Le concept de l`usine numériqu
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Le concept de l`usine numériqu
Solutions AUTOMATISMES Le concept de l’usine numériqu ▼ Le Manufacturing Process Management (MPM), appelé aussi “Usine Numérique” permet aux entreprises manufacturières de s’imposer comme des entités souples, réactives et compétitives. Il favorise la collaboration entre les différents services d’une même entreprise ou d’entreprises différentes et permet de réduire les délais d’introduction des nouveaux produits et les délais de fabrication en volume. Il redonne au service “Méthodes” ses lettres de noblesse. Tecnomatix, le leader mondial dans ce domaine, nous présente ici les concepts du MPM. P ersonnalisation de plus en plus forte des produits, durée de vie de plus en plus courte et livraison sur commande conduisent les entreprises à redéfinir leurs stratégies pour être encore plus compétitives. Pour répondre à ces impératifs, les entreprises manufacturières prennent en compte de plus en plus tôt et de mieux en mieux les contraintes de fabrication dans leur processus de décision. Ces évolutions de marché ont contribué à l’émergence d’une nouvelle génération de systèmes et de méthodes spécifiques à la production : le MPM (Manufacturing Process Management). Le MPM n’est pas, à proprement parler, une tendance nouvelle dans le domaine de la production. Cette approche représente une évolution majeure du métier méthodes et marque l’arrivée à maturité des outils et des solutions de simulation et de programmation hors-ligne des années 80, puis des systèmes d’ingénierie de process assistée par ordinateur (IPAO) des années 90. L’essentiel Le Manufacturing Process Management (MPM) ou Usine Numérique est l’aboutissement de toutes les techniques numériques développées jusqu’ici pour la conception des produits et des process de fabrication. Le MPM favorise la mise en place d’un environnement collaboratif de création, de simulation, de gestion et de pilotage des process de production Le MPM est aussi un élément essentiel de la gestion du cycle de vie d’un produit, depuis sa conception initiale jusqu’à sa livraison 50 ment modernisé les moyens pour la conception de leur produit en investissant dans les technologies de conception assistée par ordinateur (CAO) puis dans les systèmes de gestion de données techniques (SGDT ou PDM). Cette focalisation sur le bureau d’études fut pénalisante pour le bureau des méthodes, en charge de la définition et la mise en place de l’ensemble des moyens de fabrication : pour faire face à l’augmentation de la charge de travail, le bureau des méthodes développa la plupart du temps ses propres outils d’aide à la conception des process. A partir du début des années 80, confrontées à une vive concurrence, les entreprises manufacturières se sont rendues compte que ce modèle n’était plus viable. La naissance de l’IPAO.Alors que l’ensemble de l’industrie manufacturière s’efforçait de comprendre l’impact des nouvelles stratégies de fabrication (la fabrication agile, le juste-à-temps, la conception de produits pour l’assemblage, etc.), des entreprises à la pointe de l’innovation ont testé, validé puis déployé l’ingénierie de process assistée par ordinateur (IPAO). Ces applications ont permis aux ingénieurs Méthodes de disposer d’un environnement 3D virtuel pour assurer la conception, la simulation et la programmation hors-ligne d’une large gamme de process de fabrication, tels que l’assemblage, l’usinage, le contrôle de la qualité, le soudage et la peinture, ainsi que pour procéder à des études d’assemblage et d’ergonomie. Au début des années 90, les principales entreprises des secteurs de l’électronique, de l’automobile et de l’aéronautique utilisaient des outils d’IPAO, avec à la clé une amélioration sensible des délais, des coûts et de la qualité de la production. Le prolongement avec le MES. À la fin des années 90, les entreprises manufacturières ont tout naturellement décidé d’intégrer plus tôt l’utilisation des technologies et méthodologies d’IPAO dans leur process de déve- De la simple CAO au MPM Pour comprendre l’importance du MPM, il est nécessaire d’apprécier les changements qui surviennent actuellement dans le domaine de la fabrication. Historiquement, les industries manufacturières sont des entreprises monolithiques dont l’objectif est de produire en quantités maximales un nombre de produits limité, au meilleur coût possible. Elles ont alors largeMESURES 767 - SEPTEMBRE 2004 Solutions e fait son chemin loppement. Les entreprises ont compris que pour avoir un impact réel sur les délais de