Evolutions sémantiques de l'ingénierie assistée par ordinateur

Du dessin en 2D à la conception en 5D

La conception des produits industriels mute. Le client - de plus en plus sensibilisé aux enjeux environnementaux et à la technicité mécatronique des produits de demain - demande de nouvelles solutions « éco-conçues » (i.e : économiques et écologiques). Corrélativement, les méthodologies d’ingénierie évoluent pour permettre aux ingénieurs et aux concepteurs de répondre aux cahiers des charges de plus en plus exigeants sous contraintes de temps de plus en plus serrées. Enfin, les outils logiciels d’ingénierie numérique s'adaptent. Ils mutent sémantiquement pour progresser vers une CAO en 5 dimensions, à la fois répartie géographiquement (grâce aux pratiques de l’ingénierie collaborative) et apprenante collectivement (grâce aux démarches de gestion des connaissances et de l’innovation).

 

Introduction

Dans un monde industriel globalisé et compétitif, concevoir de manière performante (i.e. rapidement et ubiquitairement) des couples produits / process performants (i.e. fonctionnels, robustes, économiques, écologiques) implique de nombreuses connaissances d’ingénierie.  Ces savoirs scientifiques, savoir-faire technologiques et savoir-être managériaux sont mobilisés et combinés par l'homme de l'art, à savoir l'ingénieur-concepteur.  Aujourd'hui, cet acteur clef du bureau d'étude se retrouve face à 3 évolutions sémantiques majeures de son métier.  Ces mutations cognitives redéfinissent profondément les objectifs d'ingénierie de l'ingénieur et l'organisation de ses processus de conception.  Elles sont présentées ici autour de 3 idées clefs :

• « les problèmes de conception se catégorisent » : la mutation sémantique et fonctionnelle du couple produit / marché industriel est profonde et le besoin technico-économique évolue « des produits compétitifs du XXème siècle vers des solutions congruentes (i.e. super-compétitives en terme d'innovation, d'écologie et de services) du XXIème siècle » [10], [11], [12],
• « les méthodologies de conception changent » : la formalisation et la rationalisation des processus d’ingénierie résultent en un changement sémantique profond des modalités organisationnelles.  L’ingénierie évoluent « de la conception séquentielle du XXème siècle vers une ingénierie intégrée de type DfX ("Design for X"), collaborative, répartie et apprenante du XXIème siècle »,
• 
  « les outils logiciels d’ingénierie numérique évoluent » : les progrès logiciels attendus par les concepteurs - évoluant de plus en plus dans un contexte d'innovation totale, permanente et répétée - amènent les outils de modélisation numérique à faire évoluer eux-aussi la sémantique de leurs modèles « de la CAO 2D et 3D  (Conception Assistée par Ordinateur en 2D et 3D) du XXème siècle vers la CAO en 4D et 5D du XXIème siècle ».

Les problèmes de conception se catégorisent

Concevoir efficacement un produit industriel moderne - bien souvent à caractère mécatronique - relève d'un problème complexe dont il faut bien identifier la classe d'appartenance.  En effet, en fonction de sa catégorisation, les difficultés du concepteur ne seront pas les mêmes, ni la liste des tâches à accomplir.
Comme l’indique la Fig. 1, plusieurs classes de problèmes de conception existent, eux-mêmes regroupés en 2 catégories : Conception Initiale et Re-conception.  On distingue alors :

