Systèmes manufacturiers reconfigurables (définitions et concepts de base)

Dans le secteur industriel, la production est l’activité qui transforme des matières premières pour créer des produits finis. Les systèmes manufacturiers ont été développés afin d’assurer cette activité de production. Un système manufacturier regroupe l’ensemble des éléments matériels et immatériels nécessaires à la production, composé d’une collection de machines ou de stations en collaboration pour effectuer un ensemble d’opérations sur une matière première en vue d’obtenir la forme finale souhaitée du produit demandé et spécifié par le client.

Le contexte incertain des marchés actuels a contribué au développement des systèmes manufacturiers, donnant lieu à des systèmes ayant différents principes et fonctionnalités, et visant à répondre à des exigences en perpétuels changements. En effet, les systèmes manufacturiers sont immergés dans un environnement où les cycles de vie deviennent de plus en plus courts, les demandes très imprévisibles et les produits avec des caractéristiques personnalisables. Cet environnement a amené l’entreprise à toujours viser de hauts niveaux de réactivité et de flexibilité, lui garantissant la meilleure réponse aux besoins de ses clients.

A la fin du XXe siècle, on distinguait deux types principaux de systèmes manufacturiers : les Systèmes de Production Dédiés (Dedicated Manufacturing Systems – DMS) et les Systèmes de Production Flexibles (Flexible Manufacturing Systems – FMS), auxquels viennent de s’ajouter, ces dernières années, un nouveau type : les Systèmes Manufacturiers Reconfigurables (Reconfigurable Manufacturing Systems – RMS).

Un RMS est un système manufacturier où les machines, les composants des machines ainsi que le système de manutention peuvent être ajoutés, modifiés, supprimés ou échangés selon les besoins de la production. Un RMS combine le haut débit des DMSs avec la grande flexibilité des FMSs tout en garantissant un haut niveau de réactivité face aux changements.

Le principal composant d’un RMS est la machine reconfigurable (Reconfigurable Machine Tool – RMT). Une RMT est une machine possédant une structure qui permet sa reconfiguration pour fournir une fonctionnalité alternative ou, dans d’autres cas, pour assurer une augmentation de la cadence de production. Les RMSs constituent un domaine de recherche actif, stimulé par ses différences par rapport aux autres systèmes existants. En effet, les méthodes et les approches de gestion précédemment développées pour les systèmes manufacturiers classiques nécessitent d’être réexaminées, adaptées ou remplacées pour répondre au mieux aux nouveaux défis posés par les RMSs.

La conception des systèmes et la génération des processus de fabrication constituent les deux domaines les plus étudiés dans le cadre des RMSs, car ils dépendent fortement de la structure du système manufacturier concerné et le type de ses machines. Dans le cadre de cette thèse nous nous intéressons principalement au problème de la génération des plannings de fabrication dans le cadre des RMSs. Ce travail est motivé par le besoin de méthodologies qui prennent en compte la reconfigurabilité dans le cadre de la génération des processus de fabrication. En plus, la nécessité de représenter d’une manière générique les capacités des machines reconfigurables à effectuer les différentes opérations sur les différents produits.

Un système de manufacturier regroupe l’ensemble des éléments matériels et immatériels nécessaires à la production de biens par une entreprise. C’est une collection de machines ou de stations en collaboration pour assembler un produit fini ou pour effectuer un ensemble contrôlé et fini d’opérations sur une matière première en vue d’obtenir la forme finale souhaitée. Les besoins du marché ont contribué au développement des systèmes manufacturiers, donnant lieu à des systèmes ayant des principes et des fonctionnalités différentes, qui essayent de répondre aux exigences en évolution, passant des systèmes dédiés et lignes de production aux systèmes flexibles et reconfigurables.

A la fin du XXe siècle, on distinguait deux types principaux de systèmes manufacturiers : DMSs (Dedicated Manufacturing Systems) et les Systèmes flexibles de Production (Flexible Manufacturing Systems – FMS), auxquels viennent de s’ajouter les systèmes manufacturiers reconfigurables (Reconfigurable Manufacturing Systems – RMS) au début de ce nouveau millénaire.

Les DMSs, appelés aussi lignes de transfert ou lignes de production, sont conçues pour fabriquer un seul type de produit avec un très haut volume de production. Un DMS est basé sur une collection de machines relativement simples, arrangées séquentiellement le long d’une ligne sur laquelle la matière première avance d’une machine à l’autre d’une manière synchronisée. Un DMS est économiquement rentable lorsque de très grandes quantités du produit sont nécessaires.

Les DMSs constituaient un élément de base de la fabrication à haut volume pendant plusieurs décennies. Fidèles au paradigme de la production de masse, puisque leur volume de production est élevé, le coût par pièce est relativement faible. Une fois un DMS est entièrement mis en place, il fonctionne suivant un rythme constant, et peut produire des pièces identiques de haute qualité et à de grandes quantités. Cependant, avec l’accroissement de la concurrence mondiale et l’avènement des concepts de personnalisation, la demande de pièces spécifiques peut varier considérablement en termes de volume de production et de caractéristiques des pièces à produire.

Ces nouvelles contraintes engendrent des situations dans lesquelles les DMSs ne fonctionnent pas à pleine capacité. Cette sous-exploitation d’un DMS provoque une augmentation considérable du coût par produit, ce qui fait perdre au DMS son économie d’échelle.

En effet, en raison de la volatilité accrue du marché et des pressions concurrentielles, les DMSs sont de plus en plus sous-utilisés. Un rapport publié en Italie en 1998 indique que le taux moyen d’utilisation des DMSs observé chez un constructeur automobile européen était seulement de 53% (Koren 2010). Ce faible taux s’explique par le fait que pendant la phase de lancement des nouveaux produits et la phase de fin du cycle de vie du produit, peu de produits sont nécessaires, soit nettement moins que les volumes optimaux. Ainsi, même les produits dans la phase de maturité n’atteignent pas toujours les volumes de production prévus lorsque la ligne a été conçue.

D’un autre côté, les DMSs sont très limités en matière de réactivité. Ceci présente un grand handicape lorsque la demande dépasse la capacité prévue à la conception. Si la popularité d’un produit dépasse les attentes et les prévisions de l’entreprise, ou lorsque de nouvelles utilisations sont mises en œuvre pour les produits existants, les DMSs ne peuvent réagir à ces fluctuations des quantités à produire, ce qui entraîne une perte de chiffre d’affaires de l’entreprise.