Quand de petits détails ont de grandes conséquences sur la qualité.
L'absence de contrôle des variations de dimensions peut entraîner des reconceptions et des rebuts coûteux, et peut nuire à l'image de marque.
Le logiciel Sigmund aide Ford à analyser la tolérance et les fabrications des assemblages à l'étape de la conception.
Même si dans d'autres domaines, la variété est un atout, elle constitue un obstacle pour le secteur de la fabrication. Les concepteurs et les ingénieurs doivent tenir compte des variations inévitables, minimes ou non, des produits sortant des chaînes de fabrication. Certaines entreprises, comme Ford, gèrent cet aspect dès le début du cycle de développement de leurs produits. D'autres croisent les doigts, lancent la fabrication et corrigent le tir ultérieurement.
Pour comprendre les problèmes posés par la variation, il convient de rappeler qu'aucun produit manufacturé n'est jamais parfait. Les données de conception assistée par ordinateur (CAO) représentent l'intention de conception nominale théorique (un idéal), mais pas la qualité ou les performances réelles du produit expédié au client. La CAO ne fabrique rien : ce rôle revient aux processus concrets de fabrication et d'assemblage. Même si une conception a l'air parfaite dans un logiciel de CAO, le produit fabriqué en usine ne le sera pas forcément.
Un produit aussi simple qu'un cylindre d'un pouce de diamètre ne fera jamais exactement un pouce après fabrication. Le produit fabriqué sera légèrement trop épais, trop fin ou excentré. En fonction des tolérances spécifiées par le concepteur du produit (et des capacités de l'usine), les écarts peuvent être si importants que l'association avec d'autres pièces variables peut engendrer un produit défectueux.
Chaque conception comporte des risques. Selon certaines sources, jusqu'à la moitié des rebuts et des remaniements résulte de la mauvaise gestion de la tolérance et de la variation. De plus, la mauvaise qualité est à l'origine de dépenses colossales pour les entreprises, qui font notamment face à des problèmes de reconception, d'émission d'ordres de modification technique, de rappels produits, de réclamations au titre de la garantie, d'engagement de la responsabilité, de retards de lancement, de problèmes chroniques de fabrication et de dégradation de l'image de marque. On estime que huit « problèmes graves pour la qualité » Six Sigma sur 10 sont dus à la mauvaise maîtrise de la variation des dimensions.
« Prendre un risque de conception calculé et rater son coup est une chose », estime Bob Gardner, PDG de Varatech, une entreprise qui a conçu le logiciel d'analyse de la tolérance et de la fabrication des assemblages Sigmund® pour résoudre ce problème. « Être totalement dépassé par les problèmes au moment du lancement en raison de la méconnaissance de plusieurs relations critiques entre les pièces variables en est une autre. C'est ce qui se produit lorsque les objectifs de qualité de fabrication ne sont pas définis en amont et que les données de tolérance, s'il y en a, sont exploitées de manière arbitraire en fin de conception. Une telle situation peut avoir des coûts considérables ».
D'après M. Gardner, il est capital d'établir les objectifs de qualité de fabrication en amont. Il définit ces objectifs comme les relations d'assemblage importantes qui ont un impact sur l'ajustement, les finitions et le fonctionnement. Il convient de se demander quelles sont les caractéristiques importantes de votre produit qui sont gages de sa qualité. Dans le cas de la carrosserie d'une voiture de luxe, un indicateur de qualité pourrait être qu'une bille de roulement parvienne à rouler parfaitement le long de la jointure à chaque fois. Il s'agirait d'un objectif de qualité de fabrication. Les objectifs de qualité de fabrication influent sur les performances du produit et permettent d'éviter les problèmes à l'étape de production.
Les équipes d'ingénierie de premier plan fixent les objectifs de qualité de fabrication en s'appuyant sur des sources comme l'évaluation de la concurrence, les études comparatives, les exigences marketing, les conclusions des analyses de développement des fonctions qualité, les exigences utilisateurs, les analyses des défaillances et des manuels comme les manuels techniques relatifs aux relations entre les mécanismes.
Une fois que les objectifs de qualité de fabrication sont déterminés et quantifiés afin d'établir des cibles mesurables, ces cibles orientent la conception. Par exemple, lorsqu'elle doit prendre des décisions décisives, Ford Motor Company s'appuie sur le logiciel Sigmund de Varatech pour déterminer quelles conceptions sont les plus adéquates ou les plus fiables en matière de variation et de sensibilité géométrique, et lesquelles répondent au mieux aux
objectifs prédéfinis de qualité de fabrication. Les objectifs de qualité de fabrication déterminent quelles études doivent être menées dans Sigmund : pire éventualité, résultante quadratique (RSS) modifiée et analyse Monte Carlo. Traditionnellement, ces études étaient effectuées manuellement ou à l'aide de feuilles de calcul, sans qu'aucun lien avec le logiciel de CAO utilisé à l'étape de la conception ne soit établi, rendant ainsi laborieuses l'élaboration, la mise à jour et la gestion des informations de tolérance et de variation. Sigmund se distingue en permettant aux concepteurs de démontrer facilement, avant la réalisation de la conception et des outils et grâce à des données objectives tirées de la CAO, que la conception répond aux objectifs de qualité de fabrication. Les équipes peuvent ainsi éviter les retards et les dépenses considérables liées à la mauvaise qualité dès le début, et disposer d'une base de référence vers laquelle se tourner si nécessaire.
