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La semaine de Jean-François Prevéraud

Industrie et Technologies
Chez Toyota, la Formule 1 sert de banc d'essai en vitesse accélérée à la mise en place d'une approche PLM. Récit d'une visite d'usine où performance et perfection sont au détour de chaque couloir.

Une fois n'est pas coutume, j'ai été visiter cette semaine l'usine de Toyota Motorsport en Allemagne, à côté de Cologne, où sont conçues et fabriquées les Formules 1 du constructeur nippon. Intenses moments de plaisir pour un passionné de sports mécaniques comme moi, mais aussi vitrine exemplaire des meilleurs savoir-faire industriels du moment.

Mais tout d'abord un petit retour dans le temps s'impose puisque cette entité sportive de Toyota est implantée à Cologne depuis 1979. Elle s'est consacrée pendant deux décennies au championnat du monde des rallyes et à celui des voitures de Grand Tourisme courant en endurance. Il s'en est suivi un palmarès impressionnant avec 43 victoires en rallye, 3 titres de champion du monde des constructeurs et 4 titres pilotes en WRC, grâce aux Celica et Corolla, ainsi qu'une deuxième place au 24 Heures du Mans en 1999 avec la GT One.

En 1999, le groupe a pris la décision de se lancer dans l'épreuve reine des courses automobiles, la Formule 1.



De la feuille blanche à la piste

Parti d'une feuille blanche en 1999, les ingénieurs de Toyota Motorsport sont parmi les rares équipes, avec Ferrari et Renault, à développer à la fois leur châssis et leur moteur. De fait, le premier moteur a mugi sur un banc d'essais dès septembre 2000, alors qu'il a fallu attendre mars 2001 pour disposer d'une voiture de test roulante.

Fin 2001, la TF1 01, première vraie voiture de course était testée et en mars 2002, la TF1 02 prenait le départ du premier grand prix de la saison. 'Les saisons 2002 et 2003 nous ont permis d'apprendre ce qu'était la Formule 1 tout en marquant déjà 2 points en 2002 et 16 points en 2003', explique le porte-parole de l'écurie. 'La saison 2004 devrait nous permettre d'être plus compétitif et de nous rapprocher des meilleurs. Logiquement nous prévoyons de figurer sur quelques podiums en 2005, de remporter quelques courses en 2006 et d'être champion du monde en 2007 '.

Seul hic, les 9 autres écuries ont le même objectif, ce qui rendra cette tache d'autant plus ardue...

Le moteur d'une Formule 1 a réglementairement une cylindrée de 3 litres. Chez Toyota Motorsport il s'agit d'un V10 comportant environ 4 500 pièces représentant 2 300 références différentes. Il pèse environ 100 kg, tourne au maximum à 19 000 tr/mn et délivre une puissance d'environ 900 CV.

Le département moteur de l'usine fabrique près de 400 moteurs par an, pour équiper les deux voitures qui prennent part aux 18 grands prix de la saison, ainsi qu'aux nombreux essais menés sur les 8 bancs de test et sur différents circuits.

Nouveauté depuis le début de la saison, le moteur doit faire à la fois les séances de qualification et la course, ce qui revient à doubler sa durée de vie, soit environ 700 km. Après chaque course, les moteurs sont intégralement démontés, vérifiés et remontés dans la configuration spécifique à la course suivante.

 Entre les modifications et le remplacement des pièces d'usures, ce sont plus de 40 % des pièces qui sont renouvelées après chaque course. De fait, les ingénieurs disposent maintenant des moyens de télémétrie leur permettant de suivre en permanence et en temps réel durant la course des centaines de paramètres sur la voiture. Ils peuvent donc réagir très rapidement en demandant à l'usine de concevoir, de fabriquer et de tester de nouveaux composants pour améliorer les performances du moteur qui participera à la course suivante, quelque fois une semaine plus tard.



Une course contre la montre permanente

Cette course contre la montre est une constante dans le développement de la voiture et du moteur, tant dans les phases initiales que durant la saison.

De fait, le développement de la TF1 05 débute en ce moment, alors que sa première course n'aura lieu qu'en mars 2005. Il bénéficie des enseignements tirés des saisons précédentes et de celle qui est en cours, pour aboutir à une première version d'essai tout début 2005, ce qui laissera environ deux mois et demi aux ingénieurs et aux pilotes pour finir de la mettre au point. Une voiture qui continuera d'évoluer tout au long de la saison. De fait, on estime que plus de 70 % des pièces constituant une voiture (châssis + moteur) évoluent durant la saison.

C'est pour répondre à cette problématique que la plupart des écuries ont adopté une approche PLM, afin de réduire leurs cycles de développement tout en essayant un plus grand nombre de solutions on d'innovations.


' Nous avons évalué en 1999 les quatre principaux éditeurs ayant une offre globale dans le domaine du PLM, à savoir Dassault Systèmes, PTC, SDRC et UGS ', se remémore Waldemar Klemm, responsable informatique de Toyota Motorsport.

 'Les deux finalistes ont été Dassault Systèmes et UGS, qui étaient très proches, mais nous avons fini par retenir l'offre de Dassault Systèmes. Celle-ci nous a semblé plus à même de répondre à notre besoin d'intégration de l'ensemble de nos processus, tout en offrant une circulation des flots d'information sans point de blocage depuis la conception jusqu'à la production '.

'Nous avons donc mis en place environ 120 licences Catia V4 pour la conception, accompagnées d'Enovia VPM, notamment pour gérer la maquette numérique. Une quarantaine de licences Catia V5 sont venues grossir notre parc en 2002 et nous avons actuellement un mixte de 100 Catia V4 et 60 Catia V5 qui nous permet de faire une transition douce.

