Contribution aux mthodes de conception modulaire de produits

Contribution aux méthodes de conception modulaire de produits et processus industriels Alberto JOSE FLORES Thèse préparée sous la direction de Michel Tollenaere 1

Contexte Gammes de produits Composants multiples Gammes de processus Opérations multiples Ferrage & Robots Peinture Assemblage du moteur Conception du produit Différents segments marketing Conception du processus Assemblage final Satisfaction des segments 2

Plan de l’exposé • • Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 3

Contexte industriel et scientifique • Conception modulaire de produits afin de faciliter leur production • Différents produits – différents problématiques : Problématiques : -Gestion de fluctuation de demande - Gestion de la diversité 1 2 3 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples 4 Conclusions et perspectives 4

Questions Principales • La demande provoque la complexification des opérations de production si les délais et coûts sont réduits • Comment réussir à fabriquer un produit dans les délais et à des coûts acceptables pour le marché ? • Si le marché a besoin de produits suffisamment diversifiés, comment concevoir différents produits à partir d’un ensemble disponible de composants ? Composant A Produit X Composant B Produit Y Composant C Produit Z Composant D 1 2 3 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples 4 Conclusions et perspectives 5

Options de gestion Lampel et Mintzberg (1996) 1 2 3 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples 4 Conclusions et perspectives 6

Implications des options de gestion • Standardisation pure (tous les produits sont identiques): - Cette technique permet un délai réduit et des économies d’échelle, mais les produits sont trop similaires, d’où insatisfaction des clients. • Personnalisation pure (tous les produits sont différents) : - Soit : production à la commande (délai trop long…), - Soit : production pour stocks afin de respecter les délais (nombreuses immobilisations en termes de stocks et d’investissements) • Personnalisation par standardisation (assemblage à la commande) : Bon compromis entre les délais, la possibilité de personnalisation des produits et la réduction des coûts 1 2 3 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples 4 Conclusions et perspectives 7

La modularité de produits • La meilleure stratégie de « personnalisation par standardisation » est la Modularité (Pine 1993) Principe : à partir d’un ensemble de composants qu’on regroupe entre eux, on obtient des modules dont la combinaison permet d’obtenir les produits. 1 2 3 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples 4 Conclusions et perspectives 8

Comment choisir les modules Questions soulevées dans la littérature depuis Evans (1963) : - Comment choisir les modules ? - Quel est le choix optimal de ces assemblages ? - Combien de modules utiliser ? Différentes techniques selon Ulrich et Tung (1991) : 1 2 3 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples 4 Conclusions et perspectives 9

Comment choisir les modules 1 2 3 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples 4 Conclusions et perspectives 10

Plan de l’exposé • • Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 1 2 3 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples 4 Conclusions et perspectives 11

Module Bus / Plateforme - Cette thèse se concentre sur la mise en place d’une stratégie modulaire « Bus » - On appelle plateforme un module « Bus » si : - Il est commun à un ensemble limité de produits - Il est assemblé et stocké au début du processus de production Exemple: Gonzalez (2000) 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 12

Objectifs et données disponibles Objectifs : - Choix de la plateforme qui minimise les délais de personnalisation des produits - Respect des caractéristiques des produits finaux - Choix de la plateforme qui minimise le coût des produits Données disponibles sur : - Les caractéristiques nécessaires des produits - Le coût des composants - La séquence de production 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 13

Modélisation du problème Modèle PSG (Process Sequence Graph) de Martin et Ishii (1997), 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 14

Première démarche Première méthode (re-conception des produits) : Questions : - Existe-t-il une réduction des coûts ? - Existe-t-il des versions de composants qui soient incompatibles ? - Quelle est la différence entre tous les produits P et P’ ? - Quelle est la réduction du nombre d’opérations différentes (délai de réponse) ? 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 15

Exemple de la première démarche Exemple de la première méthode (re-conception des produits) : 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 16

