Thème 10 : Développer un concept et une architecture technique de produit Serghei Floricel et Eduardo Miranda Si vous réfléchissez encore à un moyen technique pour réaliser un produit qui fonctionne et vous permettra d atteindre tous vos objectifs commerciaux, nous vous proposons une procédure de développer un concept technique de produit. Un concept technique est une description des principes de fonctionnement, des technologies et de la forme d un produit. La procédure proposée passe par quelques étapes: 1. développez des spécifications techniques cibles ; 2. créez un schéma fonctionnel du futur produit ; 3. identifiez des solutions alternatives pour chaque fonction et analysez leur compatibilité; 4. explorez les architectures techniques possibles ; 5. choisissez le meilleur concept technique global. Ces étapes sont décrites en détail ci-dessous : 1. Développez des spécifications techniques cibles. Les spécifications techniques cibles sont la traduction des objectifs du projet dans un langage technique précis. Par exemple, si vous développez une voiture électrique et votre objectif est de lui assurer une autonomie qui lui permettra de se démarquer des compétiteurs, vous pouvez vous fixer l objectif suivant : Distance minimale parcourue entre les recharges : 300 km. Avec une telle formulation, l objectif est clair ; il permet aux «ingénieurs» de comprendre ce que les «stratèges» veulent et permet à tout le monde de vérifier si les objectifs seront atteints. Les spécifications sont de trois types : Fonctions (ou fonctionnalités) : définissent ce que le produit doit réaliser (par exemple la fonction principale de l automobile électrique est de permettre le transport terrestre de passagers ; une autre fonction cible importante pourrait être de permettre la recharge à partir d une prise de courant normale) Performances : définissent de façon quantitative le degré auquel le produit remplit une fonction ; on peut fixer une ou plusieurs spécifications de performance pour chaque fonction (la distance mentionnée ci-dessous est un exemple de spécification de performance
pour la fonction principale de l automobile ; la durée maximale pour une recharge complète de l automobile est un autre exemple) Interfaces : définissent les paramètres de l interaction entre le produit et d autres systèmes techniques (par exemple les dimensions physiques de la connexion au système électrique et le type de courant électrique qui peut être utilisé pour recharger l automobile électrique) Les spécifications sont établies en fonction des besoins des parties prenantes (utilisateurs et d autres intervenants dans le cycle de vie du produit), des priorités stratégiques de l entreprise, des produits concurrents ou substituts, des normes réglementaires, etc. Même pour les produits les plus simples on peut se donner un nombre très grand de spécifications. Le nombre et le niveau de détail des spécifications dépendent du savoir que vous possédez et du degré de liberté que vous voulez laisser aux «ingénieurs». 2. Créez un schéma fonctionnel du futur produit. Les spécifications techniques cibles créent un problème technique multidimensionnel : comment atteindre toutes les spécifications à l aide du même produit. La meilleure façon de résoudre un tel problème est de le diviser en plusieurs sous-problèmes plus simples qu on peut résoudre séparément. Une méthode qui permet cette division en sous-problèmes est l analyse fonctionnelle, qui représente le futur produit sous forme d un ensemble de fonctions. Les fonctions sont en général représentées par une expression qui inclut un verbe suivi d un complément direct (un objet qui subit l action décrite par le verbe). En plus des fonctions mentionnées lors de la discussion des spécifications, qui sont des fonctions «visibles», que le produit réalise pour les utilisateurs, un schéma fonctionnel inclut des fonctions «internes» qui contribuent à la réalisation des fonctions visibles ainsi qu une série de flux (d énergie, d information, et de matières) qui relient ces fonctions. La Figure 10.1 décrit un schéma fonctionnel simple pour l automobile. La fonction fournir de l énergie est un exemple de fonction interne. Le secret d une bonne analyse fonctionnelle, qui ne limitera pas la créativité de l équipe, est de décrire la fonction d une manière qui ne suppose pas déjà la solution technique qui permet de l atteindre. Il n y a pas de procédure miracle, cela reste un art!