En réalité, Sigmund orchestre le développement des produits. Tandis que les opinions orientent bien trop souvent les produits, les données objectives sont pourtant bien plus fiables. Les données objectives sont sans appel.
Ford utilise Sigmund avec le logiciel de CAO 3D SOLIDWORKS® afin de garantir une qualité de niveau supérieur. Glenn Reed, expert technique en mécanique chez Ford travaillant à Dearborn, dans le Michigan, en est un utilisateur chevronné. Il utilise les logiciels SigmundWorks, Sigmund ABA et SOLIDWORKS pour vérifier les nouvelles conceptions de systèmes d'info-divertissement des ingénieurs internes et des fournisseurs internationaux, notamment de systèmes DVD, CD et radio. Il s'assure que ces systèmes répondent à l'intention fonctionnelle et aux objectifs de fabrication de Ford avant la réalisation des outils.
M. Reed commence son travail de vérification en important un fichier IGES, STEP ou Parasolid dans SOLIDWORKS. « Les logiciels SOLIDWORKS sont des outils puissants permettant d'importer les conceptions, quelle qu'en soit la source, de les nettoyer et de les rendre paramétriques à l'aide de FeatureWorks® », explique-t-il.
Il recourt ensuite à SigmundWorks, l'outil d'analyse de Varatech pour les logiciels SOLIDWORKS. En tant que logiciel Certified Gold Product, SigmundWorks s'intègre parfaitement aux logiciels SOLIDWORKS et fonctionne directement depuis leur interface. Pour évaluer la qualité, M. Reed exécute simultanément des milliers de scénarios de simulation afin d'ajuster les cotes, les tolérances et les variations à sa convenance.
« SigmundWorks nous aide à définir et à comprendre nos exigences de fabrication dès le début », affirme M. Reed. « Nous comprenons les impacts en aval de chaque fonctionnalité, de chaque cote et de chaque tolérance d'une conception sur le coût, la complexité de fabrication et l'assemblage ».
Par exemple, M. Reed a utilisé SigmundWorks pour effectuer des études de configuration de trous en fonction du bossage des vis sur l'interface entre le panneau électronique et le panneau central du Ford Flex 2009. Les études ont été conçues pour veiller à ce que les pièces s'assemblent correctement et pour assurer un espacement uniforme entre les boutons.
Le panneau électronique est fixé sur le panneau central à l'aide d'un localisateur double direction, d'un localisateur quadruple direction et de 17 attaches. L'analyse initiale de pertinence de la configuration des trous avec SigmundWorks a mis en évidence des problèmes avec 5 % des assemblages utilisant des trous de vis de 3 mm de diamètre sur le panneau électronique. Les trous ont été agrandis progressivement à 3,8 mm à l'aide de l'analyse de pertinence de la configuration, jusqu'à ce qu'une correspondance prévue de 100 % soit atteinte. « Ce type d'analyse de la correspondance entre trous et vis est quasiment impossible à effectuer manuellement », assure M. Reed. « Grâce à Sigmund, nous avons simplement extrait les données dont nous avions besoin concernant la taille et la tolérance de positionnement, afin de garantir un assemblage optimal. Le tout, rapidement et en toute simplicité ».
Dans un autre cas de figure, Ford a pu valider que l'assemblage d'un lecteur CD fonctionnait comme prévu, sauf lors de l'insertion de disques trop déformés. Même si techniquement, l'exposition d'un disque à la chaleur ou au soleil est le fait du client, Ford a recouru aux logiciels SigmundWorks et SOLIDWORKS pour modifier les dimensions du plateau d'insertion des disques et renforcer davantage la solidité du système pour faciliter l'insertion et l'éjection des disques légèrement déformés. Ainsi, Ford a même évité que cet assemblage soit perçu comme un défaut de conception.
