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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
N° d'ordre : École Doctorale Sciences Pour l'Ingénieur ULP – INSA – ENGEES - URS THÈSE présentée pour obtenir le grade de Docteur de l'Université Louis Pasteur – Strasbourg I Discipline : Sciences pour l'Ingénieur (spécialité Sciences et Technologies Industrielles) par François GEISKOPF Formalisation et exploitation des contraintes Produit/Processpour la conception de systèmes de production ; application àl'Usinage Grande Vitesse Soutenue publiquement le 03 décembre 2004 Membres du jury Président du jury : M. AHZI, professeur, ULP de Strasbourg Rapporteur externe : M. HASCOET, Professeur, EC Nantes Rapporteur externe : M. GIRARD, HDR, IUFM de Bordeaux Directeur de thèse : M. CAILLAUD, professeur, ULP de Strasbourg Co-Directeur de thèse : M. VILLENEUVE, professeur, INP Grenoble Examinateur : M. KIEFER, MdC, INSA de Strasbourg Membre invité : M. ULRICH, ingénieur, société SEW USOCOME Membre invité : M. WALTER, professeur agrégé, PFP Alsace UGV Membre invité : M. HAIECH, professeur, ULP de Strasbourg LRPS EA 3434

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  • science de l'ingénieur

  • insa

  • membres du conseil scientifique de l'insa de strasbourg

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Publié le 01 décembre 2004
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Langue Français
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N° d’ordre :
École Doctorale Sciences Pour l’Ingénieur
ULP – INSA – ENGEES - URS
THÈSE
présentée pour obtenir le grade de
Docteur de l’Université Louis Pasteur – Strasbourg I
Discipline : Sciences pour l’Ingénieur
(spécialité Sciences et Technologies Industrielles)
par
François GEISKOPF
Formalisation et exploitation des contraintes Produit/Process
pour la conception de systèmes de production ; application à
l'Usinage Grande Vitesse
Soutenue publiquement le 03 décembre 2004
Membres du jury
Président du jury : M. AHZI, professeur, ULP de Strasbourg
Rapporteur externe : M. HASCOET, Professeur, EC Nantes
Rapporteur externe : M. GIRARD, HDR, IUFM de Bordeaux
Directeur de thèse : M. CAILLAUD, professeur, ULP de Strasbourg
Co-Directeur de thèse : M. VILLENEUVE, professeur, INP Grenoble
Examinateur : M. KIEFER, MdC, INSA de Strasbourg
Membre invité : M. ULRICH, ingénieur, société SEW USOCOMEe invité : M. WALTER, professeur agrégé, PFP Alsace UGV
Membre invité : M. HAIECH, professeur, ULP de Strasbourg
LRPS EA 3434- 2 -« Il ne faut pas faire l'un trop vite »
Platon
- 3 -- 4 -Remerciements
Je tiens à remercier Messieurs Hascoet, Girard et Ahzi d'avoir accepté de
rapporter mon mémoire de thèse.
Je remercie François Villeneuve et Roland de Guio d'avoir accepté la co-
direction initiale de ma thèse, en 1999, dans des conditions relativement difficiles.
Je remercie Madame Creton, M. Mille et les membres du conseil scientifique
de l'INSA de Strasbourg pour avoir eu confiance en notre projet de recherche. En
m'ayant accordé un aménagement de mon service d'enseignement à deux reprises,
ils m'ont fourni des conditions sans lesquelles ce travail n'aurait pu aboutir.
Merci à Messieurs Ulrich et Deutschmann du site SEW-USOCOME de
Haguenau. Leur ouverture à des méthodes de conception inhabituelles dans le
domaine nous a permis de confronter nos concepts au contexte industriel. Je
remercie également les techniciens et opérateurs du secteur PF1, ayant intervenu
dans le cadre du groupe de travail. Merci aux élèves ingénieurs ayant contribué plus
ou moins directement à la finalisation de l'étude industrielle.
Merci à la Plate-Forme Productique Alsace UGV, pour les moyens mis à
disposition aussi bien à l'INSA qu'au lycée Heinrich. Je tiens à remercier Luc Walter
pour l'expertise technique qu'il a apporté lors de l'étude, et pour avoir accepté d'être
membre invité du jury de cette thèse.