mise sur le marché (leur principal souci à l’époque), elles devaient avoir la possibilité de prendre des décisions plus fiables et plus pertinentes, ainsi que de mieux planifier et gérer le process industriel, de la conception à la production. Certaines entreprises utilisaient des systèmes de planification de process assistée par ordinateur (CAPP) ou d’Exécution de la Fabrication (MES), tandis que d’autres préféraient développer une myriade de bases de données propriétaires pour stocker des informations de process de fabrication telles que les données relatives aux outils et aux ressources, des standards de temps, ainsi que des bases de données de routage et des fiches de fonctionnement/process. Cette abondance ne réglait pas tout. Richard Rieff, directeur du programme C3P de Ford, résumait ainsi son attente lorsqu’un fournisseur le sollicitait : « Inutile de nous proposer de nouveaux outils. Arrangez-vous pour que ceux dont nous disposons fonctionnent ensemble… » L’Usine Numérique répond à cette demande. Elle a étendu les possibilités de la technologie IPAO en ajoutant des fonctions d’intégration et de planification, ainsi qu’une base de données de process pouvant inté- MESURES 767 - SEPTEMBRE 2004 grer les actifs de production de l’entreprise (machines, outils, modèles humains, programmes, process et méthodes). L’Usine Numérique, une réponse au nouvel environnement industriel Les solutions d’Usine Numérique ont proposé un environnement puissant permettant aux entreprises manufacturières de planifier, de concevoir, de simuler, d’appréhender et de gérer dans sa totalité le développement d’un process de production. Avec les outils d’Usine Numérique, les utilisateurs peuvent immédiatement évaluer des décisions de conception afin d’accélérer l’introduction de nouveaux produits, d’augmenter la production et le volume, d’optimiser le débit de production et d’améliorer le confort et la sécurité des opérateurs. Des questions de type “ET-SI” ont été traitées visuellement et de façon complète en temps réel, permettant aux responsables de la planification et aux managers d’améliorer sensiblement l’efficacité de l’entreprise. L’ingénierie simultanée. L’époque où une entreprise pouvait créer une nouvelle conception avant de la faire suivre directement à la production est bel et bien révolue. Désormais, la plupart des équipes chargées du développement de produits intègrent des spécialistes de la conception et de la fabrication (présents sur le même site ou sur des sites différents) pour créer de nouveaux produits. L’un des objectifs consiste à éviter les surprises en s’assurant qu’un nouveau produit peut effectivement être fabriqué conformément à la conception avant d’arriver à l’atelier. Externalisation. Un nombre croissant d’entreprises manufacturières se concentre sur leur métier et externalise leurs activités de fabrication. Celestica,Flextronics,Sanmina,Solectron et SCI Systems s’imposent parmi les principaux sous-traitants spécialisés dans la fabrication de produits électroniques et se développent en étendant leurs activités de fabrication à travers le monde. Des fabricants de chaînes de montage comme ABB, Comau, Engineering & Design AG ou Kuka fabriquent des chaînes de montage pour l’industrie automobile. Grâce à l’usine numérique, l’aptitude de ces entreprises et des OEM (Original Equipment Manufacturers) à collaborer au sein de leur propre structure de fabrication dispersée et avec leurs donneurs d’ordre constitue un avantage important en termes de compétitivité. Développement de produits. Dès lors que les dirigeants ont décidé de lancer un nouveau produit, les concepteurs ont pour mission de le formaliser à l’aide de logiciels de CAO (Conception Assistée par Ordinateur) et de PDM (Gestion des Données Produits). Ils partagent les données avec les responsables de la planification des process qui prennent les premières décisions relatives à la fabrication (Où? Comment? Avec quoi? Puis avec les ingénieurs à propos de la faisabilité du projet. Les experts en qualité utilisent les données de CAO pour définir les tolérances dimensionnelles alors que d’autres ingénieurs définissent l’ordre des opérations pour l’assemblage des produits et les tâches de service, généralement à l’aide de systèmes MPM. Développement de process. Les ingénieurs de production utilisent les données de CAO pour définir les différents process utilisés pour la fabrication du nouveau produit. Ils utilisent des systèmes MPM pour exécuter des tâches d’ordonnancement, de planification de l’aménagement, d’équilibrage des lignes, de conception 3D des activités