3. Identifiez des solutions alternatives pour chaque fonction et analysez leur compatibilité. Réaliser chaque fonction devient maintenant un sous-problème technique qu on peut tenter de résoudre séparément. Il s agit d abord de trouver ou d imaginer des solutions techniques alternatives pour chaque fonction. Par exemple, la fonction «fournir énergie» de l automobile électrique peut être réalisée par une batterie électrique qui emmagasine l électricité à l aide d un processus chimique. Présentement les solutions sont des batteries au plomb-acide (submergées ou recombinantes), au nickelcadmium, au nickel métal hydride, au lithium-ion, lithium-polymère etc. On peut bien sûr imaginer d autres types de batteries ou chercher d autres solutions pour le stockage de l énergie électrique (ex. au niveau mécanique ou subatomique). Plus encore, on peut décider qu au lieu d alimenter l automobile en énergie électrique on peut l alimenter, mettons, en hydrogène qui sera utilisé dans des piles à combustible (fuel cells), ce qui élargira davantage l étendue des solutions envisageables. En général, une des fonctions est critique, elle constitue le goulot d étranglement pour tout le système et concentre toutes les recherches faites pour la classe correspondante de produits. Pour les automobiles électriques, les batteries sont cet élément critique, car elles limitent l autonomie de déplacement et
augmentent les coûts, le temps de recharge etc. Toutefois, il est utile de chercher des solutions alternatives pour toutes les fonctions, pas seulement pour les fonctions critiques. Les recherche de solutions peut inclure une revue de la littérature technique et des brevets, des bases de connaissance internes et externes, des rencontres avec des chercheurs des laboratoires universitaires et publics, des catalogues et des représentants des fournisseurs et sous-traitants et même sur des firmes spécialisées en développement de solutions techniques. Elle peut aussi compter sur des séances de brainstorming internes. Après l identification de plusieurs solutions pour chaque fonction on obtient une multitude de combinaisons possibles. Chaque ensemble possible de solutions techniques pour toutes les fonctions représente un concept technique alternatif pour le produit. Toutefois, certaines solutions techniques aux différents sous problèmes ne fonctionnent pas bien ensemble. Cette incompatibilité est une première façon d éliminer certaines des combinaisons possibles. 4. Explorez les architectures techniques possibles L architecture de produit est le schéma qui (i) montre la correspondance entre les fonctions d un produit et ses parties physiques ou logiques (sous-ensembles, modules, éléments) et (ii) décrit interaction entre ces parties. Par exemple la partie de l automobile appelée châssis-coque est impliquée dans la fonction d assurer l intégrité structurelle de l automobile (tous les éléments sont plus ou moins rattachés à lui) et dans la fonction d assurer la sécurité des passagers (en participant à la création d un espace fermé qui les protège). Élaborer une architecture est la première étape de transformation de l ensemble de solutions théoriques pour chaque fonction dans un objet technique concret. Cette étape comporte plusieurs difficultés, notamment à cause des interactions multiples et complexes entre les parties de cet objet technique. Par exemple, le moteur d une automobile, ne fait pas que produire une énergie mécanique qui permet le déplacement mais produit aussi une chaleur et des vibrations, qui peuvent nuire ou aider à la fonction d assurer le confort des passagers. Les architectures peuvent être catégorisées comme intégrées ou modulaires. Dans une architecture intégrée il n y a pas de correspondance claire entre fonctions et parties. L automobile a une architecture plutôt intégrée, comme on peut le voir avec l exemple du châssis qui, en plus des deux fonctions mentionnées ci-dessus, joue un rôle non négligeable dans le niveau de performance atteint pour les fonctions de propulsion, changement de direction etc. Dans une architecture intégrée, chaque décision de conception qu on prend sur une partie affecte, directement ou indirectement, des décisions de conception sur d autres parties. Par exemple, même si en apparence le même châssis-coque peut être utilisé avec plusieurs modèles de moteurs, transmission ou carrosserie, pour atteindre un haut niveau de performance de l automobile, ces autres éléments doivent être conçus pour travailler de concert avec le châssis-coque en question ou en respectant des
