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Avis d'expert

L'essor de la production frugale

L'essor de la production frugale

Cette armée mobile de minuscules robots, développés par SRI, peut se déplacer à l’intérieur d’une micro-usine pour fabriquer des pièces de n’importe quelle taille avec beaucoup de précision.

© SRI

Après le succès de L'Innovation Jugaad, Navi Radjou et Jaideep Prabhu publient aux éditions Diateino un nouvel ouvrage intitulé L'innovation Frugale, comment faire mieux avec moins. Les auteurs y livrent les six principes fondamentaux de l'innovation frugale, en s'appuyant sur l'expérience d'une série d'entreprises pionnières en la matière (Accor, Auchan, Renault, Unilever). La rédaction d'Industrie & Technologies s'est procurée les bonnes feuilles de ce nouvel ouvrage et vous propose de découvrir un extrait consacré à l'essor de la production frugale. Au menu : matériaux innovants, impression 3D, robots mais aussi production personnalisée et décentralisée via le déploiement de micro-usines. 

Malgré la récession, ce que recherchent de plus en plus les clients du monde développé dans leurs achats, c’est la variété et la personnalisation. Ils ne forment pas un groupe homogène et ont des besoins très divers. Certaines entreprises y répondent. Ainsi, conquis par le service d’Amazon de livraison le jour même, les clients veulent désormais que les produits et services arrivent à leur porte en un clic. De plus, ces clients tatillons semblent peu fidèles. Leur fidélité va de plus en plus à des entreprises qui peuvent répondre à leurs besoins changeants plus vite, mieux et à moindre coût.

Certains fabricants passent d’ores et déjà à un modèle de production frugal qui permet une personnalisation à grande échelle à moindre coût et avec des ressources plus limitées. Les usines nouvelle génération tirent profit de plusieurs innovations technologiques révolutionnaires. Elles utilisent des matériaux comme les fibres de carbone et les nanoparticules pour simultanément réduire les coûts, améliorer la performance et réduire les déchets. Elles utilisent des outils comme les robots, les logiciels de conception et de simulation et l’impression 3D pour permettre la personnalisation à grande échelle pour une fraction du prix normal. Enfin, elles adoptent de nouvelles démarches comme la production collaborative, la fabrication continue et la production décentralisée.

Des matériaux plus performants

Les matières premières des produits (qu’il s’agisse de téléphones ou de voitures) sont une source majeure de dépenses et de déchets, au début et tout au long du cycle de vie d’un produit. Par exemple, la consommation de carburant d’une voiture dépend de son poids, et donc de ses matériaux de fabrication. Par conséquent, les constructeurs automobiles pratiquent de plus en plus « l’allégement », c’est-à-dire l’utilisation de matériaux plus légers, mais tout aussi solides. Le constructeur allemand BMW préfère l’aluminium et la fibre de carbone à l’acier pour son modèle électrique BMW i8. La transmission et le châssis sont en aluminium, ce qui réduit le poids de 30 % par rapport à l’acier, et l’habitacle est presque entièrement en fibre de carbone. Le tableau de bord repose sur un cadre en magnésium, plus léger.

Au final, la BMW i8 pese 1 490 kg, comme une voiture de sport classique, et ce malgré le poids de la batterie. Cette voiture pollue moins et consomme moins de carburant, pour une performance et un plaisir de conduite accrus. La fibre de carbone, associée à la résine, pèse deux fois moins lourd que l’acier, mais est tout aussi solide. On l’utilise de plus en plus en aéronautique et en aérospatial ; elle est utilisée pour produire de grandes pièces d'un seul tenant, ce qui supprime le besoin de riveter de petites pièces entre elles et rend la construction d’ensemble plus robuste et plus sûre.

De nouveaux outils de fabrication

Les imprimantes 3D sont à l’origine d’une véritable révolution dans le domaine de la production. Associées à la conception assistée par ordinateur et à d’autres outils numériques, les imprimantes 3D peuvent réduire drastiquement les coûts de fabrication tout en augmentant les possibilités de personnalisation des produits. La fabrication additive en impression 3D consiste à ajouter des couches successives d’un matériau jusqu’à ce que le produit soit achevé. Cette façon de faire, économe en ressources, contraste avec la méthode soustractive utilisée depuis le XIXe siècle, qui consiste à partir d’un grand morceau de matière première (généralement du métal dur), à le réduire, le marteler, le couper ou le tordre pour qu’il prenne la bonne forme. La méthode soustractive utilise plus d’énergie et gaspille plus de la moitié des matières premières. En revanche, comme la même imprimante 3D peut être utilisée pour imprimer de nombreux modèles, celle-ci permet des personnalisations à grande échelle pour une fraction du prix habituel d’une fabrication soustractive. L’impression 3D est aussi moins dépendante des coûts de main d’oeuvre, ce qui change certaines hypothèses économiques de base émises par les entreprises.