robotiques et humaines, ainsi que pour fournir des programmes machine et des instructions de travail électroniques à l’atelier. Ils évaluent différents scénarii de production, le flux de matériaux, les coûts, la durée des cycles et l’impact des changements sur une ligne de production. Ces process peuvent être trans- 51 Solutions férés vers d’autres usines fabriquant le même produit, ou être stockées et réutilisées dans d’autres projets. De la planification au MES. De nombreux systèmes sont utilisés pour planifier, ordonnancer, contrôler et exécuter la fabrication en atelier. Les progiciels de gestion intégrés (ERP) et les systèmes d’exécution de la fabrication (MES) couvrent nombre de ces tâches, dont la gestion de la chaîne logistique, le contrôle des machines, la collecte des données pour analyse des performances, et le reporting en temps réel des activités en atelier. Contrôle de la Qualité avec des MMT. Dans de nombreux secteurs industriels (notamment dans les industries sensibles aux tolérances ou produisant en lots réduits), le contrôle de la qualité à l’aide de machines Sauvegarde du savoir-faire Les outils MPM permettent aux entreprises de formaliser leur savoir-faire, puis de le sauvegarder dans un référentiel manufacturier (“manufacturing repository”). Ils permettent aussi des meilleures pratiques et de les généraliser à toute l’entreprise. Ces deux aspects facilitent la réutilisation (“carryover”) des études d’industrialisation déjà réalisées et la standardisation, ce qui débouche sur une plus grande efficacité de la production. MMT (Machines à Mesurer Tridimensionnelles) ou à commande numérique constitue un élément essentiel de la production. Les systèmes d’inspection et de gestion des tolérances (qui appartiennent au domaine du MPM) sont utilisés pour définir, analyser, mesurer et contrôler la qualité. De plus, ces machines génèrent et exécutent des programmes de contrôle tout en collectant et en analysant le résultat des contrôles. Ces systèmes sont tout particulièrement utiles dans l’industrie aéronautique où les tolérances représentent un souci majeur. Pas de MPM sans intégration et travail collaboratif Les solutions MPM constituent une plateforme ouverte et une suite d’applications qui EMPower, la solution MPM de Tecnomatix La solution eMPower de Tecnomatix capture et regroupe des informations de process dans une nomenclature de process électronique (eBOP), l’équivalent “fabrication” d’une nomenclature (Bill of Materials). eBOP décrit la manière dont un produit va être fabriqué, assemblé et testé. Le eBOP décrit l’ensemble des pièces, ressources, opérations et relations entre les éléments nécessaires pour fabriquer un produit. Une fois défini sous forme d’eBOP, le process de production devient un jeton, pouvant être échangé à tous les niveaux de l’entreprise étendue en se comportant comme une information de process mobile. Au cœur de l’offre eMPower se trouve eMServer, un référentiel de données central qui stocke et gère les informations de fabrication, y compris les eBOP, rapports, instructions de travail électroniques et autres simulations de process. Avec un simple navigateur Web, chaque membre d’un projet peut rechercher, naviguer et afficher les process de fabrication en temps réel et à 52 différents niveaux de détail (qu’il s’agisse d’une vue panoramique pour les dirigeants ou d’informations 3D détaillées pour les concepteurs). Partie intégrante de l’environnement informatique de l’entreprise, eMServer s’intègre aux systèmes de gestion des données produits (PDM) et aux progiciels de gestion intégrés (ERP), et il constitue le lien qui permet la circulation des informations, depuis la planification et l’ingénierie jusqu’aux opérations de fabrication partout dans le monde. Afin de couvrir le domaine du MPM, la suite de solutions eMPower se compose de deux types d’offre : eMPower Enterprise Solutions et eMPower Products. eMPower Enterprise Solutions. Cette offre est destinée à ceux qui doivent travailler dans un environnement de travail collaboratif et interactif permettant de connecter et partager l’information avec différents départements au sein de l’entreprise ainsi qu’avec des partenaires, donneurs d’ordre et fournisseurs externes dans l’ensemble de la boucle logistique. Les Solutions eMPower Entreprise sont proposées avec deux niveaux d’offres : - le premier niveau adresse une industrie ou un domaine (automobile, équipementiers, électronique, aéronautique, par exemple…), - le second niveau adresse un besoin fonctionnel métier particulier au sein d’une industrie donnée (assemblage, caisse en blanc