 Nous avons par ailleurs développé nous même une interface plus performante que celles que l'on trouve sur le marché entre Enovia et R/3 de SAP. Nous espérons pouvoir complètement basculer sous Catia V5 avec VPM lors du début des études de la TF1 06 qui débuteront mi-2005 et être sous Catia V5 accompagné d'Enovia LCA 12 mois plus tard '.

Jouer la complémentarité entre simulation réelle et virtuelle

L'adoption d'une approche PLM impose la mise en place de nouvelles méthodes de développement ou pour le moins l'optimisation des méthodes existantes. ' Nous faisons un usage grandissant des outils d'analyse comme MSC.Nastran ou Abaqus pour la mécanique des structures, ou encore StarCD pour l'aérodynamique. Près de 30 % des postes de conception disposent d'un lien direct avec les outils d'analyse, afin que chaque nouvelle conception puisse être optimisée. Dans notre métier la performance est indispensable alors que le poids est l'ennemi '.

 Notons que Toyota Motorsport utilise maintenant des techniques de maillage et de calcul lui permettant d'analyser une pièce non plus de manière isolée, mais dans son contexte d'utilisation avec l'ensemble des interactions des pièces voisines.

' Ce recours massif à l'analyse ne nous dispense pas de faire des essais, bien au contraire, mais il nous permet de mieux les préparer. C'est par exemple ce que nous faisons en aérodynamique. Nous avons en effet investi lourdement dans une soufflerie aérodynamique qui nous permet de tester des voitures à l'échelle 1/2.

Nous jouons en permanence de la complémentarité entre essais virtuels et essais physiques afin de réduire le temps de développement global. Les multiples essais virtuels nous permettent de cerner les problèmes et n'essayer en soufflerie que ce qui en vaut la peine. Le virtuel nous permet d'optimiser le recours au réel.

Toutefois, il reste bien souvent beaucoup plus rapide de modifier légèrement une pièce à l'atelier et de relancer un essai en soufflerie, plutôt que de recréer un modèle 3D et de relancer un cycle de calcul. Nous jouons la complémentarité, je vous dis '.

Capitaliser les savoir-faire

' Dans d'autres domaines nous utilisons des outils de type Generative Car Design proposés par Catia qui nous permettent de créer des modèles de pièces intelligents qui savent s'adapter automatiquement en cas de modification, en réutilisant le savoir-faire des ingénieurs. Les gains de temps de conception peuvent dans ce cas atteindre les 30 à 40 %.

De même, les outils de modélisation des pilotes présents dans Catia V5 nous permettent de concevoir un cockpit à la fois ergonomique, sûr et qui minimise les effets de la chaleur, du bruit et des vibrations sur les pilotes. Il devient ainsi aisé de simuler le comportement du pilote, tout en évaluant son champ de vision, sa capacité à atteindre des commandes, le confort de sa position, ainsi que les efforts auxquels il sera soumis. Nous leur créons un cockpit sur mesure sans qu'il soit nécessaire de les mobiliser pour de nombreuses séances d'essayage '.

La maquette numérique à l'atelier et au bord de la piste

' Nous testons aussi l'utilisation de la maquette numérique sur des ordinateurs portables dans les box où sont assemblées les voitures. Les mécaniciens et les ingénieurs ont en effet accès à la maquette numérique de la voiture qu'ils sont chargés d'assembler. Ils peuvent ainsi valider des enchaînements d'opérations ou mieux comprendre le fonctionnement de certaines pièces, ce qui peut éviter des erreurs toujours néfastes pour les performances.

Cette maquette numérique les accompagne d'ailleurs sur les circuits lors des grands prix. C'est beaucoup plus convivial et nettement plus économique que de volumineux dossiers de plans, pas forcément à jour '.

' De fait, depuis nos débuts avec Catia en 1999, nous avons créé 6 types de moteurs ainsi que 5 châssis différents, ce qui représente plus de 400 000 modèles 3D. Nos cycles de développement accélérés nous permettent de découvrir rapidement tous les problèmes potentiels que pourraient générer des manques dans les logiciels.

C'est pourquoi nous avons mis en place un véritable partenariat avec Dassault Systèmes qui détache en permanence environ 6 personnes dans nos locaux. Elles servent d'interface entre nos équipes de développement et les laboratoires de Dassault Systèmes qui ajoutent sans cesse de nouvelles fonctionnalités ou optimisent celles déjà existante.

Parallèlement, notre maison mère japonaise suit de près l'évolution des méthodologies de travail que nous mettons en place, car nos cycles de développement sont nettement plus courts que ceux traditionnellement en place dans l'industrie automobile. Nous servons en quelque sorte de banc de test en vitesse accélérée des approches qu'ils sont eux-mêmes entrain de mettre en place ', conclu Waldemar Klemm.

Une approche PLM qui semble porter ses fruits puisque Toyota a marqué ses 4 premiers points du championnat 2004 lors du Grand Prix de Monaco le week-end dernier.

A la semaine prochaine.

Pour en savoir plus
http://www.toyota-f1.com
http://www.3ds.cm

Jean-François Prevéraud, journaliste à Industrie & Technologies, suit depuis 22 ans l'informatique industrielle et plus particulièrement les applications destinées au monde de la conception (CFAO, GDT, Calcul/Simulation, PLM…). Il était jusqu'à une date récente rédacteur en chef de la lettre bimensuelle Systèmes d'Informations Technologiques, qui a été intégrée à cette lettre Web hebdomadaire.

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