Méthodologie de prise de décision multicritère pour l'évaluation de la performance durable dans la conception et la fabrication des produits - Application à la fabrication additive

Multicriteria decision making methodology for sustainability evaluation in the design and manufacturing of engineering products – Application to Additive Manufacturing

• Auteur / Autrice : Getasew Ashagrie Taddese
• Direction : Emmanuel Duc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 22/02/2021
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...) en cotutelle avec Addis Ababa university
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pascal (Aubière, Puy-de-Dôme)
• Jury : Président / Présidente : Damien Trentesaux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Séverine Durieux, Eshetie Berhan, Berhanu Beshah, Abraham Debebe
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Peggy Zwolinski, Christophe Tournier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoconception

Prototypage rapide

Mots clés libres

Développement durable

Fabrication durable

Fabrication additive

Méthodologie de prise de décision multicritères

AHP

Sustainability

Sustainable manufacturing

Additive manufacturing

Multicriteria decision-making methodology

Analytic hierarchy process

Résumé

Prendre en compte le développement durable, devient un domaine d'intérêt majeur dans la conception et la fabrication actuelles des produits. Le passage de la conception pour la fabrication à la conception pour la fabrication additive est une opportunité pour les chercheurs et les fabricants d'équipements (OEM), de prendre en compte la performance durable de la conception et de la fabrication des produits tout au long de leur cycle de vie. Récemment, cette démarche est devenue courante pour les composants d'aéronefs à haute valeur ajoutée. Cependant, la majorité des travaux recherches n'a pas réussi à représenter pleinement le développement durable dans la fabrication, parce que pour y parvenir, il faut prendre en compte de manière équilibrée et exhaustive ses trois dimensions et utiliser une méthodologie de prise de décision multicritères (MCDM) appropriée dans la sélection des indicateurs de performance en fonction de l'objectif visé. Par ailleurs, la littérature montre que la fabrication additive présente de meilleures possibilités de performance durable que les procédés de fabrication conventionnels. L'objectif de cette étude est de développer une méthodologie MCDM complète pour la développement durable dans la conception et la fabrication de produits d'ingénierie, en prenant comme application de la fabrication de supports de visière réalisés selon trois processus : le moulage par injection, l'impression 3D et la découpe laser. La décision repose sur un processus de hiérarchie analytique (AHP). Pour ce faire, il faut d'abord évaluer l'exhaustivité des indicateurs de performance de durabilité (SPI) sur la base d'une prise en compte équilibrée de toutes les dimensions de la durabilité. Ensuite, l'élaboration d'une nouvelle liste de SPI soit complète, exhaustive, avec une interprétation appropriée pouvant être facilement validée est complétée. En outre, la performance durable des procédés de fabrication d'additifs est évaluée et enfin, une méthodologie de prise de décisionest proposée pour comparer la performance durable entre les trois procédés utilisés. L'ensemble de l'étude est organisé en trois parties. La première partie s'est concentrée sur l'élaboration d'une liste complète de SPI tout au long du cycle de vie du produit. Elle est obtenue par le biais d'un examen et d'une analyse approfondis de la littérature sur les exigences des produits durables, en évaluant de manière intensive différentes applications, cadres, indices d'indicateurs de performance durable et diverses recommandations basées sur les trois dimensions du développement durable (environnementale, économique et sociale). La deuxième partie se concentre sur l'analyse de la performance durable de la fabrication additive en considérant chaque dimension du développement durable. Cela a été fait en se concentrant sur la performance durable des processus de fabrication, qui évalue la catégorisation des processus de fabrication et une discussion plus détaillée sur les processus de fabrication conventionnels et additifs. La troisième partie de l'étude se concentre sur le développement d'une méthodologie de MCDM dédiée en utilisant le processus AHP. Cette méthodologie est proposée pour aider les décideurs à comparer la performance durable des trois procédés de fabrication en utilisant la prise en compte des SPI proposés.Un total de 68 SPI est proposé comme premier résultat de cette étude. Parmi eux, 29 concernent l'environnement, 9 l'économie et 30 la dimension sociale de la durabilité. Outre la proposition de ces indicateurs, le niveau de subjectivité existant, les considérations relatives au cycle de vie des produits, la quantification et la stratégie d'interprétation sont pris en compte. Deuxièmement, une analyse comparative des performances durable des procédés de fabrication additive est effectuée en se concentrant sur les schémas de sélection des critères, les exigences de modification de la conception et divers autres facteurs. (...)

Assuring sustainability is becoming a key focus area in the current design and manufacturing of products. The emerging shift from design for manufacturing to design for additive manufacturing is a prospect for researchers and original equipment manufacturers (OEMs) to focus on sustainability of design and manufacturing of products throughout the products’ life cycle. Recently, this is common in high-value aircraft components. However, the majority of past researches failed to fully achieve sustainability in manufacturing because achieving it requires balanced and exhaustive consideration of sustainability dimensions and utilization of appropriate multicriteria decision-making methodology (MCDM) in metrics selection based on the intended goal. Most research outcomes during the past decade also revealed that additive manufacturing is showing better opportunities for sustainable performance than conventional manufacturing processes. Therefore, many research outcomes recommend industries and OEMs to make informed decisions by fully understanding and taking simultaneous and balanced consideration of sustainability and its dimensions in product design and manufacturing.The purpose of this study is to develop a comprehensive MCDM methodology for sustainability in the design and manufacturing of engineering products by taking an application of Faceshield bracket manufacturing using three processes; Injection molding, 3D printing, and Laser cutting by using Analytical Hierarchy Process (AHP). To do so, it was necessary to first assess the comprehensiveness of sustainability performance indicators (SPIs) based on a balanced consideration of all dimensions of sustainability. Then the development of a new list of SPIs which is comprehensive, exhaustive, with an appropriate interpretation that can be easily validated is supplemented. Moreover, the sustainability performance of additive manufacturing processes is assessed and finally, a methodology of MCDM is proposed to compare sustainable performance between processes used to manufacture three different types of Faceshield brackets. The whole study is organized into three parts. The first part focused on the development of a comprehensive list of SPIs throughout the life cycle of the product. This was done through extensive literature review and analysis about requirements of sustainable products and review, describe and analyze a comprehensive list of these indicators by intensively assessing different applications, frameworks, sustainability indicators indexes, and various recommendations based on the three dimensions of sustainability (environment, economic and social). The second part focuses on analyzing the sustainability performance of additive manufacturing considering each dimension of sustainability. This has been done by focusing on the sustainability of manufacturing processes, which assesses categorization of manufacturing processes and a more detailed discussion on conventional and additive manufacturing processes. The third part of the study focuses on developing a compressive MCDM methodology by using Analytic Hierarchy Process (AHP). This methodology is proposed to assist decision-makers in comparing the sustainability performance of the three manufacturing processes by using considering the proposed SPIs.A total of 68 SPIs are proposed as the first outcome of this study. Among which, 29 are for the environment, 9 are for economic and 30 are for the social dimension of sustainability. Besides the proposal of these indicators, the existing level of subjectivity, product life cycle considerations, quantification, and interpretation strategy is taken into account. Secondly, comparative analysis on the sustainability performance of additive manufacturing processes is done focusing on criteria selection schemes, design modification requirements, and various factors as a selection approach. (...)