi n'est pas sans risque. Le danger est grand en effet de voir une des trois composantes de la compétitivité s'améliorer au dépend des deux autres. Dans ce contexte, le prototypage rapide apparaît comme un élément de réponse permettant d accroître la capacité de l entreprise à : innover (par l exploration de multiples alternatives de conception autorisant une plus grande créativité et une amplification de la diversité) réduire son temps de développement (par l implication très tôt dans le processus de conception de l ensemble des acteurs du développement évitant ainsi les problèmes aux interfaces traditionnellement rencontrés dans l ingénierie séquentielle). Le management du risque L'étude menée auprès de bureaux d'études d'industriels britanniques par le Design Information Group de l'université de Bristol [3] a souligné le besoin d'aide à la maîtrise des risques en conception. Les types de risques pris en compte sont d une part les risques de dépassement de coût et de délai et d autre part les risques de divergence entre système conçu et spécifications de conception. La volonté de diminuer au plus tôt les risques de conception pour l'ensemble du cycle du produit rejoint les préoccupations de la conception simultanée visant à intégrer concurremment dans la réflexion de départ les spécifications du besoin du client, la définition du produit, des procédés et des outillages associés, la fabrication, le conditionnement, la distribution, l utilisation du produit, sa maintenance et son démantèlement. Quels risques? D'après [5], [9], différents risques doivent être considérés en conception. Ces risques sont liés à des erreurs possibles dans la prise en compte : 1. Des spécifications du produit : les directives du cahier des charges ne répondent pas aux attentes du client. 2. Du mode de réalisation : la solution proposée ne respecte pas les spécifications en terme d architecture ou de qualité. 3. Du délai d obtention : les problèmes de développement imposent une remise en cause des décisions précédentes impliquant des itérations non programmées. 4. Des ressources de développement : les moyens nécessaires (conception, fabrication, logistique, etc.) ne sont pas disponibles quand ils devraient l être. 5. De l approvisionnement en composants : les matières premières ou les pièces achetées ne sont pas disponibles alors qu'elles sont attendues. 6. Du milieu de réalisation ou d utilisation : le produit, ses composants, le procédé affectent l'environnement (toxicité/interdiction). 7. Du contexte économique : le marché ne permet pas à l entreprise de rentabiliser son produit. Nous considérons ici les trois premiers types de risques. Les risques pris en compte (1, 2 et 3) peuvent être gérés par une évaluation a priori du produit et du procédé. Pour cela les formes d évitement des risques doivent être étudiées afin d identifier des actions concrètes à mener allant dans le sens de la diminution des risques (en terme d élimination ou de réduction de l intensité).

3 Comment éviter les risques? Pour éviter l'apparition des risques en conception ou pour limiter leurs effets, différentes solutions existent. L'utilisation d'une méthodologie de conception et/ou de management des risques impose de suivre un processus précis [2]. Des approches basées sur les connaissances manipulées lors du processus de conception et d'industrialisation du produit permettent de concevoir en limitant les itérations entre les différentes étapes du processus. Des simulations numériques peuvent permettre de valider certaines caractéristiques du produit ainsi que des procédés de productions associés. Enfin, le prototypage (rapide) permet de cristalliser les résultats de la réflexion et d offrir un support matériel autorisant la visualisation et la manipulation d une version primaire de l objet à concevoir. Cet objet peut alors servir de base à une discussion entre acteurs concernés par le produit mais aussi être utilisé comme modèle pour valider des préséries par la réalisation rapide d outillage (moules). Méthodologies de conception et de management des risques Plusieurs approches de conception comme par exemple [4] tentent de rationaliser le développement du produit. Bien que propices à l intégration des aspects de risque ces travaux ne se positionnent pas vraiment par rapport cette notion. Ils doivent donc être complétées par d autres méthodologies de management du risque en projet. Les approches complémentaires sont soit quantitatives et se basent sur des méthodes statistiques ou de simulation soit qualitatives et s appuient dans ce cas sur des grilles d'analyse ou des "check-lists". Ces méthodologies de gestion des risques contribuent à capitaliser l'expérience sur les projets et reposent sur les compétences des acteurs. Peu de travaux existent sur le management des risques en conception si ce n'est les travaux de l'université de Bristol. Les travaux réalisés développent particulièrement la voie de la gestion des données [6]. D'autres voies sont à explorer : les systèmes à base de connaissances, la simulation numérique et le prototypage physique. Le prototypage rapide Les enjeux Le prototypage rapide regroupe l ensemble des techniques autorisant la réalisation de produits en un temps très court. Les validations déduites des prototypes et mettant en jeu l ensemble de l équipe projet permettent de localiser très tôt les erreurs et d en limiter les conséquences (essentiellement économiques) liées à des dérives temporelles ou à des pertes de pièces. Le prototypage permet ainsi une validation à deux niveaux : par rapport au produit : validation conceptuelle ; validation esthétique, de géométrie ou d aspect ; validation fonctionnelle ; validation mécanique, thermique ; par rapport au mode d obtention : validation de l outillage ; validation du procédé ; validation de la cadence de fabrication. Au regard des marges bénéficiaires, les budgets mis en jeu sur certains projets innovants sont énormes et les risques technologiques et donc financiers pris par l entreprise pour garder ou conquérir une part de marché la mettent en situation périlleuse. Les technologies Une typologie des procédés a été proposée par [1] qui suggère 3 modes de classification des technologies de prototypage rapide :