Merci à monsieur Haiech pour avoir accepté d'être membre invité du jury de
cette thèse. J'espère que de futures collaborations seront maintenant envisageables.
Merci à Emmanuel Caillaud pour son suivi et sa disponibilité.
Merci à F. Kiefer pour la cohérence de l'ensemble de la thèse et pour
l'expérience qu'il a su me faire partager.
Merci aux collègues de l'INSA : Laurence, Olivier, Marc, Virginie, Gilbert...
Merci à Pia et Henri...
Merci à Émilie pour m'avoir soutenu toutes ces années.
- 5 -- 6 -SOMMAIRE
Index des Figures....................................................................................... 12
Index des Tableaux.................................................................................... 15
Introduction............................................................................................... 17
1 ) Problématique industrielle.......................................................................... 17
2 ) Positionnement, Objectifs et contributions...................................................17
Chapitre 1 : Modélisation des systèmes de production et du procédé
d'Usinage Grande Vitesse........................................................................... 21
1 ) Modélisation des systèmes opérationnels de production............................... 21
1.1 ) Notions fondamentales....................................................................... 21
a ) Description d'un système de production............................................................ 21
b ) Changement du système..................................................................................22
1.2 ) Modélisation des systèmes physiques de production..............................23
1.2.1 ) Modélisation de la structure des Systèmes de production................ 23
1.2.2 ) Modélisation des activités d'un système de production....................27
a ) Définition........................................................................................................27
b ) Composants génériques...................................................................................28
c ) Fonctions génériques........................................................................................28
d ) Exemple de modèle par activités28
1.2.3 ) Modélisation de l'évolution des systèmes physiques de production...29
1.2.3.1 ) Évolution et transformation.................................................... 30
1.2.3.2 ) Compréhension du changement............................................. 30
a ) Vision systémique de l'évolution........................................................................30
b ) Lois d'évolution................................................................................................31
c ) Synthèse de la modélisation de l'évolution.........................................................32
1.3 ) Synthèse des systèmes opérationnels de production............................. 33
1.4 ) Proposition de modèle 33
1.4.1 ) Modèle de référence de TRIZ........................................................34
1.4.2 ) Éléments processés - processeurs - processus............................... 36
1.4.2.1 ) Analyse des [Processus – Ressource – Produit]....................... 36
a ) Système de production opérationnel (Niveau 4).................................................37
b ) Premier sous-système (Niveau 3)......................................................................37
c ) Deuxième sous-système (Niveau 2)...................................................................38
d ) Troisième sous-système (Niveau 1)39
1.4.2.2 ) Systémographie.................................................................... 40
1.4.3 ) Lien structure – fonction.............................................................. 40
1.4.4 ) Modèle des Systèmes Opérationnels de Production (MSOP).............43
1.4.5 ) Conclusion sur le modèle 45
a ) Limites............................................................................................................45
b ) Apports...........................................................................................................45
2 ) Impacts de l'UGV sur le système de production........................................... 46
2.1 ) Synthèse des processus et de leurs environnements............................. 46
2.2 ) Le procédé UGV................................................................................. 48
2.2.1 ) Vue par les processus : l'enlèvement de matière............................ 48
- 7 -2.2.1.1 ) Coupe orthogonale................................................................ 49
2.2.1.2 ) Zones de cisaillement en coupe conventionnelle...................... 50
2.2.1.3 ) Discontinuités au sein du copeau lors de sa formation en UGV..51
2.2.1.4 ) Limites de la vue processus................................................... 54
2.2.2 ) Vue système : stabilité de l'usinage............................................... 55
2.3 ) Impacts sur les produits et les ressources............................................ 57
2.3.1 ) Qualité des produits..................................................................... 58
2.3.1.1 ) Critères de qualité du produit................................................. 58
2.3.1.2 ) Exemple d'une pièce en fonte................................................ 62
a ) Qualité du copeau............................................................................................63
b ) Qualité des surfaces.........................................................................................64
c ) Qualité des pièces66
d ) Qualité des lots................................................................................................67
2.3.1.3 ) Conclusion............................................................................ 67
2.3.2 ) Conséquences sur les ressources.................................................. 68
2.3.2.1 ) Aspects techniques : surveillance des ressources.....................68
a ) Surveillance hors usinage de l'arête de coupe....................................................69