• la conception initiale : où il s’agit de concevoir et d’inventer un produit ou un process pour la première fois, sans aucun cas de référence existants ni aucune expérience passée réussie permettant de s’inspirer pour copier, de re-concevoir ou d’améliorer des solutions existantes (ex : conception initiale d’un véhicule urbain rapide en situation de fort trafic et protégeant le passager-pilote en cas de choc, d'un avion furtif de combat sans pilote, d’une machine de prototypage rapide et tridimensionnel, d’un porte-avion à propulsion nucléaire, …).  Les problèmes de conception initiale se divisent alors eux-mêmes en 2 types :
• la conception créative : qui par essence est la plus aventureuse et la plus risquée de toutes puisque rien n’est connu au départ, pas même le concept physico-chimique de fonctionnement de l’objet (ex : conception créative d’un magnétoscope à enregistrer les rêves, d’une machine de télé-transportation, d’un véhicule urbain lévitant au dessus du trafic, d’une machine de synthèse volumique de bio-matière, d’un avion renifleur des gisements de pétrole, etc.) [1],
• la conception innovante : qui – à partir de la connaissance d’un concept physico-chimique de fonctionnement connu de l’objet à concevoir (ex : la production de chaleur par fission nucléaire, l’effet gyroscopique en stabilité des systèmes dynamiques, la polymérisation de résines photosensibles à l’aide de rayons laser, …) – développe l’innovation projet dans l’architecture du produit, architecture qui est alors totalement inconnue au début de la conception (ex : positionnement du cœur nucléaire à l’avant, à l’arrière ou au centre du porte avion nucléaire Charles De Gaulle, architecture tricycle motorisée à cabine pendulée pour le véhicule urbain innovant, positionnement des capteurs d’accélération d’un gyromètre acoustique, architecture « pièce descendante » de machine de prototypage rapide par stéréolithographie, …).

Fig. 1 : Différentes classes de problèmes de conception.

• la re-conception : où il s’agit de re-concevoir un objet ou un process existant, en général sur la base d’un cahier des charges du besoin déjà établi, voire stabilisé et motivé par une logique d’optimisation  des performances fonctionnelles, de l’architecture, des coûts, du poids, du volume, … et pour lequel existent déjà de nombreux produits concurrents et d'expériences passées réussies (ex : re-conception de téléphones mobiles, de PC portables, d'imprimantes laser, de bogies de TGV, de directions assistées électriques automobiles, …).  Les problèmes de re-conception se divisent alors également en 2 types :

• la conception routinière : à concept et architecture connus à l’avance, l’objet à concevoir est alors à configuration inconnue parmi une grande variété de combinaisons et de topologies possibles (ex : téléphone mobile à clapet, PC portable extra-plat et doté d’une grande autonomie, liaison à brides pour moteur fusée [13], …),
• la conception paramétrique : à concept, architecture et configuration connus à l’avance, l’objet à concevoir est à valeurs des paramètres inconnues (ex : ressort de traction, roulement à billes, microcontrôleur électronique PID, vérin à gaz, …).  Fréquemment, le composant paramétrique est « sur étagère », fait l’objet d’un catalogue standard et l’activité de conception revient souvent à dimensionner et à effectuer le choix correspondant au dimensionnement dans le catalogue du fabriquant, éventuellement avec l’aide d’un configurateur numérique permettant de transformer le besoin fonctionnel en solution.

Bien souvent, la conception des produits et process industriels est un mixte de 2 classes.  Ainsi, par exemple, la conception d’une automobile urbaine à motorisation thermique est avant tout un problème de conception routinière (concept physico-chimique de la combustion interne et architecture véhicule de traction avant parfaitement connus à l’avance depuis près de 80 ans).  En revanche, de nouveaux systèmes fonctionnels embarqués peuvent relever individuellement de conceptions innovantes (ex : filtre à particules, aide à la conduite par satellite, commande « X by wire », tableau de bord tête haute, ...).

Les méthodologies de conception changent

Aujourd'hui, pour concevoir des solutions technologiques aux problèmes de conception de plus en plus complexes, les méthodologies de conception doivent s'adapter et passer d’une logique d’organisation séquentielle stricte des acteurs marketing / étude / industrialisation / fabrication à une logique intégrée de coopération simultanée inter-métiers entre tous les acteurs du triptyque projet / produit / process.  L’objectif de ces nouvelles modalités organisationnelles est alors de concevoir un produit congruent (i.e. performant et harmonieux sur les 6 axes : qualité / coût / délai / innovation / écologie / service) dans un délai moindre [9].
C’est ainsi qu’est apparu à la fin des années 1990, le vocable de « Conception DfX » (« Design for X ») qui peut être résumée ici comme la conception du couple produit / process sous contrainte d’ingénierie de différents métiers (voir Fig. 2), notamment :

