Soutenance mémoire
Depuis une quarantaine d’années, les marchés internationaux de plus en plus concurrentiels et la mondialisation ont entrainé une modification en profondeur dans les entreprises manufacturières. Ainsi, les coûts de fabrication, les délais de production et le temps de mise au point sont plus faibles et plus courts qu’auparavant. Par ailleurs, le degré d’exigence en termes de qualité et de flexibilité, de la part des clients, lui ne cesse d’augmenter. Si l’on prend l’exemple du secteur automobile, nous sommes passés de la fabrication d’une voiture unique chez chaque constructeur dans les années 20 (par exemple la Ford T aux Etats-Unis), à la production de voitures de plus en plus personnalisées, c’est ainsi que BMW annonce que la Série 7 se décline en un nombre record de 10¹⁷ alternatives [HU08]. De plus, les modèles ou séries des constructeurs automobiles changent plus régulièrement (3 ans en moyenne), alors qu’il y a trente ans un modèle était fabriqué pour 5 ans. Se pose donc la question des temps de développement et de mise au point de plus en plus courts pour les nouveaux modèles.
Par ailleurs, les moyens de développement de projets de fabrications ont fortement évolué ces dernières années. Ainsi, la gestion des données d’un projet de fabrication est passée d’un environnement de travail sur papier (dessin de définition sur planche à dessiner, schémas faits à la main…), à un environnement tout numérique de plus en plus performant, dans lequel les modélisations numériques 3D sont les modèles de référence (CAO, FAO, modèles éléments finis,…). En parallèle, des progrès substantiels ont été réalisés dans la mise au point de nouvelles machines et de procédés de fabrication.
Tous ces changements opérés dans l’industrie manufacturière en très peu de temps ont donc nécessité de faire évoluer les comportements. Ainsi, les entreprises exerçant leurs activités dans des domaines hautement compétitifs (tels que l’automobile ou l’aérospatial) doivent de plus en plus pouvoir former des partenariats et réseaux avec des sous-traitants. Tous ces acteurs doivent donc augmenter leur flexibilité et avoir une réaction quant aux attentes des clients et/ou donneurs d’ordre. Cela d’autant plus que bien souvent les sites de production et de développement ne sont pas situés au même endroit. C’est pourquoi, elles ont désormais besoin de faire partie intégrante d’un réseau numérique incluant toutes les phases de vie du produit développé. Elles doivent donc résoudre le problème de l’intégration, de l’échange, et de l’archivage à long terme des données techniques qui constituent leur patrimoine informationnel.
La chaîne numérique en fabrication
Evolution de l’organisation des données numériques
Depuis une cinquantaine d’années la gestion des données qui composent un projet de fabrication a considérablement changé. Il y a encore quelques dizaines d’années et même moins pour certaines PME, les données collectées dans le cadre d’un projet de fabrication (bureau d’études et bureau des méthodes) étaient uniquement des données « papier » [BHA00] [FOR04] [XU04] [CUL07] [BUS08]. En parallèle, la fabrication était réalisée sur des machines conventionnelles qui nécessitaient la présence en permanence d’un opérateur. Nous sommes désormais passés à une situation dans laquelle toutes les données sont numériques (avec les progrès réalisés par l’informatique). Cela a donc permis l’introduction de logiciels de CAO, FAO et de simulation qui permettent d’aider à la réalisation d’un projet de fabrication avec des modélisations 3D plus performantes que des schémas 2D. De plus, la génération de programmes par les logiciels de FAO permet désormais le pilotage de machines plus performantes et complexes avec l’introduction des premières commandes numériques en 1952 au MIT (USA).
