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Le tolérancement en quête d'efficacité

Aurélie Barbaux ,

Publié le

Enquête Parce qu'il n'est pas toujours optimisé, le tolérancement augmente les coûts de production. Chercheurs, éditeurs et industriels tentent de changer la donne, grâce à de nouvelles normes et à des logiciels d'aide au tolérancement en 3D.

C'est une petite erreur qui a de lourdes conséquences. Sur un plan, une tolérance un peu trop fine est portée, par précaution ou par habitude, mais sans réelle justification fonctionnelle. Difficile ensuite à remet-tre en cause, cette mesure du défaut géométrique admissible est répercutée tout au long du process de fabrication. Conséquence, les coûts de production et les taux de rebut s'envolent. Adieu la marge ! Bien souvent, ce scénario catastrophe n'a rien d'une fiction.

« La CAO 3D des effets pervers. Parce qu'elle permet de concevoir plus vite des modèles en volume, elle relègue le tolé- rancement à une activité d'habillage de plan, en fin de conception », regrette Luc Mathieu, professeur et chercheur au laboratoire universitaire de recherche en production automatisé (Lurpa) de l'ENS Cachan. Du coup, les concepteurs vont au plus vite et appliquent des tolérances par expérience, sans toujours vérifier leur pertinence fonctionnelle. En cas de doute, ils ont plutôt tendance à diminuer la tolérance, ce qui augmente immanquablement les coûts de fabrication. Mais le drame ne s'arrête pas là. « Toutes les entreprises ne suivent pas l'évolution des normes de toléran-cement », constate Pascal Souquet, expert en mesure au Cetim. Conséquence, sous-traitants ou bureaux des méthodes interprétent comme ils le peuvent les données, et optent généralement pour la sécurité au risque de sur-qualité. Même démarche au contrôle qualité, qui en l'absence d'indicateurs, donne la même importance à toutes les tolérances, au risque de rejeter des pièces qui pourraient être utilisées.

Ces dysfonctionnements ne sont pas une fatalité. Conscients du problème, les industriels cherchent des solutions et se tournent vers les éditeurs de logiciels et les laboratoires de recherche. Trois pistes sont actuellement explorées : une normalisation des spécifications géométriques des produits, la conception d'outils de tolérancement 3D en CAO (Conception assistée par ordinateur) et le tolérancement assisté par ordinateur avec des outils de simulation.

Spécifier la pièce dans son contexte

Premier axe de recherche, la normalisation des spécifications géométriques apparaît essentielle. « Aujourd'hui, on ne raisonne plus qu'en 3D », constate François Picart, responsable du bureau d'études capteurs chez ElectriFil Industries. Or, les normes actuelles de tolérancement sont basées sur des exemples de vues en 2D. Les chercheurs ont donc imaginé un nouveau langage graphique, dédié à la description des spécifications géométriques d'un produit, le GPS (pour Geometric product specification). Ce système permet non seulement de coter et de porter des tolérances directement sur des modèles 3D mais également de prendre en compte la texture, les états de surface et l'environnement de la pièce. Il est en cours de normalisation au sein d'un groupe de travail de l'Iso. « Il existe déjà des documents de travail public, mais les premières publications normatives ne sont prévues que début 2005 », dévoile Renald Vincent, responsable de la métrologie au Cetim. Entamé en 1996, ce travail de description et de sémantique se concrétise enfin, mais soulève des enjeux politiques. « Les Américains poussent leur propre norme, incomplète mais adoptée par les éditeurs de logiciels, en attendant mieux, explique Renald Vincent. Au sein même de l'Iso, deux sous-comités travaillent en parallèle, mais pas toujours exactement dans le même sens. » Bref, la route est encore longue. D'autant que ces travaux ne prennent pas en compte des concepts innovants, comme la tolérance statistique ou le SkinModel. Le premier consiste à raisonner par lots comme en fabrication. Le second « permet aux concepteurs CAO de raisonner avec des surfaces imparfaites, contrairement à la perfection affichée par les logiciels de CAO », explique Luc Mathieu, du Lurpa.