• le « Design for Performance » (baptisé ici « perfo-conception ») : conception fonctionnelle du produit du point de vue des prestations et fonctions rendues au client, impliquant notamment des méthodologies de modélisation fonctionnelle du besoin par la valeur, l’objectivation des performances produit attendues, l’analyse des risques de défaillance (AMDEC), la recherche de différents concepts innovants, la conception systémique du produit du point de vue « ingénierie système », la conception à l’écoute du marché,
• le « Design for Usability » (dénommé aussi « ergo-conception ») : conception ergonomique du produit du point de vue de l'utilisateur, de son interaction avec le produit, de son usage, de son utilisabilité et de son adéquation à l’utilisateur en objectivant et optimisant les aspects ergonomie, confort, santé, sécurité et efficacité dans la relation homme / produit / environnement,
• le « Design for Manufacturing » (baptisé ici « copo-conception ») : conception sous contrainte de fabrication des pièces unitaires avec intégration, tout au long du processus de définition des formes fonctionnelles simultanément avec les choix des matériaux, de règles métier de fabrication (ex : mécano-soudage, emboutissage, forgeage, moulage, injection plastique, fraisage, tournage, brochage, rectification, électro-érosion, usinage chimique, traitement thermiques, …),
• le « Design for Assembly » (baptisé ici « légo-conception ») : conception sous contrainte de montage aisé et ergonomique de sous-ensembles fonctionnels (ex. en automobile : cockpit véhicule, ouvrants, sellerie, ligne d’échappement, groupe motopropulseur, …) qui peuvent alors éventuellement être sous-traités en totalité à des fournisseurs de rang 1 (ex. en automobile : Valéo, Faurecia, Delphi, Vistéon, TRW, Bosch, Siemens, NipponDenso, Michelin, …).  Par exemple, cette notion poussée de modularité des ensembles fonctionnels automobiles a notamment donné naissance à des organisations industrielles centrées sur la conceptioins de « modules » et de « plateformes automobiles » réutilisables,
  
• le « Design for Logistics » (baptisé ici « géo-conception ») : conception sous contrainte de logistique et de décisions géostratégiques de production en usines « low cost », avec organisation d’un réseau logistique de transport juste-à-temps des productions expatriées à destination des usines d’intégration finales (ex : système logistique Beluga d'Airbus),
• le « Design for Maintenance » (baptisé ici « méso-conception ») : conception sous contrainte de maintenance et d’entretien où la durée de vie des produits a tendance à se rallonger  avec des délais d’intervention augmentés entre chaque révision tandis que les délais de réparation – du fait des taux horaires élevés des réparateurs – sont optimisés.  La notion de « coût total de possession du produit » voit alors le jour pour prendre en compte les coûts de maintien en conditions opérationnelles et du soutien logistique intégré,
• le « Design for Recycling » (dénommé aussi éco-conception) : sous contrainte de compatibilité avec l’environnement et de recyclage des produits industriels usagés avec obligation, pour les constructeurs, de retraitement des déchets industriels dangereux et de collecte des produits industriels en fin de vie.

Fig. 2 : Boucles d’« ingénierie système » multi-objectifs et basées sur les
connaissances métier des différents points de vue du processus de conception.

Ainsi, l’arrivée dans les bureaux d’ingénierie des méthodologies du « Design for X » du XXIème siècle organise progressivement les équipes projets autour de pôles d’expertise métier, portées par une organisation matricielle projets / métiers devenue maintenant un grand classique managérial, lui-même ancré dans une vision industrielle partenariale, désormais qualifiée d’« entreprise étendue ».

Les outils logiciels d’ingénierie numérique évoluent

Forts des évolutions méthodologiques "DfX" en cours dans les bureaux d’ingénierie répartis (dans un espace de plus en plus éclaté) et intégrés (sur une échelle de temps de plus en plus comprimée), les outils logiciels d’ingénierie numérique doivent aussi s’adapter et évoluer sous l’action de 2 tendances fortes :

• une mutation collaborative « des software vers les groupware » : dans une logique de productivité collective, les logiciels d’ingénierie numérique évoluent vers des outils collaboratifs intégrés où les nouvelles technologies de l’information et de la communication ouvrent des espaces fonctionnels de mise en réseaux coopératifs insoupçonnés,
• une mutation sémantique « de la DAO 2D vers la CAO en 5D » : dans une logique de productivité individuelle, les logiciels de génération de formes géométriques fonctionnelles (ie : remplissant une fonction technique), performantes (ie : tenant les charges statiques et dynamiques) et fabricables (ie : réalisables sur machines-outils) assistent de plus en plus le concepteur, à l’aide d’algorithmes de simulation des raisonnements déductifs en prise direct avec des bases de connaissance métier [2], [3].