paramètres préétablis très stricts. Une architecture est appelée modulaire si la correspondance entre fonctions et parties est claire, idéalement chaque fonction est réalisée par une seule partie et uniquement par cette partie. Par conséquent, la conception de chaque partie est (presque) indépendante et se base sur une série de règles qui définissent clairement les interactions et les interfaces entre les parties. Les décisions architecturales ont plusieurs conséquences importantes. En général une architecture intégrée favorise la performance du produit tandis qu une architecture modulaire favorise la diversité et les changements dans la ligne de produit. Avec une architecture fortement modulaire, les décisions de conception peuvent être déléguées à plusieurs équipes qui travaillent de façon autonome, tandis qu avec une architecture intégrée nécessite une forte coordination, ce qui empêche la délégation. L adoption d une architecture modulaire est favorisée par l accumulation du savoir concernant les interactions principales et secondaires entre les parties qui contribuent à réaliser une fonction ainsi que par l absence d exigences de performance ou contraintes très sévères. Les ordinateurs personnels de bureau et la plupart des logiciels sont en général très modulaires. Certains producteurs d ordinateurs offrent une gamme très large de modèles en combinant plusieurs variantes pour les modules qui remplissent pour chaque fonction (microprocesseurs, écrans, mémoires, carte vidéo, système d opération etc.). De cette manière, ces producteurs peuvent presque offrir un modèle individualisé selon les demandes de chaque client. Opter pour une architecture plus modulaire, même pour les produits pour lesquels il est difficile de décortiquer les interactions, permet le développement des plateformes. Un exemple de plateforme pour automobiles est la plateforme de châssis-coque C1 conçue conjointement par les ingénieurs de Ford, Mazda et Volvo et utilisée pour les modèles suivants: Ford Focus C-Max, Mazda3, Volvo S40, Volvo V50, Mazda5, Volvo C70 and Volvo C30. Une telle plateforme permet d obtenir des économies d échelle dans la conception et la fabrication ainsi qu un meilleur apprentissage sur plusieurs générations. Mais, en même temps, elle réduit la performance de certains de ces modèles d automobiles par rapport à une architecture intégrée, à cause des compromis faits pour assurer la forme commune de la plateforme. Les décisions architecturales affectent tout le cycle de vie du produit, de la conception au débarras. Durant la conception, elles influencent les solutions techniques pour chaque fonction, la réutilisation, la standardisation et l amélioration des composantes, les frontières entre sous-ensembles, la gamme d options ou modèles offerts, etc. Durant la conception du processus de production, l architecture affecte les séquences d assemblage, la réutilisation des équipements et du savoir, la flexibilité de fabrication. Pour la phase de production, l architecture affecte la localisation de la fabrication, les possibilités de sous-traitance (incluant celle de la conception), les façons de remplir les commandes des clients et d atténuer les variations de la
demande. Durant l utilisation, l architecture affecte les procédés d entretien, réparation, mise à jour et modification du produit ainsi que la façon d en disposer. 5. Choisissez un concept technique et une architecture. Les choix de concept technique doivent se faire en fonction de leur capacité à atteindre les spécifications techniques cibles et, ensuite, en fonction des priorités stratégiques et organisationnelles de la compagnie. Les choix de type d architecture sont limités par le niveau de savoir sur les interactions entre les parties de l appareil et sur la façon dont elles travaillent ensemble pour réaliser les fonctions du produit. Ces choix sont très différents dans les différentes joutes d innovation. Par exemple, dans le secteur des télécoms, qui fait partie de la joute des «navigateurs d architecture», les choix sur les principes de réalisation des fonctions ainsi que sur les interfaces sont basés sus des standards élaborés par des associations industrielles. Les architectures techniques sont semblables à des gâteaux surdimensionnées, avec sept ou huit couches modulaires, du niveau de l infrastructure hardware jusqu au niveau des applications software pour les clients. La compétition entre compagnies porte souvent sur les niveaux et les fonctions à réaliser et sur la façon de découper les modules dans cet espace technique bien balisé. Par contre dans le secteur des biotechnologies, qui fait partie de la joute «coureurs de science», le fonctionnement des produits dépend de la possibilité d activer ou déjouer des processus biologiques qui ont lieu dans l organisme humain, un système complexe, avec une «architecture» très intégrée. La modularité est impossible dans ce cas, le concept technique est une combinaison unique de caractéristiques, très difficile à identifier, qui permet d influencer ces systèmes complexes dans le sens voulu sans produire des effets secondaires. Dans cette joute, le choix des concepts est donc une décision difficile qui nécessite la réalisation et le test, d abord en parallèle et ensuite de façon itérative, d un grand nombre de «prototypes».