Deuxième démarche Deuxième méthode (re-conception du processus) : Question : - Quelle est la réduction maximale du nombre total d’opérations différentes d’assemblage ? 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 17

Exemple de la deuxième démarche Deuxième méthode (re-conception du processus) : Exemple : Entreprise Benetton 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 18

Synthèse de démarches adoptées - Définition de la re-conception du produit Définition des versions de composants de chaque produit afin d’assembler les composants communs au début de la ligne. - Définition de la re-conception du processus Définition de l’ordre optimal du processus afin d’avoir des composants communs au début de la ligne. Re-conception des produits et de leur processus de production en vue d’une production ayant des plateformes en stock. 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 19

Plan de l’exposé • • Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 20

Méthode 1: re-conception du produit § Problème d’optimisation Min f(x) : sous contraintes A = Coût des versions des composants des produits B = Réduction des différences entre les ensembles P et P’ par rapport à certaines spécifications (ou caractéristiques) C = Réduction du nombre total d’opérations différentes A, B et C en fonction de la variable de décision: X → : L’utilisation de la version du produit « k » dans le produit « v » par rapport à un type de composant « j » 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 21

Méthode 1: re-conception du produit § Problème d’optimisation Min f(x) : Sous contraintes A = Coût des versions des composants des produits B = Réduction des différences entre les ensembles P et P’ par rapport à certaines spécifications (ou caractéristiques) C = Réduction du nombre total d’opérations différentes Minimisation de : 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 22

Méthode 1: Contraintes du problème Contraintes : Cohérence entre les différentes versions de composants Une version de chaque type de composants pour chaque produit Problème : Comment trouver la solution ? - Méthode exacte ? - Résolution par approximation ? 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 23

Méthode 1: Comment l’optimiser ? Le choix dépend : du nombre de combinaisons valides versions de composants (pour chaque produit) Inconvénient sur le problème d’optimisation : Beaucoup de combinaisons possibles Démarche adoptée : Comme méthode exacte, on a développé un algorithme en « Branch and Bound » si le nombre de combinaisons valides est faible. Comme méthode d’approximation, on a développé un algorithme en « Recuit simulé» si le nombre de combinaisons valides est important. 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 24

Méthode 1: données nécessaires Informations données pour la résolution du problème d’optimisation : - Diagramme initial PSG (versions de composants) - Coûts des versions des composants (sur diagramme PSG) - Caractéristiques nécessaires des produits finaux Hauteur 50 cm 60 cm 70 cm Produit 1 Produit 2 Produit 3 Longueur 35 cm 20 cm 10 cm Poids 2 kg 6 kg 3 kg - Compatibilité (cohérence) entre versions de composants 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 25

Compatibilité entre versions : 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 26

Diagramme PSG initial…. . 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 27

Méthode 1: Test avec Branch & Bound Un type de composant est compatible : 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 28

Méthode 1: Test avec Branch & Bound Importance de la réduction de l’écart entre P et P’ 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 29

Résultats de Branch & Bound Importance de la réduction des coûts. 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 30

Recherche d’explication Analyse… 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 31

Recherche d’explication Choix de la version du produit « x » : importance de la réduction du coût des produits : importance de la réduction de l’écart moyen des spécifications entre tout produit P et P’ 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 32

Recherche d’explication Choix de la version du produit « x » : importance de la réduction du coût des produits : importance de la réduction de l’écart moyen des spécifications entre tout produit P et P’ 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 33

Résultats de Branch & Bound Test de réduction de coûts… Choix de la version du produit « x » Lorsqu’un type de composant a une influence sur la différenciation des produits et que les économies de substitution justifient le changement de version d’un composant, il est plus pertinent de réutiliser la version la moins chère. 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 34

Méthode 1: Test avec Recuit simulé Résultats de l’algorithme en Recuit Simulé : Contraintes : - compatibilité entre les différentes versions de composants - produit : Relaxation lagrangienne de contraintes 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 35

