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1 C O N C E P T I O N R O B U S T E Les concepts et la méthodologie de Taguchi

1 C O N C E P T I O N R O B U S T E Les concepts et la méthodologie de Taguchi dans le design de produits Bernard Clément PhD École Polytechnique de Montréal et Génistat Conseils Inc. Novembre 2000 2 RÉSUMÉ Génichi Taguchi, ingénieur japonais et statisticien, a mis de l'avant une méthodologie appelée conception robuste pour aider les ingénieurs durant la phase de conception des produits, phase où les gains en qualité sont les plus significatifs. Le système intégré de l'ingénierie de la qualité de Taguchi repose sur l'idée de robustesse comme moyen de neutraliser les effets des facteurs incontrôlables de bruit. La communauté statistique a critiqué plusieurs concepts et certaines des méthodes proposés par Taguchi. Notre objectif est de faire une présentation de cette méthodologie, de l'illustrer à l'aide d'un exemple et, de contribuer à faire le pont entre ingénieurs et statisticiens. 3 Table des matières 1 INTRODUCTION 2 LA PHILOSOPHIE DE TAGUCHI 2.1 L'ingénierie robuste 2.2 Les bénéfices 3 LA CONCEPTION ROBUSTE DU PRODUIT 3.1 La conception des essais 3.2 La caractérisation de la robustesse 3.3 Les sources de bruit 3.4 Les étapes de conception robuste 4 L'OPTIMISATION DES PARAMETRES DU PRODUIT - PROCEDE 4.1 La classification des facteurs 4.2 La réponse et la métrique signal-bruit 4.3 Le choix des valeurs des paramètres 4.4 Les designs d'évaluation 4.5 Les conditions de bruit 4.6 L'évaluation des designs sélectionnés 4.7 Le design optimal 4.8 La confirmation 4.9 La conception du procédé 5 EXEMPLE 5.1 Le circuit RL 5.2 Les facteurs de bruit 5.3 Le plan croisé des essais 5.4 La comparaison des designs 6 LA CONCEPTION DES TOLERANCES 6.1 Les coûts technologiques 6.2 La méthode d'analyse 6.3 Exemple : le circuit RL 6.4 Les tolérances de fabrication 7 CONCLUSION APPENDICE : équivalence entre le minimiser le l'écart quadratique moyen et maximiser le rapport signal-bruit REFERENCES 4 1. INTRODUCTION La méthodologie de Taguchi a donné lieu à de nombreuses controverses dans la communauté des statisticiens depuis une douzaine d'années. Plusieurs articles, [1], [5], [6], [10], [14], [15], présentent des évaluations et des critiques sur les concepts introduits par Taguchi. Ces articles proviennent de la communauté statistique. On questionne l'utilisation de concepts et méthodes statistiques qui semblent douteux ou inappropriés. Sans être exhaustif mentionnons, parmi les principales critiques : l'utilisation du rapport signal-bruit, les plans de résolution III, l'hypothèse de l'absence d'interactions sauf quelques-unes très ciblées, l'utilisation de certaines méthodes d'analyse statistiques et d'optimisation. Il n'y a pas de doute, les idées mises de l'avant par Taguchi provoquent de la discussion. L'objectif de notre article est double. En premier, faire une présentation des concepts principaux mis de l'avant par Taguchi et de les illustrer à l'aide d'un exemple. Notre deuxième objectif est de faire le pont entre les ingénieurs et les statisticiens en espérant une plus grande compréhension entre les deux communautés scientifiques. Nous croyons que les uns et les autres tireront des bénéfices par l'adoption d'un dialogue constructif. 2. LA PHILOSOPHIE DE TAGUCHI 2.1 L'ingénierie de la qualité Le nouveau paradigme mis de l'avant par Taguchi met l'emphase sur la qualité dans les activités de design, phase où les gains en qualité sont les plus significatifs. Les éléments principaux de cette stratégie sont en ordre d'importance § l'emphase sur la robustesse, § l'optimisation de la robustesse à l'étape du design, § l'utilisation de la métrique signal-bruit SB pour mesurer la performance, § l'utilisation d'un système intégré de l'ingénierie de la qualité, § l'utilisation des plans statistiques d'essais pour l'optimisation. L'emphase sur la robustesse est le plus important des éléments et non pas, l'utilisation d'essais comme plusieurs croient. Les bénéfices de cette stratégie sont : la réduction du temps de développement des produits, une réduction des coûts, particulièrement ceux liés aux nombreuses mises au point assez typiques dans une approche traditionnelle avant le lancement du produit. Les éléments su système de l'ingénierie de Taguchi sont représentés à la figure A. 5 Figure A : ingénierie de la qualité CONCEPT ET ARCHITECTURE PARAMÈTRES PRODUIT PARAMÈTRES TOLÉRANCES PARAMÈTRES PROCÉDÉ DESIGN - CONCEPTION FABRICATION - PRODUCTION FACTEURS DE BRUIT VARIATIONS CONDITIONS D'UTILISATION VARIATIONS CONDITONS PRODUCTION USURE ET AUTRES FORMES DÉTÉRIORATION DÉGRADATIONS DE PREFORMANCE PERTES DE QUALITÉ 6 2.2 . Les bénéfices de la robustesse La robustesse a de nombreux bénéfices. En premier lieu, la performance du produit est proche de la performance idéale dans des conditions d'utilisation variées. Deuxièmement, il