b ) Surveillance pendant l'usinage..........................................................................71
2.3.2.2 ) Adaptation aux changements d'environnement........................73
2.3.2.3 ) Généralisation....................................................................... 75
2.4 ) Conséquences managériales................................................................76
2.4.1 ) Impacts stratégiques de la technologie.......................................... 76
2.4.1.1 ) Stratégie concurrentielle........................................................ 76
2.4.1.2 ) Critères influencés par la technologie......................................77
2.4.2 ) Conséquences sur les ressources humaines................................... 79
2.4.2.1 ) Formation............................................................................. 79
2.4.2.2 ) Ressources et Compétences...................................................79
3 ) Conclusion................................................................................................ 80
Chapitre 2 : Conception des systèmes de production................................. 83
1 ) Besoins méthodologiques.......................................................................... 83
1.1 ) Objectifs stratégiques et opérationnels................................................. 83
1.1.1 ) État de l'art................................................................................. 83
1.1.2 ) Formulation des objectifs............................................................. 86
1.2 ) Cycle de vie des ressources................................................................. 87
1.2.1 ) Phases du cycle de vie des ressources...........................................87
1.2.2 ) Avant-projet et projet 91
1.3 ) Conception intégrée........................................................................... 93
1.3.1 ) Conception et pluridisciplinarité.....................................................93
1.3.2 ) Conception intégrée de systèmes de production............................. 95
1.3.2.1 ) Disciplines concernées........................................................... 95
1.3.2.2 ) Outils de communication....................................................... 97
1.4 ) Synthèse des besoins......................................................................... 98
2 ) Approches existantes en avant-projet......................................................... 99
2.1 ) Ressources partagées en avant-projet..................................................99
2.1.1 ) Contexte de la modélisation d'entreprise...................................... 100
2.1.2 ) Discussions autour des dysfonctionnements................................. 101
2.2 ) Méthodes pour l'évolution des systèmes de production ....................... 102
2.3 ) Aspects économiques en avant-projet................................................ 104
2.3.1 ) Contextes d'utilisation d'études de coûts 105
- 8 -2.3.1.1 ) Une mesure de performance................................................ 105
2.3.1.2 ) Une ressource partagée de communication........................... 106
2.3.2 ) Estimation des coûts du Cycle de Vie (Life Cycle Costing Assessment
LCCA).................................................................................................. 107
2.3.3 ) Décision d'Investissements en moyens de production................... 111
2.4 ) Conclusion....................................................................................... 113
3 ) Synthèse méthodologique........................................................................ 114
3.1 ) Vision économique du système usinant cible....................................... 115
3.1.1 ) Diagramme générique................................................................ 116
3.1.2 ) Modèle analytique...................................................................... 118
3.2 ) Modélisation UML............................................................................. 119
3.3 ) Complexité du système usinant et des problèmes................................122
4 ) Conclusion.............................................................................................. 123
Chapitre 3 : Méthode de conception du système usinant......................... 125
1 ) Proposition d'une méthode de conception................................................. 125
1.1 ) Cycle d'abstraction de la méthode...................................................... 125
1.1.1 ) Cycle d'abstraction classique....................................................... 126
1.1.2 ) Architecture d'un système de production..................................... 126
1.1.3 ) Cycle d'abstraction d'un processus de conception pluridisciplinaire.129
1.2 ) Modèles génériques.......................................................................... 130
2 ) Problèmes et contradictions..................................................................... 131
2.1 ) Compromis en méthodes de fabrication.............................................. 132
2.2 ) Formalisme OTSM-TRIZ.................................................................... 134
2.2.1 ) Cycle d'abstraction d'OTSM-TRIZ.................................................136
2.2.2 ) Contradictions du concepteur et d'évolution................................. 137
2.2.3 ) Contradictions du système.......................................................... 138
2.2.3.1 ) Description informelle 138
2.2.3.2 ) Description formelle............................................................ 139
3 ) Construction du modèle de problèmes...................................................... 141
3.1 ) Problèmes et connaissances en UGV.................................................. 141
3.2 ) Description des problèmes................................................................ 143
3.2.1 ) Performances du système de production......................................144
3.2.1.1 ) Contexte............................................................................ 144
3.2.1.2 ) Contradictions d'évolution du système.................................. 145
