Le concept de l`usine numériqu

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AUTOMATISMES
Le concept de l’usine numériqu
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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
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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-
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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-
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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
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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.
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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
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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-
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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
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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
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