La modularité dans l'ingénierie de production : Jusqu'où peut-on aller dans la granularité ?

Le principe de modularité s'explique le mieux à l'aide de l'exemple des briques Lego : quelques briques de base et des éléments de liaison définis permettent de créer d'innombrables objets aux fonctions différentes. Cette approche s'est également imposée dans l'industrie pour les produits présentant un degré plus élevé de complexité et de variabilité. Dans les technologies de commande et d'entraînement, les systèmes tels que les API, les IPC, les IHM et les composants d'entraînement peuvent être assemblés à partir de "tranches" individuelles ou de plusieurs blocs d'E/S à distance pour s'adapter à la machine concernée. L'avantage : ils peuvent être étendus ou modifiés sans grand effort lors d'une utilisation ultérieure.

Il n'y a actuellement pas d'alternative à la modularisation dans le domaine de la construction mécanique, car les concepts correspondants visent à obtenir un portefeuille moins varié et moins complexe, ainsi qu'un niveau de coût global plus bas, sans réduire l'étendue et l'individualité de l'offre (1). Cette affirmation est plus facile à comprendre si l'on considère les exigences typiques des systèmes de fabrication :

1. Des concepts tels que les "produits individuels" et l'"industrie 4.0" nécessitent des systèmes de production hautement variables qui permettent de fabriquer une plus large gamme de produits, même en plus petites quantités. À cette fin, les systèmes doivent être évolutifs et offrir des possibilités d'extension ultérieure (2).

2. Pour que les entreprises d'ingénierie mécanique atteignent leurs clients, il ne suffit pas de développer et de vendre de bons produits - et d'attendre les commandes de service/maintenance. En effet, les coûts du cycle de vie (CCV) jouent un rôle de plus en plus important dans l'analyse économique des investissements. Le LCC peut être utilisé pour présenter et vendre de nouveaux concepts commerciaux, y compris des services de maintenance, d'entretien et de modernisation, de manière très transparente. Il est donc plus facile pour les fabricants de machines de convaincre les utilisateurs des avantages d'une gamme élargie de services couvrant l'ensemble du cycle de vie de l'installation (3). La demande croissante de modèles d'abonnement tels que le "paiement à l'utilisation", le "paiement au mois" et le "paiement à l'unité" confirme cette tendance. En effet, les modèles axés sur l'utilisation et les services sont également attrayants sur le plan économique : en 2018, la marge moyenne sur les ventes de machines neuves était de 5,4 %, tandis qu'elle était de 40 % pour les services.(4)

3. En particulier dans le cas de biens d'équipement coûteux, il est souvent plus économique d'agrandir les machines existantes et de renouveler les assemblages que de les acheter entièrement neufs.

4. Certains clients au moins s'attendent à ce que les modules ou sous-systèmes de machines provenant de différents fournisseurs puissent être intégrés dans des systèmes existants sans effort particulier.

Toutefois, avant que les équipementiers ne décident d'aller de l'avant avec la modularisation de leurs produits et de leur fabrication, ils devraient être en mesure de répondre par l'affirmative aux questions suivantes :

• Le coût total estimé d'un nouveau groupe de produits modulaires cohérents peut-il être récupéré de manière plausible dans les délais habituels de l'industrie et sur la base des hypothèses les plus pessimistes concernant le développement ultérieur du marché ?

• Tous les services concernés considèrent-ils que les défis posés par le projet de reconception de la machine ou du système sont réalisables ?

• Toutes les parties concernées de l'entreprise sont-elles prêtes à aligner leurs méthodes de travail sur le nouveau concept modulaire ?