Concernant la première mutation collaborative vers les outils de « groupware » – destinée à améliorer la qualité des livrables d'ingénierie et la productivité des équipes de conception – elle s’appuie sur la maquette numérique du produit.  En effet, durant près de 150 ans – des débuts industriels en 1850 jusqu’aux années 2000 – la plupart des pièces industrielles constituant un produit étaient validées par maquettage physique.  La maquette physique, réalisée à l’échelle 1 en bois, argile, polyester et/ou métal, permettait alors d’évaluer l’état d’avancement d'un projet par visualisation du fonctionnement du futur produit tout en permettant de prévoir, d'estimer et de résoudre les problèmes de cinématique, d’usage, de collision d’assemblage, etc … ainsi que d'assurer la conception du futur process industriel, d’aménagement de l’espace de montage disponible lors de la production, de détecter des problèmes de démontabilité en après-vente, etc ... . 

Néanmoins, la complexité croissante des produits mécatroniques et les évolutions méthodologiques "DfX" ont mis en évidence la lourdeur de la réalisation physiques de ces maquettes.  La recherche d'une durée de conception produit toujours plus réduite ne permet plus aux équipes d’ingénierie de plus en plus distribuées géographiquement de créer une maquette physique distribuée pour chacune des variantes de produit.  Ainsi, la mise en place progressive de la maquette numérique pilotée par des outils de « groupware » tels que les Systèmes de Gestion de Données Techniques (SGDT) ou de Product Lifecycle Management (PLM) couplés à des moteurs de Workflow (gestion des processus de travail) s’est donc développée naturellement dans les bureaux d’ingénierie.

La seconde mutation sémantique – celle des logiciels de CAO évoluant vers le 5D – peut être résumée de la façon suivante [4], [5] :

• génération 1960-1990 : CAO 2D graphique éditable : « la CAO 2D génère automatiquement les modèles linéiques CAO 1D », i.e. : les hachures des contours de plans,
• génération 1975-2005 : CAO 3D géométrique gestionnaire : « la CAO 3D génère automatiquement les modèles graphiques CAO 2D », i.e. : les plans cotés et des dessins assistés par ordinateur gérés par les SGDT et outils logiciels de PLM,
  
• génération 1990-2020 : CAO 4D technologique cognitive : « la CAO 4D génère automatiquement les modèles géométriques CAO 3D », i.e. : les formes géométriques tridimensionnelles fonctionnelles et fabricables,
• génération 2005-2035 : CAO 5D fonctionnelle apprenante : « la CAO 5D génère automatiquement les modèles cognitifs CAO 4D », i.e. : les bases de connaissances d’ingénierie routinière.

Le tableau 1 résume et positionne ces différentes générations d’outils CAO ainsi que les progrès logiciels déjà effectués et envisagés, de la CAO 2D à la CAO 5D [6], [7], [8] :

Tableau 1 : Différentes générations de systèmes CAO : du 2D au 5D
dont le contenu sémantique des modèles produits/process évolue
des primitives graphiques aux cognitons innovants.

Conclusion

La compétition globale et mondialisée actuelle nécessite de concevoir désormais des produits congruents (i.e. super-compétitifs simultanément en terme de qualité / coût / délai / innovation / écologie / service).  Cette évolution sémantique profonde des objectifs d'ingénierie - de la compétitivité des produits taylorisés du XXème siècle pour l'industrie à la congruence des produits harmonieux du XXIème siècle pour le client - nécessite alors une compréhension intime des classes de problèmes de conception.

