Usage des technologies de l'industrie 4.0 pour les systèmes de production circulaires

Industry 4.0 technologies for circular production systems

• Auteur / Autrice : Maxence Denu
• Direction : Pierre David
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : GI - Génie Industriel : conception et production
• Date : Inscription en doctorat le 15/12/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sciences pour la conception, l'optimisation et la production (Grenoble)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Gestion et Conduite des Systèmes de Production

Mots clés

Mots clés libres

Économie circulaire

Industrie 4.0

Système de production

Industrialisation

Circular economy

Industry 4.0

Production system

Industrialization

Résumé

La mise en place de l'économie circulaire, nécessite l'apparition de nouveaux systèmes de production prenant place dans la boucle de retour des produits, pour leur désassemblage, remise à niveau ou amélioration. Du point de vue de la chaîne de valeur globale, des auteurs comme (Luthra & Mangla, 2018) et (Prieto-Sandoval et al., 2019) prédisent que les technologies de l'Industrie 4.0 (TI4.0) seront nécessaires à la transition de l'économie linéaire à l'économie circulaire. Les transformations sont attendues dans les produits, dans la gestion de la chaîne de la valeur et aussi dans les ateliers de production. Les systèmes de production prenant place dans la boucle de retour des produits se distinguent des ateliers usuels regroupant des activités de fabrication et d'assemblage dans diverses mesures : • Les flux sont divergents (VS flux convergents en production classique) et parfois re-convergents (upgrading, réparation). • La variabilité des entrants est plus forte en termes de produits à traiter (plus de variantes). Des reconfigurations du processus (spatiales ou séquentielles) sont plus nombreuses. • Il existe une forte incertitude sur la qualité des entrants et sur les éléments intermédiaires ou finaux qui seront collectés. • Il existe une incertitude plus forte sur le temps des opérations et les moyens nécessaires à leur réalisation (en particulier dans le désassemblage) • Il existe une incertitude sur la qualité et la destination des sortants du système de production Pourtant, ces systèmes de production devront être pilotés pour faire face dans les années futures à une activité accrue tout en maintenant de hautes performances industrielles en termes d'efficience, d'efficacité et de soutenabilité des opérations. Les systèmes de remanufacturing sont en effet soumis aux mêmes exigences de qualité, rapidité, flexibilité et coût ; ceci portent les gestionnaires de ces systèmes à tenter de transposer les meilleures pratiques de l'industrie manufacturière classique à ces systèmes de production (Ferrer et al., 2011). La nécessité est donc forte d'éclaircir les opportunités d'utiliser les TI4.0 dans le contexte de l'économie circulaire. Nous souhaitons explorer les apports concrets de certaines technologies que sont : le RTLS (Real Time Location System), les AIV (Autonomous Intelligent Vehicle), l'IIoT (Industrial Internet of Things) et les MES (Manufacturing Execution System) dans un contexte de conduite d'un atelier de désassemblage, réparation, mise à niveau ou réaffectation de produits. En effet, les hypothèses posées sur les singularités des systèmes de production circulaires montrent des besoins de traçabilité, d'adaptabilité et d'agilité fortes. Ces aspects sont ceux mis en avant par les promoteurs des TI 4.0. En l'état des connaissances actuelles, il semble nécessaire de caractériser les systèmes de production nécessaires à l'existence de l'économie circulaire et de vérifier si les TI4.0 seront des moyens nécessaires à leur réalisation. De nombreuses publications indiquent que ces technologies seront essentielles pour la mise en place de l'économie circulaire (Luthra & Mangla, 2018; Prieto-Sandoval et al., 2019). Mais peu de travaux font des démonstrations techniques des apports constatés (Kerin & Pham, 2019). La majorité des apports de l'I4.0 pour la mise en place de l'économie circulaire sont focalisés sur la gestion de la chaîne logistique externe (traçabilité, connectivité) ou sur les moyens de production (impression 3D), mais peu d'études analysent la partie de la gestion opérationnelle et tactique des ateliers. Les principales études publiées sont principalement des enquêtes sur le ressenti des industriels quant aux bénéfices attendus ou obtenus des TI4.0 (Bai et al., 2020; Kumar et al., 2020). Quelques études comme (Ferrer et al., 2011) (étude d'un système RFID pour un atelier de réparation) donnent des études de cas mais sont souvent limitées à une analyse par simulation. Enfin les apports des TI4.0 dans un contexte de remanufacturing sont peu discutés en termes de performance globale de l'atelier. L'état de l'art présenté dans (Kerin & Pham, 2019) classe les contributions des TI4.0 pour le remanufacturing autour des produits, des équipements de production, des processus (au sens monitoring des produits) et des organisations (business models, infrastructure de partage d'information). Peu d'implications sur les conditions de conduites et les performances de l'atelier y sont évoquées. Dans les travaux proposés, les questions de recherche abordées seront : Les technologies de l'industrie 4.0 seront-elles des ressources adéquates pour la conduite des ateliers dans un contexte d'économie circulaire ? Peut-on donner des preuves techniques ou expérimentales des apports de certaines technologies de l'industrie 4.0 pour la mise en place de systèmes de production dans un contexte d'économie circulaire ? L'utilisation de ces technologies posent aussi de nouvelles questions éthiques dans l'atelier. Pour envisager une utilisation souhaitable des TI4.0, il faut aussi en analyser leurs interactions avec les personnels de l'atelier. Ce serait un contre sens d'imaginer la mise en place de l'économie circulaire sans technologies éthiques et soutenables (Kumar et al., 2020). La performance des TI4.0 dans un atelier est donc à envisager sous différentes perspectives incluant notamment les aspects éthiques et soutenables (voir par exemple (Berrah et al., 2021)). Pour apporter des preuves de la nécessité ou non de l'utilisation de technologies de I4.0 dans le contexte décrit, nous souhaitons travailler selon différentes approches : les études de terrains, la simulation et l'utilisation d'expérimentations émulant les systèmes réels en laboratoire. Pour la partie étude de terrain nous pouvons nous appuyer sur les réseaux industriels constitués lors du CDP Circular et ceux de nos institutions (Université, Laboratoire). Pour la partie simulation, nous disposons notamment au laboratoire G-SCOP d'une grande expérience en simulation de système de production. Enfin, nos laboratoires sont équipés depuis septembre 2021 d'une plateforme physique d'émulation d'ateliers industriels (Plateforme Operations Management). Cette plateforme est reconfigurable pour refléter différentes dispositions d'atelier. Elle est équipée de différents systèmes représentatifs des TI4.0. tels que des AIVs, des cobots, un système de stockage automatisé, un RTLS, un MES pour citer les principaux. Il sera proposé de monter différentes expérimentations représentatives des situations de production nécessaires en économie circulaire.