Il est également important de préciser dans quelle mesure une machine ou un système doit être divisé en modules. Le génie de LEGO ne réside pas dans les blocs de construction eux-mêmes, mais dans les liens qui les unissent. Ceux-ci déterminent la granularité possible de la division, mais sont également le facteur limitant pour la connexion des composants. La situation est similaire pour les interfaces d'une machine : elles assurent une "structure globale" cohérente en garantissant le bon fonctionnement des pièces de la machine et des lignes de production. La séparation correcte des éléments constitutifs du "système global" les uns par rapport aux autres est donc essentielle pour une modularisation réussie.

• Tout d'abord, structurez le système initial selon les fonctions: les fonctions clés qui reflètent votre compétence principale, les fonctions de base (par exemple, les systèmes de transport) qui s'étendent à l'ensemble du système, et les fonctions complémentaires ou auxiliaires.

• Combinez maintenant ces fonctions en modules - mais seulement de manière aussi granulaire que nécessaire ! Tenez compte de tous les aspects de l'optimisation possible et de la variation nécessaire de l'équipement. Inclure le plus grand nombre possible d'étapes de la prestation de services tout au long du cycle de vie de la machine.

• Évaluer l'importance, pour le module de machine nouvellement défini, de tous les éléments de la machine qui ne peuvent pas être "divisés" davantage (capteurs, actionneurs, IHM, entraînements, etc.) et qui nécessitent des connexions électriques/électroniques pour l'alimentation, les signaux ou les données.

• Attribuez ces éléments à une couche de machine appropriée.

• Attribuez toutes les interfaces nécessaires pour connecter les éléments individuels aux modules de machine respectifs.

Le résultat est une matrice qui énumère tous les modules du futur système : L'organisation hiérarchique des éléments, y compris les interfaces et leur pertinence pour le module, doit être visible. Sur la base de la matrice, vous pouvez évaluer la faisabilité, les risques techniques et les conséquences pour la conception de la machine. La transparence augmente lorsque l'on pondère l'importance des modules pour le système global. La matrice indique non seulement les fractions concernées, mais aussi les étapes ultérieures du développement des modules et des processus.

Il est désormais plus facile de répondre à la question du système de contrôle adapté à la machine ou à l'installation . Les observations de HARTING à ce sujet indiquent que...

• Les systèmes présentant un degré élevé de variabilité dans les fonctions clés et une grande étendue spatiale tendent à être équipés de systèmes d'E/S décentralisés.

• Les structures combinées sont choisies pour les systèmes plus petits et très variables. Le contrôle des fonctions clés et de base est alors centralisé, tandis que les fonctions supplémentaires sont contrôlées soit de manière centralisée (interfaces simples), soit de manière décentralisée (interfaces complexes), en fonction de leur complexité ;

• pour les systèmes plus petits et/ou simples avec une faible variabilité, un contrôle central pur est plus simple et plus économique.

La liberté presque absolue associée aux systèmes de production modulaires est influencée de manière décisive par les interfaces. Les capacités de transmission et les possibilités d'action offertes par ces composants contribuent à déterminer la modularité du système. Par conséquent, les interfaces doivent ...

• doivent toujours être conçues de manière à optimiser les coûts en fonction des exigences respectives (propriétés électriques, CEM) du chemin de transmission ;

• être progressivement modulable en termes de paramètres techniques ainsi que de taille et de nombre sur chaque module de machine ;

• pouvoir répondre à différentes exigences en termes de matériaux, de contact, de montage et de types de protection, et intégrer d'autres supports de transmission tels que les câbles à fibres optiques et l'air comprimé.

_Références

1. VDMA, McKinsey, 2014, "Perspectives d'avenir pour la construction mécanique allemande

2. Roland Berger, 2011, "Systèmes de production 2020"

3. M. Bode, F. Bünting, K. Geißdörfer, "Rechenbuch der Lebenszykluskosten", VDMA Verlag, ISBN 978-3-8163-0617-7

4. Commerzbank, 2019, "Ingénierie mécanique en Allemagne"

5. ID-Consult, "Stratégie de modularisation 2018/2019 : L'influence des architectures de produits modulaires sur le succès des entreprises"