ou montage, test…) Chaque solution s’appuie sur un ensemble de produits et peut être personnalisée afin de s’adapter aux besoins spécifiques de chaque industriel. Par exemple, la solution Carbody pour BMW est légèrement différente de celles utilisées par GM ou Nissan en terme d’applications et de services. eMPower Products. Les produits eMPower sont conçus pour adresser des fonctions particulières (ex : robotique, implantation, automatisme, simulation de flux,…). La grande majorité d’entre eux peut être inclus en tant que modules d’une solution eMPower Enterprise. MESURES 767 - SEPTEMBRE 2004 Solutions englobent l’ensemble des opérations. Certaines solutions incluent l’exécution en ligne du process. La solution la plus compacte doit fournir des moyens complets pour créer le “comment”, depuis la définition des étapes d’assemblage, la planification du layout, l’équilibrage des lignes et le calcul des coûts jusqu’aux instructions de travail électroniques. Le MPM est plus particulièrement pensé pour favoriser le travail collaboratif. Outils de collaboration sur Internet. Les outils de collaboration fonctionnant en environnement Web permettent à différents utilisateurs de créer et de partager des informations au sein de l’entreprise et tout au long de la chaîne logistique. Les solutions MPM comprennent également un navigateur pouvant être utilisé par toute personne pour visualiser où elle le souhaite les process et autres informations de production. Intégration informatique. Partie intégrante de l’environnement informatique de l’entreprise, les systèmes MPM doivent s’intégrer aux systèmes de gestion des produits (PDM) et aux progiciels de gestion intégrés (ERP). Ils assurent la libre circulation des informations entre les tâches de planification et d’ingénierie et les tâches de fabrication. L’infrastructure doit assurer la prise en charge des scénarii multi-utilisateurs et multi-sites afin d’autoriser un développement technologique collaboratif réellement simultané. Une base de données intégrée.Conçue pour fonctionner dans un environnement informatique d’entreprise, la base de données process est intégrée avec les PDM et les ERP. Elle constitue le lien nécessaire à une bonne circulation des informations de l’avant-projet jusqu’aux études détaillées de process et la fabrication en atelier. Elle est mise à la disposition des différents intervenants d’un projet (bureaux des méthodes, production, soustraitants, fournisseurs, usines…). Les modules métiers d’IPAO, indispensables MESURES 767 - SEPTEMBRE 2004 à la chaîne d’industrialisation, peuvent ainsi utiliser les données process communes et les enrichir. Des outils de consultations permettent de consulter ces données à distance sous différentes formes (diagramme de PERT, arborescence, visualisation 3D…), et d’apporter des commentaires et des remarques. Le Modeleur de Gamme est au cœur de l’industrialisation La numérisation des process est réalisée grâce à un “modeleur de gamme” qui permet de définir chaque opération de la gamme, de lui associer les ressources nécessaires et la pièce à laquelle elle se rapporte, de réaliser l’enchaînement avec les autres opérations et de sauvegarder l’ensemble de ces informations dans la base de données process. Le modeleur de gamme est au cœur de l’Usine Numérique car il est l’outil central des hommes Méthodes/Industrialisation. Ces derniers peuvent alors gérer facilement et efficacement la conception de la gamme de fabrication. Outre la modélisation la plus précise de la gamme, le modeleur de gamme doit aider les préparateurs à définir les meilleures stratégies de production puis de les comparer pour ne retenir que la meilleure. Pour cela il dispose de fonctionnalités métier pour : - l’analyse et l’évaluation de différentes stratégies de production en fonction de plusieurs variantes produit, - l’équilibrage dynamique des lignes de production, - le chiffrage du projet, l’estimation des temps opératoires, - la gestion des variantes et des changements produit/process, - la représentation de la gamme sous différentes formes (PERT, Gantt…), - la simulation des flux de production en phase amont, - l’intégration avec des outils d’implantation, de CAO, de gestion de données techniques,… Les outils d’ingénierie. Les outils d’ingé- 53 Solutions nierie permettent de concevoir en détail et d’optimiser les process et les lieux de travail en utilisant les données créées au cours de la phase de planification. Certains systèmes proposent un environnement graphique 3D où des maquettes humaines et d’équipements peuvent être intégrées. La cellule ou la ligne