Face à ces évolutions du besoin client pour des produits plus congruents, les méthodologies d’ingénierie s’adaptent.  La généralisation progressive de la « Conception DfX » complète la méthodologie d’Ingénierie Système importée du monde logiciel et aéronautique.  Ces méthodes d'ingénierie performante catalysent les nouveaux modes organisationnels des bureaux d'ingénierie, afin notamment de réduire des délais et les coûts de conception en entreprise étendue et collaborative tout en améliorant les exigences classiques Q/C/D du produit auxquelles s'ajoutent les nouvelles demandes d'innovation, d’éco-compatibilité et de services d’accompagnement du client.

Enfin, forts de l'émergence des méthodes et des outils du KLM ("Knowledge Lifecycle Management"), les outils logiciels d’ingénierie numérique progressent également.  Ils incorporent de plus en plus de sémantique géométrique, d’intelligence collaborative et de connaissances métier.  Ils évoluent de la génération CAD/CAM 2D et 3D (Computer Aided Design / Computer Aided Manufacturing) du siècle précédent vers la génération KAD/KAM 4D et 5D (Knowledge Aided Design / Knowledge Aided Manufacturing), dite de « Conception et Fabrication Assurées par les Connaissances » du XXIème siècle.

Remerciements

L'auteur remercie la société Dassault Aviation pour la mise à disposition de certaines images illustrant le présent article. (c) 2008 - Dassault Aviation.

Glossaire

• CAD/CAM ("Computer Aided Design / Computer Aided Manufacturing") : traduction anglaise de CFAO (Conception et Fabrication Assistées par Ordinateur).
• CFAO (Conception et Fabrication Assistées par Ordinateur) : outils logiciels de modélisation géométrique permettant de concevoir, de représenter en 3 dimensions (généralement sous forme de solides CSG ou de surfaces B-Rep), de tester virtuellement et de réaliser des produits manufacturés ainsi que les outillages pour les fabriquer.  Ex : logiciel CATIA5 de la société Dassault Systèmes.
  
• Congruence : caractère harmonieux d'un liaison mécanique.  Par extension, caractère harmonieux et adapté d'un produit industriel aux nouvelles attentes des clients du XXIème siècle (ie : innovation, écologie, service, ...).
  
• Couple produit/process : livrable complexe d'ingénierie systémiquement conçu, architecturé, configuré et dimensionné par le concepteur, qui non seulement doit inventer la solution attendue par le client (i.e : le produit) mais aussi concevoir l'ensemble des moyens techniques pour le produire, le maintenir et le recycler (i.e : le process).
  
• DAO (Dessin Assisté par Ordinateur) : premiers outils logiciels de dessin assisté par ordinateur - disponibles à partir du début des années 1960 dans l'industrie automobile et aéronautique - et permettant de représenter les objets industriels en 2 dimensions sous la forme de plans cotés 2D.  En anglais : CAd ("Computer Aided Drafting").
  
• DfX ("Design for X") : méthodologie d'ingénierie simultanée préconisant la prise en compte systémique des contraintes de performance, d'ergonomie, de fabrication, d'assemblage, de logistique, de maintenance et de recyclage lors de la conception d'un nouveau produit industriel.
• "Groupware" : catégorie de logiciels favorisant le travail collaboratif et l'efficacité des équipes.  Les outils de PLM et de SGDT sont des logiciels de groupware.  Syn. : Collecticiels.
  
• Ingénierie numérique : ensemble des outils logiciels d'ingénierie regroupant la Conception Assistée par Ordinateur (CAD), la Simulation Numérique (CAE), le "Product Lifecycle Management" (PLM) et le "Knowledge Lifecycle Management" (KLM) pour la conception numérique efficace des couples produits/process industriels.
  
• KAD/KAM ("Knowledge Aided Design / Knowledge Aided Manufacturing") : "Conception et Fabrication Assurées par les Connaissances" correspondant à la génération des systèmes de CFAO en 4D et 5D, le système de 4D générant automatiquement des modèles 3D conformes aux règles métier, le système de 5D générant automatiquement des modèles cognitifs 4D à base de connaissances métier.
• KLM ("Knowledge Lifecycle Management") : outil logiciel de gestion des connaissances permettant de créer, gérer et de partager l'ensemble des informations de classification, de définition, de formalisation, de modélisation, de validation et de recyclage d'une connaissance, tout au long de son cycle de vie.  Ex : logiciel KAD-Office de la société Iknova Consulting.
• Performance : qualité technique d'un produit évaluée sur les critères de valeur perçus par le client.  Ex : faible consommation énergétique d'une automobile pour un bon rapport poids/puissance.
  
