Systèmes de fabrication : concepts, classification et coûts

POINT 1 - Systèmes de fabrication

Concept de machines de procédés industriels

Le processus est l'ensemble des activités ordonnées en vue de la réalisation d'un objectif particulier. En génie industriel, la notion de processus est très importante car la pratique de ce domaine exige la planification, l'intégration, l'organisation, la direction et/ou le contrôle.

Ces activités permettent à l'ingénieur d'atteindre ses objectifs dans l'exercice de sa profession et doivent considérer les processus de production comme un outil pour la conception et la définition des plans, programmes et projets, ainsi que pour la conception, l'intégration, l'organisation, la gestion et les systèmes de contrôle. Le travail d'optimisation, l'évaluation des résultats, l'établissement de normes de qualité, l'amélioration de l'efficacité et le contrôle en font partie.

Concept de fabrication

Concept de fabrication

• Travail effectué à la main ou à la machine par un opérateur.
• Lieu où sont organisées et planifiées toutes les activités de transformation d'objets matériels en produits ou en services utiles à la société.

Fabrication et ingénierie

L'ingénieur doit considérer la fabrication comme un mécanisme de transformation des matériaux en objets utiles pour la société. Elle peut également être vue comme la structure et l'organisation des actions qui permettent à un système d'accomplir une tâche particulière.

Classification des procédés de fabrication

Ils sont classés en trois groupes :

• Procédés qui modifient la forme du matériau : moulage, mise en forme par déformation à froid et à chaud, et métallurgie des poudres.
• Procédés menant à l'enlèvement de matière : machines-outils d'enlèvement de matière et usinage non conventionnel.
• Finition de surface : enlèvement par particules (abrasifs) et revêtement.

Pour que ces opérations soient utiles, l'ingénieur doit tenir compte des critères suivants :

• Critères pour la production économique et le profit.
• Coût : être acceptable et concurrentiel.
• Rentabilité : offrir des rendements supérieurs à ceux fournis par la banque.
• Qualité : fournir uniquement ce qui est nécessaire.
• Critère de production économique en vue de l'efficacité.
• Le projet doit être un design fonctionnel permettant une fabrication calculée et contrôlée.
• Matériaux : choix de matériaux appropriés et économiquement acceptables.
• Procédé de fabrication : système de traitement garantissant une qualité déterminée en tenant compte des besoins du client de manière efficace et économique.
• Facteurs humains : motivation, conditions de travail, installations, formation et sécurité.
• Processus administratifs : planification, intégration, organisation, direction et contrôle.

Efficacité et efficience

Efficacité : c'est le rapport entre la valeur obtenue par un système et la valeur maximale que ce système pourrait atteindre.

Efficience : correspond à l'estimation qualitative des objectifs, des finalités ou des fonctions d'un système ou d'un processus, sans recours à une évaluation numérique ni à des normes prédéterminées.

Processus de fabrication — Point 2 : introduction

Les systèmes de production

La fabrication se déroule dans l'environnement des systèmes de production, qui présentent des caractéristiques différentes et regroupent un certain nombre de fonctions interactives visant à obtenir un produit défini. Ces éléments de production peuvent être regroupés en une seule unité (usine), en départements ou en ateliers.

Organisation des systèmes de production

Tous les systèmes de production se composent d'entrées (matières premières, produits énergétiques) et de sorties. Entre ces deux extrémités, il existe des flux de matériaux qui sont soumis à une série de processus et transformés par les éléments qui composent le système (machines, stockage, transport, etc.) pour acquérir les propriétés spécifiées par la conception.

Déroulement

Il est habituel de classer les procédés de fabrication selon la vitesse d'écoulement des matériaux tout au long du processus. Les systèmes de production continus, aussi appelés processus continus, sont ceux dans lesquels le cheminement des matières dans tout le système est inchangé. Peu de matières premières sont utilisées par lot et les produits obtenus sont peu nombreux ou uniques ; ils sont enregistrés en poids (tonnes) ou en volume (m³). Ces systèmes ont un coût élevé, sont rigides, ne supportent pas facilement les changements de procédé et sont fortement automatisés.

Systèmes de production : produits intermédiaires

Exemples : industrie de l'acier, raffinage du pétrole, ciment, papier, ou des aliments peu transformés tels que la farine, le sucre, etc.

Systèmes de production discrets

Ils sont également connus sous le nom de «grand» et sont orientés vers la fabrication d'une variété de produits différents. Ils se caractérisent par la souplesse tant des machines que de l'organisation. Ils sont organisés par départements (usinage, traitement thermique, assemblage, etc.) et sont difficiles à automatiser. Les produits sont comptabilisés par pièces ou unités, généralement en petits nombres. La grande variété des produits et des matières premières utilisées rend la coordination logistique l'un des problèmes majeurs de ces systèmes.

Systèmes combinés

Bien que, en pratique, il puisse y avoir des systèmes d'atelier purement discret ou des systèmes purement continus, la plupart des systèmes de production se situent entre les deux.