Le début de la gestion des données en numérique a été assez anarchique avec le développement par les fabricants de solutions CFAO et de directeurs de commandes numériques qui étaient des solutions dédiées qui ne pouvaient pas communiquer les uns avec les autres [TAN01] [NAS06]. A partir du constat de cette situation, des groupes de travail ont développé plusieurs formats d’échange standards pour permettre une meilleure communication entre les différents systèmes numériques : IGES [IGE80], ISO 10303 [ISO94a],… Cela a permis d’améliorer la situation, mais des efforts sont toujours nécessaires pour la gestion de ces données numériques. Par ailleurs, la mise en œuvre des projets de réalisation de pièces fonctionnelles au sein des entreprises de fabrication modernes est elle aussi de plus en plus complexe, avec la multiplication des moyens humains (réseaux de sous traitant, site délocalisés…), techniques, et des étapes pour arriver à la fabrication du produit fini. En effet, les outils de réalisation de ces projets sont plus variés (logiciels de CAO, logiciels de FAO, logiciels de simulation…) et les machines de fabrication (utilisant différents procédés : usinage, fabrication rapide, avec de multiples directeurs de commande numérique…) plus nombreuses et performantes. Associées à ces moyens pour la mise en œuvre de la production, les informations sur le projet (données de gestion de projet, modèles 3D, résultats de simulation ou optimisation…) sont elles aussi de plus en plus conséquentes. C’est pour cela qu’une forte évolution au niveau de la gestion et capitalisation des données numériques d’un projet de fabrication a été nécessaire.
Nouveaux enjeux pour l’échange et la capitalisation des données numériques
Les différentes étapes qui composent la réalisation d’un projet depuis la conception jusqu’à la fabrication du produit fini, dans un environnement numérique, s’appelle la « chaîne numérique ». L’un des principaux enjeux de cette chaîne numérique est actuellement l’interopérabilité [RAY06] [XU06] [PAN08] [NEW08]. Comme le définit Ray et al. [RAY06] l’interopérabilité est la faculté d’un système de données numériques à échanger des informations en toute transparence. Comme montré par Newman et al. [NEW08], une entreprise de fabrication mécanique requiert une chaîne numérique hautement interopérable dans le but de maintenir sa flexibilité pour répondre le plus facilement et le plus rapidement possible à la demande de ses clients. Cette interopérabilité est d’autant plus nécessaire aujourd’hui avec la poursuite de la mondialisation et le recours à plusieurs sous-traitants pour la réalisation d’un même produit .
Newman et al. [NEW08] ont mis en avant trois principaux impacts de l’intégration de l’interopérabilité sur les grandes mais aussi les moyennes et petites entreprises :
– Pour les grandes entreprises de l’automobile ou l’aéronautique, qui opèrent à l’échelle mondiale, l’interopérabilité leur permet d’échanger des données avec leurs clients et sous-traitants sans altération des données numériques et sans perte de temps en retraitement des données. Tout ceci permet d’arriver à la fabrication de pièces finies au moindre coût et en accord avec les exigences initiales.
– L’interopérabilité permettra aussi dans le futur de s’adapter plus facilement aux évolutions des logiciels de conception et de fabrication assistées par ordinateur ainsi, qu’aux machines de fabrication de nouvelles générations. Tout cela sans perdre un temps « précieux » en formation pour les ingénieurs ou en retraitement des pièces existantes par la chaîne numérique.
– Pour les petites et moyennes entreprises (PME), cela leur permettra d’accroitre la flexibilité de leur fabrication, avec l’utilisation de données numériques venant indifféremment de tel ou tel donneur d’ordre sans retraitement des informations, et la réalisation de fabrication sur n’importe laquelle de leur machine adaptée sans se soucier des post-processeurs ou des problèmes de commandes numériques.
Un gros travail au niveau de l’espace numérique d’un projet est donc nécessaire pour arriver à un ensemble cohérent et interopérable au sein duquel, l’échange, l’obtention et la capitalisation de toutes les données du produit soient réalisés. Pour cela il est nécessaire de travailler dans un espace cohérent dans lequel :
– La communication entre les différents systèmes numériques est facilitée.
– Des modules de simulation et/ou d’optimisation sont facilement intégrables.
– L’échange de données se fait dans les deux sens entre les différents systèmes numériques (CAO, FAO, DCN,…).
– L’espace de travail est standardisé.