Les imprimantes 3D ont d’autres capacités précieuses à offrir. On peut les utiliser avec des matières premières de plus en plus variées, du plastique a l’acier inoxydable en passant par la céramique et le verre. Elles peuvent imprimer des objets mécaniques avec des parties mobiles, et donc fabriquer d’un coup des éléments directement utilisables. Elles peuvent être utilisées pour fabriquer de petits objets de consommation comme des bijoux ou de la confiserie, mais aussi pour faire de grands objets plus complexes comme des prothèses, des concept cars, des maisons, des gadgets électroniques et des appareils dentaires. De nombreux projets Open Source financés par le Crowdfunding (financement participatif) réduisent drastiquement le prix des imprimantes 3D et mettent la fabrication personnalisée à la portée du plus grand nombre. Ainsi, en mai 2014, l’éditeur de logiciels de conception Autodesk, voulant rendre l’impression 3D accessible « à des milliards de gens », lança Spark, une plate-forme logicielle Open Source visant à  rendre l’impression 3D plus simple et plus fiable. Dans le même mois, la start-up M3D leva la jolie somme de 3,4 millions de dollars sur Kickstarter pour produire une imprimante 3D à 300 dollars ultra-simple d’utilisation.

Parmi les choses particulièrement impressionnantes que l’on peut imprimer en 3D, il y a les pièces détachées des avions de chasse. En décembre 2013, BAE Systems, une multinationale britannique de défense et d’aérospatiale, a testé des jets Tornado comportant plusieurs pièces métalliques imprimées en 3D. L’entreprise développe à présent des pièces toutes faites pour quatre escadrons d’avions Tornado GR4. Selon les ingénieurs de BAE Systems, certaines pièces couteront désormais moins de 100 livres. Au total, la technologie 3D pourrait faire économiser à la Royal Air Force 1,2 million de livres de coûts de service et de maintenance dans les quatre prochaines années. Mike Murray, qui supervise l’intégration de la cellule d’avion, fait remarquer : « Vous pouvez fabriquer des appareils sur n’importe quelle base militaire du moment que vous pouvez y mettre une machine, ce qui veut dire que vous pouvez aussi aider d’autres plates-formes, comme les bateaux ou les porte-avions. Et si l’on parvient à installer des machines en première ligne, cela offre plus de possibilités là où l’on n’aurait traditionnellement pas eu de soutien à la production ».

Après 20 ans de recherche maison, General Electric pense aussi que ces outils lui permettront de lancer une nouvelle révolution industrielle. L’entreprise a construit un établissement complet à Cincinnati, dans l’Ohio, pour créer et développer de nouveaux alliages, de nouveaux procédés et de nouvelles pièces à utiliser en fabrication additive. GE emploie 600 ingénieurs sur 21 sites dans le monde dédiés à la fabrication additive. De plus, GE cherche à développer des pièces avec des techniques de fabrication additive dans plusieurs de ses secteurs d’activité, et a les déployer intelligemment en s’appuyant sur de premières réussites. Ainsi, GE Aviation prévoit de produire 100 000 pièces additives d’ici 2020 (par exemple un injecteur pour son turboréacteur CFM LEAP). Dans le secteur de la santé, les chercheurs de GE peuvent imprimer des transducteurs à ultrasons plus vite et moins cher qu’avec des techniques de production classiques. GE ne fait pas tout cela en interne, mais travaille avec des innovateurs externes, dans l’idée de construire un écosystème mondial de fabrication additive pour répandre l’utilisation de cette technologie. Le principal défi est d’atteindre une capacité suffisante pour des besoins industriels à petite et à grande échelle ; le relever créerait beaucoup de nouvelles entreprises et de nouveaux emplois dans l’industrie manufacturière.