Résultats avec Recuit simulé Une augmentation de l’importance de la réduction des coûts a pour conséquences : - de minimiser le nombre d’opérations différentes - de minimiser le nombre de versions de composants - d’augmenter l’écart des spécifications entre P et P’ 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 36

Résultats avec Recuit simulé Une augmentation de l’importance de la réduction l’écart moyen entre P et P’ a pour conséquences : - d’augmenter le nombre d’opérations différentes (plus de délais) - d’augmenter le nombre de versions de composants (€) - de minimiser l’écart des spécifications entre P et P’. 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 37

Résultats avec Recuit simulé Conclusion : - la réduction du nombre d’opérations différentes, la réduction des coûts, et la possibilité d’employer des plateformes peuvent se faire au détriment de la satisfaction des clients. 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 38

Méthode 2: re-conception du processus Deuxième méthode (re-conception du processus) : 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 39

Méthode 2: Exemple utilisé Carte électronique Exemple : Tableau de bord de voiture Indicateur de transmission automatique Corps du combiné Indicateur de température tachymètre Témoins lumineux Jauge à essence Indicateur de vitesse Assise de vitre Vitre Martin et Ishii (1997) 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 40

Diagramme PSG initial PSG : Source : Martin et Ishii (1997) 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 41

Méthode 2: re-conception du processus Problème d’optimisation Min f(s) : Nombre total d’opérations différentes Variable de décision: 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 42

Exemple de la variable de décision Composant type 2 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 43

Exemple de la variable de décision Variable de décision : Étape de la séquence « s » 1 2 3. . Z Composant type « j » 1 2 3. Z 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 44

Méthode 2: Contraintes du problème Contraintes : Une étape (opération de la séquence) par type de composant : Certains composants ne peuvent pas être assemblés avant d’autres : Comment trouver la solution ? - Méthode d’optimisation exacte ? - Méthode d’optimisation par approximation ? 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 45

Méthode 1: Comment l’optimiser Démarche adoptée : Comme méthode exacte on a développé un algorithme en « Branch and Bound » si le nombre de permutations valides est apparemment faible. Dans le cas contraire, comme méthode d’approximation on a développé un algorithme « génétique » Informations données au problème d’optimisation : - Modèle initial PSG - Restrictions de précédence (quels composants peuvent être assemblés avant d’autres) 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 46

Méthode 2: Test de l’algorithme génétique Résultats de l’algorithme génétique : Contraintes : - Une étape (opération de la séquence) par composant - Certains composants ne peuvent pas être assemblés avant d’autres : Relaxation lagrangienne de contraintes 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 47

Méthode 2: Test de l’algorithme génétique Algorithme Génétique : s 1 2 3. . Z 1 Variable de décision : 2 j 3. Valeur du gène Z Individu Optimisation de générations de matrices (ou individus) avec différents opérateurs : Sélection, Croisement, Mutation, Inversion, Mutation Cataclysmique (Eshelman, 1991) 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 48

Méthode 2: Test de l’algorithme génétique Résultats de simulation : 75 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 49

Méthode 2: Résultats Source : Jose et Tollenaere (2005) 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 50

Plan de l’exposé • • Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 51

Conclusions - Étude de la re-conception du produit La compatibilité des composants permet d’optimiser le choix des versions de composants dans les produits. La compatibilité des versions de composants permet de réduire le nombre total d’opérations différentes d’assemblage La réduction du nombre total d’opérations différentes permet de construire des plateformes - Étude de la re-conception du processus La réorganisation du processus permet de réduire le nombre total d’opérations différentes d’assemblage 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 52

Perspectives • Intégration des deux méthodes • Tests des autres méthodes ou algorithmes d’optimisation • Application dans des cas réels • Modification et test des autres critères – assignation des coûts de stockage à chaque composant différent – analyse de la demande des produits • Analyser une option où les produits suivent une séquence différente d’assemblage 1 2 3 4 Contexte industriel et scientifique Positionnement de la thèse Résultats et exemples Conclusions et perspectives 53

Merci…. 54