• PLM ("Product Lifecycle Management") : outil logiciel d'ingénierie numérique permettant de créer, gérer et de partager l'ensemble des informations de définition, de fabrication, de maintenance et de recyclage d'un produit industriel, tout au long de son cycle de vie.  Ex : ENOVIA de la société Dassault Systèmes.
• Robustesse : stabilité de la performance d'un produit malgré les grandes variations de son environnement. Ex : faible consommation énergétique d'une automobile malgré le changement de conducteur, les basses températures et le grand kilométrage.
  
• Q/C/D (Qualité / Coût / Délai) : contraintes habituelles de performance industrielle des produits compétitifs du XXème siècle.
• Q/C/D/I/E/S (Qualité / Coût / Délai / Innovation / Ecologie / Service) : contraintes nouvelles de performance industrielle des produits congruents du XXIème siècle.
  
• SGDT (Système de Gestion des Données Techniques) : outil logiciel d'ingénierie numérique - sous-ensemble du PLM - pour la gestion des données techniques relatives à un projet de conception afin d'en favoriser la génération collaborative et le partage efficace.

 

Références

1. Vargas C., "Modélisation du Processus de Conception en Ingénierie des Systèmes Mécaniques", Thèse de Doctorat, ENS de Cachan, 1995, p. 38-39.
   
2. Grundstein M., "Repérer et mettre en valeur les connaissances cruciales pour l’entreprise", 10ème Congrès International de l’AFAV, Paris, 7-8 novembre 2000.
   
3. Yvars P.A., "Représentation des connaissances à base de contraintes en ingénierie d’ensembles méca- niques", Journée AIP-PRIMECA Dynamique des connaissances en conception : acquisition, capitalisation et réutilisation, Grenoble, 22 mai 2001, p. 29-35.
   
4. Serrafero P., "Cycle de vie, maturité et dynamique de la connaissance : des informations au cognitons de l’Entreprise Apprenante", Revue Annuelle U.E. des Arts et Métiers sur le Knowledge Management, Edition Dunod, 2000, p. 158.
5. Cigref (Club Informatique des Grandes Entreprises Françaises), Groupe de réflexion "Gérer les Connaissan- ces : défis, enjeux et conduite de projet" animé par Patrick Dailhé, Oct. 2000, p. 16.
   
6. Serrafero P., "Du CAD/CAM au KAD/KAM ou de la Conception Assistée par Ordinateur à la Conception Assurée par les Connaissances", Congrès SIA, Paris, 1997.
7. Hamelin H., Schaaf J., "L’INnovation Assistée par Ordinateur : une nouvelle catégorie d’outils logiciels", Micad’1999, Edition Hermès, Paris, 1999, p. 37-42.
   
8. Serrafero P., Vargas C., Renson D., "Knowledge Aided Design : les démarches de PSA et Techspace Aero", Micad’1999, Edition Hermès, Paris, 1999, p. 23-36.
9. Tiger H., "Capitaliser les savoirs et innover dans les projets : deux démarches antinomiques ?", Journée AIP-PRIMECA Dynamique des connaissances en conception : acquisition, capitalisation et réutilisation, Grenoble, 22 mai 2001, p. 73-78.
   
10. Serrafero P., "Ductcess design ou la conception simultanée de couples produit/procédé congruents", Colloque PRIMECA Conception Mécanique Intégrée, La Plagne, 1995, p. 159-165.
11. Meillaud L., Schneider A., "Demain l’Automobile", ISBN : 2-9515699-0-4, Edition Prologos, Paris, 2000.
    
12. Roby F., "Vers la voiture sans pétrole ?", ISBN : 2-86883-874-x, Edition EDP Sciences, Les Ulis, 2006.
    
13. Dorville G., Lecompte G., Serrafero P., Bourne C., "Flange : assistant métier pour la conception optimale de liaisons à brides", Conférence Internationale IDMME’96 sur la Conception et la Fabrication Intégrées en Mécanique, Edition ECN, Nantes, 1996, p. 335-343.