y a une réduction des coûts car on a atténué la sensibilité aux variations dans les conditions d'opération en cours de fabrication. On a donc besoin de moins de précision pour les caractéristiques de matériaux et le maintien rigoureux des paramètres d'opération. Donc moins de pièces rebutées, moins d'inspection et conséquemment, moins de pièces retravaillées. Finalement, le cycle de développement de produit est raccourci. Dans une approche plus traditionnelle de design, les sous-systèmes sont développés à un stade assez avancé de faisabilité afin de pouvoir les mettre à l'épreuve dans le système complet. C'est alors que surgissent de nouveaux problèmes causés par les interactions entre les sous-systèmes lors de l'étape de leur intégration. Ces problèmes sont la manifestation d'un manque de robustesse. Lorsque le sous-système A est intégré avec les sous-systèmes B, C, D,…pour la première fois, le sous-système A est mis dans un nouvel environnement de bruit que sont les sous-systèmes B, C, D,…. Si le sous-système A n'est pas robuste alors la performance ne sera pas satisfaisante. Par contre dans un contexte de développement robuste, les sous-systèmes A, B, C, ... seront robustes et les effets négatifs de leur intégration seront grandement atténués. En effet, le sous- système A est robuste vis à vis les autres sous-systèmes B, C, D, ... tandis que la grandeur des bruits causés par B, C, D, ... a été réduit. Combinés ces effets réduisent les problèmes de performance erratique après l'intégration des sous-systèmes. C'est de la prévention à son meilleur. 3. LA CONCEPTION ROBUSTE DU PRODUIT 3.1 La conception des essais Après la phase initiale du choix d'un concept supérieur, l'équipe de design fait face à des décisions critiques qui vont au-delà de l'expertise collective pour l'optimisation des caractéristiques Y critiques pour la qualité (CPQ) L'équipe doit identifier les facteurs (ou paramètres) de contrôle critiques X et définir leur meilleur intervalle de variation. Par exemple, l'équipe pourrait identifier le coefficient de friction X comme un paramètre critique et leur expérience collective pourrait leur dicter que la valeur nominale (ou cible) devrait être entre 2 et 3. Cela est typique de l'activité de l'ingénierie traditionnelle. Toutefois le problème est beaucoup plus difficile et là, leur expérience collective fait face à des difficultés qui vont bien au-delà de leur vécu collectif. En effet, l'équipe pourrait facilement identifier une douzaine de paramètres critiques parmi plusieurs dizaines de paramètres de design. Bien sûr le choix judicieux de la douzaine de paramètres repose sur leur jugement et leur expertise commune. Jusque là, le processus de design est maîtrisé. Maintenant, il semblerait prudent d'évaluer, disons, 3 possibilités pour chaque paramètre X : les extrémités de l'intervalle de variation ainsi que le point milieu de l'intervalle. Avec 12 paramètres par exemple, il y a un très grand nombre de possibilités : 312 = 531 441. Cela exige trop de ressources : durée pour les évaluations numériques, coût des prototypes, etc. Une autre difficulté réside dans le choix de la métrique pour faire l'évaluation des prototypes alors que l'on est très tôt dans la phase de développement. Il est donc exclut d'évaluer toutes les possibilités. Mais cela pose la question : comment évaluer un nombre restreint de possibilités et obtenir une réponse satisfaisante qui repose sur une démarche que l'on peut résumer par : construire - tester - réparer. Ici, la démarche de design traditionnel a besoin d'un outil provenant de la statistique : la planification des essais. Cet outil permet de définir d'une 7 manière optimale l'ensemble restreint des tests à réaliser autrement que par la stratégie traditionnelle employée en design : faire varier un paramètre à la fois. Cette stratégie expérimentale est inefficace et inefficiente. Elle ne permet pas de bien séparer les effets des paramètres, les effets ne sont pas estimés avec une précision égale et finalement, elle exige un nombre supérieur de tests en comparaison avec les plans statistiques. 3.2 La caractérisation de la robustesse La robustesse pourrait se définir simplement par petite variabilité autour d'une cible. Les statisticiens ont depuis longtemps proposé le concept d'écart quadratique moyen (EQM) pour mesurer la performance d'une caractéristique Y visant une cible. L'indicateur de performance de Y est la somme de deux contributions définies par l'équation (1) : EQM = σ Y 2 + (μ Y – τ) 2 (1) où σ Y 2 représente la variance de la caractéristique Y μ Y représente la moyenne de Y τ représente la cible nominale visée Par exemple, la théorie de l'estimation des paramètres statistiques utilise le concept du EQM pour définir les concepts de précision et de biais d'un estimateur. Ici, il ne faut pas confondre le terme paramètre avec uploads/Industriel/ methode-de-taguchi.pdf