virtuelle ainsi obtenue peut être simulée et analysée. Les utilisateurs ont la possibilité d’afficher et d’évaluer le comportement des automates, des outillages et des opérateurs, ainsi que de fournir à l’atelier des instructions de travail et des programmes machine exempts d’erreur. Associés au modeleur de gamme, les logiciels d’ingénierie de process (IPAO) mettent un grand nombre d’outils métiers à disposition des hommes Méthodes. Ces derniers peuvent alors étudier précisé- ment des points caractéristiques de la gamme en définissant et simulant un large éventail de process : - conception des postes de travail et de lignes de production, - définition et programmation de cellules robotisées (soudage, peinture, manutention, découpe…), - études de faisabilité d’assemblage en manipulant le produit sous forme de maquette numérique, - optimisation du comportement des unités de fabrication en simulant et visualisant les flux de production mettant ainsi en évidence les limitations et les lacunes éventuelles de l’environnement de production, - amélioration des opérations manuelles en tenant compte de la morphologie et des limitations du corps humain ainsi que des normes ergonomiques en vigueur, - création des programmes destinés aux automates programmables,test puis évaluation de leur performance avant même tout investissement, - conception de ligne d’usinages et programmation des machines à commande numérique, - définition de gammes de contrôle et programmation des machines à mesurer tridimensionnelle. Le pilotage de la production. Complémentaires aux outils de modélisation et d’optimisation des process, les outils de pilotage et de suivi de l’exécution de ces process dans l’atelier sont essentiels et concrétisent une démarche d’Usine Numérique. En effet, la gestion des processus de fabrication permet d’augmenter les contrôles et la collecte des informations lors de la production et dans une industrie où la qualité devient le maître mot et où le besoin de traçabilité est plus important que jamais. Pour assurer la traçabilité totale de la production industrielle, il faut maintenir à jour les données de production en temps réel, sauvegarder un historique précis, suivre les défauts et restituer la généalogie des produits. Depuis une simple interface hommemachine (HMI) jusqu’à un système complexe de supervision, les outils de pilotage et de suivi fournissent en temps réel les informations et le contrôle des procédés nécessaires pour l’amélioration permanente des produits. Christophe Marée directeur marketing de Tecnomatix De solides références Tecnomatix est une société israélienne créée en 1983 et qui est aujourd’hui le leader mondial des solutions MPM (Manufacturing Process Management), ou Usine Numérique. Elle a réalisé en 2003 un chiffre d’affaires de 86,3 M$ pour un effectif d’environ 700 personnes. Elle réalise environ 12 % de son chiffre d’affaires en France, où elle est implantée depuis 1988. Tecnomatix est présente dans 17 pays, elle a délivré 85 000 licences et a 5 000 clients dans le monde. Elle s’est surtout fait connaître avec son logiciel Robcad lancé en 1986 et qui permet d’étudier et simuler des cellules robotisées. Plusieurs étapes importantes ont jalonné la vie de l’entreprise. On 54 citera en particulier l’année 1994 (acquisition de Valisys, outils d’analyse de tolérances et de contrôle qualité), l’année 1997 (acquisition de Aesop, qui marque le lancement de l’Usine Numérique), l’année 1999 (acquisition de Unicam et Fabmaster, solutions pour les industries des cartes électroniques), l’année 2000 (lancement de eMPower, première offre MPM basée sur le web) et enfin l’année 2003 (acquisition de USData, spécialisée dans la supervision et le MES). Tecnomatix déploie ses solutions dans pratiquement toutes les industries : automobile, électronique, aéronautique, biens d’équipements, transports, industries des process continus (agroalimentaire, pharmacie, sidérurgie). On notera enfin que la société a noué de nombreux accords de partenariats, notamment avec Siemens (intégration de la programmation des automates dans le concept de l’Usine Numérique), UGS PLM Solutions (conception d’usines en 3D), Fuji Machine, SPEA, Teradyne et Orbotech (test de cartes), Mitutoyo et Zeiss (machines à mesurer des coordonnées). On notera enfin que Schneider Electric est un des principaux clients français de Tecnomatix. Il utilise les solutions de la société dans ses propres usines mais il a aussi un accord OEM pour intégrer les produits de supervision de Tecnomatix (la partie USData) dans son offre Monitor Pro. J-F P MESURES 766 - JUIN 2004