Seconde piste de recherche pour les éditeurs de logiciels de CAO 3D, la conception d'outils de tolérancement 3D, sans atten- dre les nouvelles normes. « Il s'agit d'assister les concepteurs dans leur démarche en leur donnant des outils de vérification de syntaxe et de sémantique. Ils peuvent ainsi s'assurer que les indications qu'ils ont portées correspondent au type de pièce et à sa fonction et qu'il n'en manque pas », résume le professeur Max Giordano qui dirige le laboratoire de mécanique de l'ENS Annecy et travaille avec l'éditeur Missler Software sur le sujet. « Nous avons surtout rendu les données de cotation et de tolérance 3D réutilisables par d'autres logiciels, alors qu'auparavant, les spécifications n'existaient que sous la forme de fichiers texte neutres, destinés uniquement à la lecture », précise Dominique Gaunet, expert tolérance chez Dassault Systèmes. A terme, le tolérancement 3D permettra d'éviter l'étape de la mise en plan. « Déjà, les Etats-Unis acceptent certains modèles CAO 3D dans les échanges entre donneurs d'ordres et sous-traitants », remarque Dominique Gaunet.

Le tolérancement 3D redonne aussi aux concepteurs une charge, qui avait été confiée aux seuls experts. Il autorise surtout une remise en cause de la place du tolérancement dans les étapes de conception. « Il faut penser le plus en amont possible à la faisabilité technique de pièces en interne ou par les fournisseurs », précise Laurent Verdin, spécialiste en cotation fonctionnelle chez Renault qui a entamé depuis 1993 un vaste programme de formation interne aux normes du tolérancement. Une approche de la conception en CAO, défendue par des écoles d'ingénieurs. Des éditeurs, propose d'ailleurs de définir un squelette sur lequel seront posées les bases de la cotation fonctionnelle avant d'entamer la mise en volume.

L'avènement du TAO

Troisième piste pour améliorer la pertinence des tolérancements, la conception de logiciels de tolérancement assisté par ordinateur (TAO ou CAT pour Computer aided tolerancing). L'un d'entre eux concerne l'optimisation des assemblages. On parle alors d'analyse statistique. A partir des modèles CAO 3D, il s'agit de vérifier que la chaîne des cotes est bien respectée. Ces nouveaux logiciels utilisent pour la plupart la méthode de Monte Carlo (simulation informatique de variables aléatoires).

Celle-ci ne fournit pas aux concepteurs la valeur d'une tolérance (on parlerait alors de synthèse, calcul très complexe encore impossible aujourd'hui) mais donne aux experts une hiérarchie des cotes à respecter. « Ces logiciels permettent aux services qualité d'évaluer l'importance de telle ou telle tolérance », explique Philippe Le Faou, à l'origine du logiciel Tolerance Manager développé pour les besoins de Schneider Electric.

Pour plus d'efficacité, des produits comme eMPower Quality de Tecnomatix ou Ce-Tol de Rand Worldwide, proposent même de vérifier la faisabilité des pièces et des montages en fonction des moyens de production de l'entreprise. Cette solution nécessite toutefois de disposer d'un référentiel process au niveau des bureaux des méthodes. Un cas encore très rare.

Vers une traçabilité tout au long du cycle de vie d'un produit

Une autre approche consiste à étudier le comportement des assemblages au moment du choix de leur architecture. Un logiciel comme Mecamaster, de l'éditeur du même nom, permet d'effectuer une analyse des tolérances, intégrant approche cinématique et calcul d'effort, à partir des points de contacts entre les pièces. « Cette approche permet de travailler avant que les pièces ne soient entièrement dessinées, ce qui est très important dans les domaines de l'aéronautique ou de l'automobile, où de plus en plus d'études sont menées en parallèles pour réduire les cycles », explique Paul Clauzel, professeur à Centrale Lyon et conseillé scientifique de Mecamaster. Méfiants, les chercheurs universitaires, avant de les recommander, vérifient néanmoins la pertinence de modèles mathématiques utilisés par ces logiciels, qui font parfois figure de boîte noire.

Cependant, « tous ces efforts d'optimisation ne servent à rien si les motivations techniques des spécifications se perdent en chemin », rappelle Luc Mathieu du Lurpa qui réfléchit à un système de traçabilité des données de tolérancement tout au long du cycle de vie du produit. Ce qui permettrait notamment au concepteur chargé de modifier une pièce, de la tolérancer, en tout connaissance de cause.

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