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Table des matières
INTRODUCTION
Chapitre 1 Contexte général de l’étude
1. Contexte général
2. La chaîne numérique en fabrication
2.1 Evolution de l’organisation des données numériques
2.2 Nouveaux enjeux pour l’échange et la capitalisation des données numériques
2.3 Etat actuel des recherches au niveau de la chaîne numérique en fabrication
2.4 Conclusion
3. Les procédés par ajout de matière
3.1 Définition
3.2 Evolution des procédés de fabrication par ajout de matière
3.3 Domaines d’application des procédés de fabrication par ajout de matière
3.4 Les procédés de fabrication par ajout de matière, des procédés aujourd’hui matures et concurrentiels
3.5 Conclusion
4. La chaîne numérique en fabrication par ajout de matière
4.1 Contexte
4.2 Limites et manques dans la chaîne numérique
4.3 Illustration des limites de la chaîne numérique actuelle
4.4 Proposition d’une nouvelle chaîne numérique en fabrication additive
4.5 Méthodologie d’introduction des procédés de fabrication par ajout de matière dans un standard de haut niveau conceptuel
5. Synthèse sur le contexte général de l’étude et le plan du manuscrit
Chapitre 2 Etat de l’art / Problématique
1. Introduction
2. Etat de l’art sur les propositions de nouveaux standards de données pour la fabrication additive
2.1 Le format LMI
2.2 Le format VRML
2.3 Le format CS File
2.4 Le format PLY
2.5 Le format ETL
2.6 Autres formats proposés
2.7 Proposition récente d’un nouveau format STL 2.0
2.8 Conclusion
3. Etat de l’art des modèles de description des procédés existants de fabrication additive
3.1 Les modèles de description complets
3.2 Description des différentes technologies de fabrication additive
3.3 Aide au choix des procédés de fabrication additive
3.4 Virtualisation en fabrication additive
3.5 Modèle intégrant de l’optimisation et/ou de la simulation
3.6 Autres modèles
3.7 Conclusion
4. Un outil pour une chaîne numérique performante : le format de haut niveau conceptuel STEP
4.1 La norme STEP ISO 10303
4.1.1 Définition
4.1.2 Organisation de la norme STEP ISO 10303
4.1.3 Le langage de description EXPRESS
4.1.4 Organisation de la norme ISO 10303 en protocoles d’application
4.1.5 La norme STEP pour la réalisation de produits manufacturés
4.1.6 Conclusion
4.2 La norme STEP un outil adapté pour la chaine numérique performante en fabrication additive
4.2.1 Situation de la fabrication additive avec le format STL
4.2.2 Travaux sur l’utilisation du format STEP en fabrication additive
4.3 La norme STEP au niveau du directeur de commande numérique : le format STEP-NC
4.3.1 Définition
4.3.2 Organisation et fonctionnement de la norme STEP-NC
4.3.3 Description des pièces usinées dans la norme STEP-NC
4.3.4 Synthèse bibliographique des travaux sur le format STEP-NC
4.3.5 Nouvelles possibilités avec le format STEP-NC
4.3.6 STEP-NC et fabrication additive : évolution et perspectives
4.4 Plateformes STEP-NC développées à travers le monde
4.4.1 L’intégration du standard STEP-NC sur des machines de fabrication
4.4.2 Etat de l’art des plateformes STEP-NC existantes
4.5 Conclusion
5. Problématique de nos travaux de recherche
Chapitre 3 Nouveau modèle hiérarchisé d’organisation des données numériques
1. Introduction
2. Nouveau modèle de description des données
2.1 Objectifs généraux
2.2 Un modèle innovant pour la gestion des données en fabrication additive
2.3 Structuration des données
2.4 Modèle hiérarchisé basé entités
2.5 Apports de ce nouveau modèle
3. Le modèle hiérarchisé des données des procédés d’ajout de matière
3.1 Présentation
3.2 Organisation du modèle
3.3 Première partie : description de l’espace de travail
3.3.1 Niveau 1 : description du projet de fabrication additive
3.3.2 Niveau 2 : description de la pièce
3.3.3 Niveau 3 : description de la machine
3.4 Deuxième partie : Réglage des paramètres et Programme
3.4.1 Niveau 4 : description de la préparation de la fabrication
3.4.2 Niveau 5 : description du programme
3.5 Troisième partie : Fabrication et Post-production
3.5.1 Niveau 6 : description de la fabrication
3.5.2 Niveau 7 : description de la post-production
3.6 Synthèse sur le modèle complet et hiérarchisé des données
4. Exemple de description du modèle hiérarchisé des données
4.1 Présentation du contexte de l’exemple
4.2 Choix de la pièce-test
4.3 Première partie du modèle de l’exemple
4.4 Deuxième partie du modèle de l’exemple
4.5 Troisième partie du modèle de l’exemple
4.6 Synthèse sur l’exemple
5. Points forts du nouveau modèle d’organisation des données numériques
CONCLUSION