4 1. classification suivant le traitement de la matière qui peut donc être additif, soustractif voire hybride dans certains cas, 2. classification selon la forme du matériau initial solide (feuilles et strates (2D), fil (1D) poudre (0D)) ou liquide, 3. classification en fonction des différents changements d état que subit la matière (fusion, collage, polymérisation, extrusion, empilage). Dans le cadre de ce travail nous ne considérons que les technologies majeures inscrites dans le domaine du prototypage rapide. Nous les décrivons très brièvement à la suite et renvoyons le lecteur aux références citées pour plus d information sur le sujet en particulier [7] et [8]. chaleur fait fondre le film qui colle la feuille de papier. Un laser découpe le contour correspondant à la section considérée à une profondeur égale à la hauteur de couche. La pièce finale à une texture proche de celle du bois. Frittage de poudre : Un laser thermique est utilisé pour fondre une poudre mélangée à un liant. Sur le trajet du laser, la poudre est amenée à une température légèrement supérieure à son point de fusion et agglomérée par refroidissement. Un traitement thermique peut être utile pour améliorer les propriétés physiques des pièces et réduire la porosité. La nature des matériaux de constitution du prototype dépend du type de poudre utilisée. Selon les cas, cette poudre peut être plastique, céramique ou métallique. Impression 3D : Cette technique est très similaire au Stéréolithographie : Sous l action d un laser, une résine liquide photosensible est solidifiée par une transformation chimique. Le faisceau de lumière émis par le laser est projeté à la surface de la résine par un jeu de miroirs dynamiques. Le mouvement de ces miroirs, pilotés par un ordinateur interprétant les données fournies par le logiciel de CAO fait parcourir au faisceau une trajectoire correspondant à une section de pièce considérée. Sur son passage, le laser polymérise la résine et seule la région balayée reste solidifiée. Après réalisation d une section, la plate-forme supportant l objet en cours de fabrication descend dans la cuve de résine d une hauteur correspondant à l épaisseur de la section. L empilement des couches permet d obtenir une pièce tridimensionnelle. LOM : La technologie LOM (Laminated Object Manufacturing) n utilise pas le changement d état des matériaux. Des feuilles sont découpées, empilées et collées. Selon les techniques utilisées, le découpage peut être la dernière opération. Une feuille de papier mince, recouverte d un film de polypropylène, est déposé sur la section précédente et comprimée à haute température. La frittage de poudre tel que nous venons de le décrire. Le principe de réalisation est basé sur l agglomération de poudre après déposition de gouttelettes de liant sur l ensemble des points d une même section. Une fois terminée, la pièce est plus volumineuse que ce qu elle devrait être pour compenser les phénomènes de rétrécissement provoqués par le traitement postérieur. L impression 3D est quelquefois utilisée pour la réalisation de moules en céramiques et aujourd hui certaines techniques permettent la réalisation de pièces métalliques. Dépôt de fil en fusion : Ce procédé qui a été développé en 1988 utilise le mouvement d une machine 3 axes pour déposer un fil en fusion sur la pièce en cours de fabrication. La solidification est instantanée quand le fil entre en contact avec la section précédente. Les matériaux utilisés pour le fil sont la cire, le nylon, le polypropylène, l ABS, Ce procédé est relativement rapide et peu cher. Stratoconception : D une grande simplicité à mettre en œuvre, cette technologie ne requiert pas de machine spécifique. Plusieurs sections sont découpées dans une

5 plaque par l intermédiaire de techniques maintenant classiques comme le découpage jet d eau, la découpe laser ou même le fraisage. L assemblage est réalisé par collage, fusion ou juste centrage. Pratiquement tous les matériaux solides peuvent être utilisés pour faire de la stratoconception. En outre, les machines conventionnelles s avérant suffisantes pour l obtention des découpes, des prototypes de grandes dimensions peuvent être réalisés. Enlèvement de matière : Les techniques présentées jusqu à présent sont toutes basées sur le principe d ajout de matière. Ce sont les méthodes les plus fréquemment utilisées pour la réalisation dans une période brève de prototypes complexes. Sans les décrire, il nous semble important de rappeler qu une autre façon de réaliser rapidement des produits prototypes peut être basée sur des techniques d enlèvement de matière. Les techniques telles que l usinage grande vitesse ou l électroérosion sont aujourd hui également très développées dans l industrie à ces fins. Le risque en conception Risques et prototypage rapide Schématiquement une action de conception peut être regardée comme un enchaînement d étapes conduisant d une idée à un produit. Cette logique de succession est représentée Figure 1. Idée Marketing