En plus de l’impression 3D, la dégringolade des prix des robots industriels (comme Baxter, un robot humanoïde à 25 000 dollars vendu par Rethink Robotics) ouvre la voie à une vague d’automatisation dans les usines, qui peut non seulement donner un coup de fouet à la productivité et à la qualité des fabricants, mais aussi à leur agilité. SRI International, un institut de recherche de la Silicon Valley, planche sur un projet financé par la DARPA (Agence de recherche de la défense américaine) visant à développer des bras robotiques plus légers, plus petits et plus agiles, qui coûteraient dix fois moins cher et consommeraient 20 fois moins d’énergie que les robots industriels actuels, mais seraient plus fiables pour accomplir des tâches complexes dans un cadre dynamique. La robotique low cost est particulièrement utilisée en Allemagne et au Japon, où la main-d’œuvre ouvrière vieillit vite. Le Japon est même d’ores et déjà leader mondial de la robotique, avec plus de 300 000 robots au travail dans ses usines. On prévoit que plus d’un million de robots industriels y seront utilisés d’ici à 2025. Comme un robot peut à lui seul accomplir le travail de dix personnes, ce million de robots serait l’équivalent de 15 % de la main d’oeuvre japonaise de 2012 (environ 65,3 millions de personnes selon les chiffres de la Banque mondiale). « Les robots sont la pierre angulaire de la compétitivité internationale du Japon », dit Shunichi Uchiyama, en charge de définir la politique industrielle au ministère japonais du commerce. Les robots apprennent aussi plus vite que les humains et sont plus polyvalents. Pour cette raison, les constructeurs Ford et GM utilisent des chaînes de montage actionnées par des robots, avec des machines-outils interchangeables qui peuvent être programmées pour passer rapidement d’un modèle de véhicule a l’autre.

De nouvelles approches de fabrication

Les nouveaux outils numériques, comme l’impression 3D et la robotique abordable, ouvrent la voie à des approches frugales comme la fabrication collaborative, la fabrication continue et la production décentralisée.

(…) La fabrication décentralisée est une autre approche qui peut aider les entreprises à réduire drastiquement leurs couts et à gagner en agilité. A l’heure actuelle, les fabricants fonctionnent selon un modele de production extrêmement centralisé et pyramidal. Au sommet, on trouve quelques douzaines de grandes usines qui produisent en masse des biens qui sont ensuite transportés dans des containers par avion ou par bateau jusqu’à quelques centaines d’entrepôts dans le monde. A partir de là ils sont livrés par camion à des milliers de supermarchés, ou des millions de consommateurs vont faire leurs courses.

Ce modèle pyramidal est d’une grande efficacité et permet d’importantes économies d’échelle, mais il nécessite beaucoup d’immobilisations, de ressources, d’espace et d’énergie pour fonctionner, et il n’est pas en mesure de répondre avec souplesse aux besoins personnalisés et rapidement changeants des clients. La production décentralisée aplatit la pyramide hiérarchique en un réseau disséminé de centaines ou même de milliers de micro-usines potentielles, situées à proximité des zones de consommation, et qui peuvent produire en petites quantités des biens personnalisés de taille modeste, en utilisant des pièces produites localement. Inventées en 1990 par le MEL (Mechanical Engineering Laboratory ; le laboratoire d’ingénierie mécanique du Japon.), les micro-usines sont aujourd’hui une importante tendance de fond soutenue par la recherche académique et des programmes de R&D financés par les gouvernements et les entreprises partout dans le monde.

Les micro-usines, assez petites pour tenir dans un container,peuvent facilement être installées partout, et leur conception modulaire leur permet d’être rapidement assemblées selon différentes configurations. Aussi représentent-elles un modèle de fabrication durable qui promet plus de valeur pour les entreprises et les clients (en termes d’agilité, de personnalisation et de rentabilité) tout en diminuant radicalement les ressources utilisées. Les progrès récents dans les techniques de miniaturisation rendent les micro-usines de plus en plus tangibles. Par exemple, SRI travaille sur un projet de micro-robots ressemblant à des fourmis (appelés "laboratoires sur puces"), fabriqués à partir de simples aimants bon marché propulsés par la force électromagnétique. Ces minuscules micro-robots agiles peuvent manipuler sans problème de nombreuses matières liquides et solides, y compris des composants électroniques. Lorsqu’elle travaille ensemble, comme un essaim, cette armée mobile de minuscules robots peut se déplacer à l’intérieur d’une micro-usine pour fabriquer des pièces de n’importe quelle taille avec beaucoup de précision et une grande qualité, et ce plus vite, pour moins cher et de manière plus fiable que les grosses machines-outils actuelles, encombrantes et coûteuses.

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