Dans un autre cas de figure, Ford s'est rendu compte que les boutons du système radio d'un nouveau modèle de voiture sur le point d'être lancé étaient légèrement branlants. Il s'agissait d'un petit problème sans aucun impact sur le fonctionnement de la radio, mais qui avait d'importantes conséquences du point de vue de la perception de la qualité. Grâce au logiciel d'analyse de la fabrication des assemblages Sigmund ABA, Ford a détecté une « sensibilité géométrique » cachée dans un petit interstice entre deux pièces correspondantes, qui était à l'origine du problème. En d'autres termes, un petit espacement créait une importante instabilité, car la relation d'assemblage amplifiait son impact (à l'instar d'un petit mouvement de poignet qui peut déplacer la pointe d'une épée de plusieurs centimètres). Ford a pu identifier le problème et réaliser rapidement une autre interface pour l'atténuer. Les données objectives de l'analyse dans Sigmund ont permis de modifier en toute confiance les outils de moulage par injection destinés à la production.
Ford exécute généralement au moins 5 000 simulations virtuelles dans Sigmund par conception d'assemblage. Cela reviendrait à fabriquer en usine 5 000 prototypes tous légèrement différents en fonction de toutes les combinaisons de variation possibles selon les tolérances autorisées. Sigmund réalise ensuite un histogramme de ces versions. Si, en début de conception, 20 % des versions sont défaillantes, les extrémités de l'histogramme représenteront les versions ne respectant pas les spécifications en rouge. Les versions en bleu respectent quant à elles les spécifications. Sigmund est capable de détecter en avance les erreurs nominales de conception et le décalage moyen du processus d'assemblage.
Voir Sigmund à l'œuvre est sans appel. Ce puissant logiciel examine des milliers de versions virtuelles et montre parfaitement toutes les variations (minimes et pas si minimes) possibles susceptibles d'affecter le composant final. Cela prouve clairement que la perfection de la conception est un mythe de production.
Ford utilise également Sigmund pour compléter d'autres types d'analyses, notamment les analyses par éléments finis. La géométrie des analyses par éléments finis se fonde généralement sur un modèle nominal qui n'existera jamais. L'ajout des variations réelles des composants et des assemblages à la géométrie des analyses par éléments finis limite au maximum la différence type entre les résultats des simulations et les tests. Sigmund tient compte des variations réelles des composants et des assemblages et fournit des représentations réalistes des déviations réelles de géométries fabriquées. Ainsi, Sigmund permet à l'équipe de développement d'analyser ce qui sera réellement produit afin d'obtenir des représentations plus précises des performances du produit tel qu'il sortira de l'usine.
L'exemple sur la gauche, qui concerne un châssis de radio en tôle, montre comment les tolérances d'origine créent un boîtier non rectangle qui entraîne des problèmes mécaniques. L'analyse par éléments finis (à l'aide de NEiWorks) de la géométrie nominale du boîtier du châssis de radio se soldait par un résultat. L'analyse par éléments finis de la géométrie réelle déviée du boîtier à l'aide de Sigmund donnait des résultats considérablement différents. Après fabrication, les effets composés de la variation et de la charge sur les assemblages étaient susceptibles d'entraîner la non-conformité et la mise au rebut d'un grand nombre de châssis. Ford a pu anticiper le problème en modifiant rapidement la conception.
« Chez Ford, Sigmund oriente l'évaluation des concepts, la conception, le choix des matériaux, le programme d'assurance de la qualité, les fournisseurs et le choix des procédés », explique M. Reed. « Ford a d'ailleurs établi une nouvelle règle qui concerne tous les fournisseurs. Avant la réalisation des outils, les fournisseurs doivent effectuer une simulation des pires éventualités, une analyse de la résultante quadratique (RSS) modifiée et une analyse Monte Carlo à l'aide de logiciels de simulation afin de montrer que les objectifs de fabrication sont atteints. Il va sans dire que je trouve cette idée tout à propos ».
Bien que les analyses de tolérance et de fabrication des assemblages en début de projet exigent du temps et des efforts, cet investissement n'est rien en comparaison des coûts et des efforts que demandent les rebuts, les reprises, les réclamations au titre de la garantie et les rappels.
« En réalité, Sigmund orchestre le développement des produits », explique M. Reed. « Tandis que les opinions orientent bien trop souvent les produits, les données objectives sont pourtant bien plus fiables. Nous pouvons désormais proposer une conception A, une conception B et une conception C assorties des études correspondantes dans Sigmund et dire : "Comme vous pouvez le constater, la conception B ne satisfait pas les objectifs. Deux options s'offrent à vous : revoir les normes de qualité à la baisse ou choisir la conception A ou la conception C." Les données objectives sont sans appel ».
SigmundWorks est une solution Certified Gold Product, tandis que Sigmund ABA pour les logiciels SOLIDWORKS et Sigmund ABA Kinematics pour les logiciels SOLIDWORKS sont des produits Solution Partner. Ford fait confiance à Varatech et au revendeur SOLIDWORKS agréé DASI Solutions en matière de formation continue, d'assistance et de déploiement logiciel.