a ) Assurer le Retour sur investissement à long terme...........................................145
b ) Faire des Produits de Qualité..........................................................................147
c ) Faire une Diversité de produits........................................................................148
3.2.2 ) Contradictions du système.......................................................... 150
3.2.3 ) Assurer le Retour sur investissement à long Terme.......................152
3.2.3.1 ) Représentation graphique.................................................... 152
3.2.3.2 ) Décomposition de l'élément Inflows...................................... 152
a ) Définition des paramètres ..............................................................................152
b ) Déclinaison des paramètres 1.1 et 1.2.............................................................153
c ) Illustration de la Contradiction technique.........................................................153
d ) Définition du paramètre X1.............................................................................153
e ) Contradiction physique...................................................................................154
f ) Déclinaison de la contradiction physique...........................................................154
3.2.3.3 ) Décomposition de l'élément Outflows....................................155
a ) Définition des paramètres...............................................................................155
- 9 -b ) Déclinaison des paramètres 2.1 et 2.2.............................................................155
c ) Illustration de la contradiction technique..........................................................156
d ) Définition du paramètre X2.............................................................................156
e ) Contradiction physique...................................................................................156
f ) Déclinaison de la contradiction physique...........................................................157
3.2.4 ) Faire des produits de Qualité...................................................... 157
3.2.4.1 ) Représentation graphique.................................................... 157
3.2.4.2 ) Décomposition de l'élément Délai......................................... 158
a ) Définition des paramètres...............................................................................158
b ) Déclinaison des paramètres 3.1 et 3.2.............................................................158
c ) Illustration de la contradiction technique..........................................................159
d ) Définition du paramètre X3.............................................................................159
e ) Contradiction physique...................................................................................160
f ) Déclinaison de la contradiction physique...........................................................160
3.2.4.3 ) Décomposition de l'élément Précision................................... 161
a ) Définition des paramètres161
b ) Déclinaison des paramètres 4.1 et 4.2162
c ) Illustration de la contradiction technique162
d ) Définition du paramètre X4162
e ) Contradiction physique162
3.2.5 ) Faire une Diversité de produits....................................................163
3.2.5.1 ) Représentation graphique 163
3.2.5.2 ) Décomposition de l'élément Flexibilité................................... 163
a ) Définition des paramètres...............................................................................163
b ) Déclinaison des paramètres 5.1 et 5.2.............................................................164
c ) Illustration de la contradiction technique..........................................................164
d ) Définition du paramètre X5.............................................................................165
e ) Contradiction physique...................................................................................165
f ) Déclinaison de la contradiction physique...........................................................165
3.2.5.3 ) Décomposition de l'élément Réactivité.................................. 166
a ) Définition des paramètres ..............................................................................166
b ) Déclinaison des paramètres 6.1 et 6.2167
c ) Illustration de la contradiction technique167
d ) Définition du paramètre X6167
e ) Contradiction physique167
4 ) L'UGV une solution à quels problèmes ?.................................................... 168
4.1 ) Synthèse du modèle de problèmes.....................................................168
4.2 ) Reformulation des objectifs............................................................... 169
4.3 ) Résolution des contradictions physiques............................................. 170
4.3.1 ) Cas général............................................................................... 170
4.3.2 ) Application à l'UGV en mécanique générale.................................. 173
4.3.2.1 ) Qualité des produits............................................................ 173
4.3.2.2 ) Diversité des produits.......................................................... 174
4.3.2.3 ) Retour sur investissement.................................................... 175
5 ) Conclusion.............................................................................................. 176
Chapitre 4 : Démarche de conception et cas d'étude............................... 179
1 ) Introduction............................................................................................ 179
1.1 ) Contexte industriel............................................................................ 179
1.2 ) Origines et cadrage initial du projet....................................................180
2 ) Vue dynamique de PIA 181
2.1 ) Description détaillée de la méthode PIA..............................................181
2.2 ) Phase 1 : Reformulation des problèmes183
- 10 -