D'une part, à l'extrémité la plus proche du continu se trouvent les systèmes en ligne d'assemblage, couramment utilisés dans la fabrication automobile ou d'appareils électroménagers ; ils sont basés sur des lignes d'assemblage plus ou moins automatisées. Ces systèmes sont essentiellement rigides, mais l'utilisation actuelle des ordinateurs et de la robotique a considérablement accru leur flexibilité.

D'autre part, à l'extrémité proche des systèmes d'atelier se trouvent les systèmes de fabrication par lots, où les produits sont fabriqués en lots d'un nombre limité d'unités pouvant varier de quelques dizaines (aéronautique, ferroviaire) à plusieurs centaines (équipements électroniques, machines industrielles).

Fabrication flexible

La tendance actuelle consiste à remplacer progressivement les anciens concepts de planification de la production basés sur des estimations à long terme et la production en série continue par une organisation permettant des lots de fabrication aussi petits que possible, fondés sur les ventes ou sur des prévisions à court terme : mensuelles, hebdomadaires, quotidiennes, etc. Cela permet de réduire les immobilisations en capital, les stocks de matières premières, l'effectif, l'équipement et les coûts de stockage. Dans ce procédé, l'équipement contrôlé par ordinateur (Commande Numérique par Ordinateur, CNC) et l'organisation en cellules de fabrication flexibles ont permis de combiner flexibilité et productivité élevée.

Phases, sous-phases et opérations

L'organisation du processus de fabrication est basée sur la subdivision logique du processus en éléments adaptés aux objectifs poursuivis. Il est courant d'utiliser la séquence suivante :

• Phase : un ensemble de transformations et la technologie afférente effectuées sur le produit sur la même machine, installation, équipement ou poste, parfois au sein d'un groupe d'entre eux. Par exemple, la première phase d'un processus d'usinage peut être considérée comme la phase de tournage, de fraisage ou de rabotage sur une même machine.
• Sous-phase : stades différents à l'intérieur d'une phase. Dans le cas d'une machine, par exemple, la phase de tournage peut comporter deux sous-phases correspondant à deux positions différentes de la pièce ou à différents types d'opérations.
• Opération : nom donné à chacune des tâches élémentaires qui peuvent être effectuées sur une machine ou un poste de travail exécutant un processus particulier. Les opérations peuvent être productives, lorsqu'elles produisent effectivement des changements dans les matériaux (par exemple l'estampage ou le tournage), ou non productives lorsqu'il s'agit d'opérations nécessaires au processus mais qui ne modifient pas la matière (mouvements, changements d'outils, opérations de stockage ou de préparation des machines, etc.).

Relation entre la conception et la fabrication

Le temps consacré à la conception d'un produit influe directement sur les coûts, et donc sur la position de l'entreprise sur le marché.

Dans la conception d'un produit, il faut prendre en compte à la fois les besoins fonctionnels (qualité, durabilité, sécurité) et les aspects économiques, commerciaux et les procédés de fabrication nécessaires. Tous ces éléments sont étroitement liés et doivent être considérés conjointement.

Ainsi, il est aujourd'hui primordial de réduire les délais de conception et les coûts, d'optimiser les ressources disponibles au mieux et de diminuer les temps et les coûts de conception. Ce type de conception est connu sous le nom d'ingénierie simultanée ou ingénierie en parallèle.

Les coûts de fabrication

Le coût de production d'un produit est le total des dépenses nécessaires pour qu'il soit prêt à la vente. Les différents aspects composant la structure des coûts du produit sont définis ainsi :

• Conception des produits : exigences fonctionnelles, demande du marché, cycle de vie et prévision des changements futurs.
• Choix des matériaux : propriétés mécaniques et physiques, caractéristiques géométriques, aptitude à la fabrication, fiabilité d'approvisionnement et coût des matériaux.
• Définition du procédé : faisabilité des procédés, influence sur les propriétés du produit, volume de production, niveau d'automatisation, type d'assemblage et coût final.

Délai de fabrication

La fabrication comprend une série d'étapes qui consomment un temps donné. Le temps total pour la fabrication d'une unité de produit est appelé temps de production unitaire. Pour rendre le prix d'un produit compétitif, il est prioritaire, dans la mesure du possible, de minimiser cette valeur. On peut distinguer les éléments suivants :

• Temps de fonctionnement : aussi appelé temps de transformation. Ce sont les périodes pendant lesquelles les matériaux sont effectivement soumis à des procédés de transformation.
• Temps d'arrêt : moments inévitables engagés au cours du processus de fabrication, qui ne produisent pas de changements dans les matériaux. Selon leur nature, on distinguera le temps de préparation des machines et les temps d'opération, qui incluent le temps nécessaire pour le montage et le remplacement des pièces et des outils.

La somme des temps de traitement et des temps de manœuvre est connue sous le nom de temps machine et représente le temps que la pièce passe sur la machine en usinage. On appelle cela le temps d'usinage.