The implementation of the circular economy, requires the emergence of new production systems taking place in the return loop of products, for their disassembly, refurbishment or improvement. From a global value chain perspective, authors such as (Luthra & Mangla, 2018) and (Prieto-Sandoval et al., 2019) predict that Industry 4.0 (IT4.0) technologies will be necessary for the transition from the linear to the circular economy. Transformations are expected in products, in value chain management and also on the production floor. The production systems taking place in the product return loop are different from the usual workshops grouping manufacturing and assembly activities in various measures: - The flows are divergent (VS convergent flows in conventional production) and sometimes re-convergent (upgrading, repair). - The variability of inputs is greater in terms of the products to be processed (more variants). Process reconfigurations (spatial or sequential) are more numerous. - There is a high degree of uncertainty about the quality of the inputs and the intermediate or final elements that will be collected. - There is greater uncertainty about the time of the operations and the means necessary to carry them out (especially in disassembly) - There is uncertainty about the quality and destination of the output of the production system However, these production systems will have to be managed to cope with increased activity in the future while maintaining high industrial performance in terms of efficiency, effectiveness and sustainability of operations. Re-manufacturing systems are subject to the same requirements of quality, speed, flexibility and cost; this leads the managers of these systems to try to transpose the best practices of the classical manufacturing industry to these production systems (Ferrer et al., 2011). There is therefore a strong need to clarify the opportunities for using IT4.0 in the context of the circular economy. We wish to explore the concrete contributions of certain technologies such as: RTLS (Real Time Location System), AIV (Autonomous Intelligent Vehicle), IIoT (Industrial Internet of Things) and MES (Manufacturing Execution System) in a context of running a workshop for disassembly, repair, upgrading or reallocation of products. Indeed, the hypotheses posed on the singularities of circular production systems show strong needs of traceability, adaptability and agility. These aspects are those put forward by the promoters of IT 4.0. In the current state of knowledge, it seems necessary to characterize the production systems necessary for the existence of the circular economy and to verify whether IT4.0 will be a necessary means to their realization. Many publications indicate that these technologies will be essential for the implementation of the circular economy (Luthra & Mangla, 2018; Prieto-Sandoval et al., 2019). But few works provide technical demonstrations of the contributions found (Kerin & Pham, 2019). The majority of the contributions of I4.0 for the implementation of the circular economy are focused on the management of the external supply chain (traceability, connectivity) or on the means of production (3D printing), but few studies analyze the part of the operational and tactical management of the workshops. The main studies published are mainly surveys on the feelings of manufacturers about the expected or obtained benefits of IT4.0 (Bai et al., 2020; Kumar et al., 2020). A few studies such as (Ferrer et al., 2011) (study of an RFID system for a repair shop) give case studies but are often limited to a simulation analysis. Finally, the contributions of IT4.0 in a remanufacturing context are little discussed in terms of overall workshop performance. The state of the art presented in (Kerin & Pham, 2019) classifies the contributions of IT4.0 for remanufacturing around products, production equipment, processes (in the sense of product monitoring) and organizations (business models, information sharing infrastructure). Few implications on the operating conditions and performance of the workshop are mentioned. In the proposed work, the research questions addressed will be : Will Industry 4.0 technologies be adequate resources for shop floor operations in a circular economy context? Can we give technical or experimental evidence of the contributions of some Industry 4.0 technologies for the implementation of production systems in a circular economy context? The use of these technologies also raises new ethical questions in the workshop.In order to envisage a desirable use of IT4.0, it is also necessary to analyze its interactions with shop floor staff. It would be counterintuitive to imagine the implementation of the circular economy without ethical and sustainable technologies (Kumar et al., 2020). The performance of IT4.0 on a shop floor should therefore be considered from different perspectives including ethical and sustainable aspects (see for example (Berrah et al., 2021)). To provide evidence of the necessity or not of the use of I4.0 technologies in the described context, we wish to work according to different approaches: field studies, simulation and the use of experiments emulating real systems in the laboratory. For the field study part we can rely on the industrial networks constituted during the CDP Circular and those of our institutions (University, Laboratory). For the simulation part, we have at our G-SCOP laboratory a large experience in production system simulation. Finally, our laboratories are equipped since September 2021 with a physical platform for emulating industrial workshops (Operations Management Platform). This platform is reconfigurable to reflect different workshop layouts. It is equipped with various systems representative of IT4.0. such as AIVs, cobots, an automated storage system, an RTLS, an MES to name the main ones. It will be proposed to set up different experiments representative of the production situations necessary in circular economy.