Conception Identification du Besoin Définition du Produit Industrialisati Sélection Procédé/ Processus Production Réalisation du Produit Commercialis Distribution d un Service Produit Figure 1 : Logique de développement de produit Les 5 étapes : marketing, conception, industrialisation, production, distribution débouchent sur des résultats intermédiaires après évaluation d un ensemble d alternatives. Chacune de ces phases s inscrit dans un cadre dont les contours sont normalement définis par les aspects économiques techniques et de temps. Le risque en conception peut se traduire par la probabilité de sortir de ce cadre ou de voir ces cadres mal communiquer entre eux déplaçant ainsi le risque aux interfaces. L exemple type correspond au cas où le produit spécifié ne peut être fabriqué par l entreprise faute de moyens ou de compétences pour le faire. La communication entre les étapes ne se limite pas nécessairement aux interfaces directs reliant 2 phases consécutives. Une action de développement implique des liaisons multiples non ordonnées entre les différentes étapes. Malgré tout, la mise à plat du processus met en évidence une succession d itérations impliquant une ou plusieurs étapes du développement. Le phénomène d itération apparaît lorsqu une étape aval invalide les résultats d une étape antérieure. On conçoit aisément que le prototypage apparaît alors comme un vecteur de communication permettant de limiter les risques de retour arrière. Influence du prototypage rapide Les effets des risques induits peuvent être absorbés par le développeur ou transférés vers le consommateur. Dans le premier cas de figure la non-qualité technique est à l origine de la remise en cause celle-ci étant jugée non supportable par le client. Le prototypage joue un rôle de réduction de cette non-qualité. Sur la base du principe qu une solution est d autant plus facile à évaluer qu elle est clairement exprimée, le prototypage a une influence non triviale dans la limitation des boucles de conception, consommatrices de temps et d argent. Les risques susceptibles d être réduits sinon éliminés par le prototypage rapide sont :

6 R 1 : Risque de perte de marché par une absence de réactivité relativement aux fluctuations des besoins R 2 : Risque de faible pénétration du produit sur le marché par une absence de créativité et d innovation R 3 : Risque de médiocre communication entre clients et fournisseurs (internes ou externes) R 4 : Risque de mauvaise intégration du produit dans son environnement R 5 : Risque de retours arrières intempestifs provoqués par des contraintes avales non intégrées au départ R 6 : Risque de non optimalité dans l adaptation du produit à son contexte d utilisation (ergonomie) R 7 : Risque de coûts ou délais prohibitifs dans la réalisation des outillages R 8 : Risque de non conformité du produit due à des tests effectués sur des matériaux différents de celui du produit final Le Tableau 1 représenté ci-contre positionne les zones d influence du prototypage rapide. Le code couleur adopté correspond aux degrés de possibilité d élimination du risque considéré par la ressource correspondante : R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 Aucune possibilité Possibilité forte Possibilité faible Possibilité sûre P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 STE LOM LS 3DP SGS FDM STR HSM Tableau 1 : Influence des technologies sur la réduction du risque Conclusion L objectif de ce papier était de mettre en évidence l influence du prototypage rapide sur la réduction du risque en conception. Les notions de management des risques dans la littérature ont été brièvement passées en ont ensuite été décrites. Dans un troisième temps, les risques potentiellement réductibles par l emploi de ces techniques ont été identifiés. Enfin, l influence particulière de chaque technologie sur ces risques a été établie. De cette dernière matrice, il apparaît clairement que les technologies diffèrent et ne permettent pas d agir uniformément sur tous les risques. Une habile sélection ou association des ressources permettra au concepteur de limiter les risques les plus significatifs en terme de probabilité d occurrence ou de gravité dans le problème auquel il est confronté et qu il se doit de résoudre. Références [1] : A. Bernard, G. Taillandier, «Le prototypage rapide», Editions Hermès, Paris, 1998 [2] : Caillaud E. and Duprieu B., «Which knowledge must be capitalized to manage design risk?», ICED'99, Munich, août [3] : Crossland R., McMahon C. A., Sims Williams J. H., «Survey of current practice in managing design risk», rapport interne, Université de Bristol, april [4] : Grabowski H., Lossack R.-S., El Mejbri E.-F., «Towards a universal design theory», International CIRP Design Seminar, Enschede (NL), mars, pp , Kluwer, [5] : Larson N. and Kusiak A., «Managing Design Processes: a risk Assessment approach», IEEE transactions on SMC, Part. A, Vol. 26, n 6, nov [6] : McMahon C. A., «Engineering design: management of information and uncertainty», IDMME'98, Primeca/CIRP, pp. 3-18, Compiègne, mai, ISBN , [7] : Merz R. «Shape deposition manufacturing», Proceedings of the solid freeform fabrication symposium, University of Texas, Austin, p 1-8, 1994 [8] : Pérès F. and Martin C., «Design methods applied to the selection of a rapid prototyping resource», ETFA 99, IEEE Proceedings, Vol.2, pp , Barcelona, oct [9] : Sarbacker, S. D. and Ishii K., «Application of a framework for evaluating risk in innovative product development», International Journal of Agile Manufacturing, Vol. 1, n 2, pp , revue. Les principales technologies de prototypage rapide