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Laboratoire des Sciences pour la Conception, l'Optimisation et la Production de Grenoble
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(Re)conception de l’outil de production dans un contexte de minimisation de la consommation énergétique

Directeur(s) de thèse : Henri PARIS

Ecole doctorale IMEP2

Date de début  (souhaitée) : Septembre 2012

Financements envisagés - Contexte - Partenaires éventuels : Bourse région

Description du sujet

L'industrie française consomme actuellement prés de 28% de la production énergétique et représente environ 23% des émissions de CO2 [1]. Les études menées par plusieurs experts donc les membres du CIRP [2] mettent en avant l'important potentiel d'économie au sein d'un site industriel. Ces économies sont maintenant nécessaires car les ressources énergétiques sont limitées et la demande énergétique mondiale continue à croitre et est estimée à +45% en 2030 [3-4].

L'amélioration de l'efficacité énergétique nécessite d'une part, une analyse fine des outils et process de production et d'autre part l'étude de process alternatifs innovants [5].

En effet, la stratégie retenue aujourd'hui s'appuie sur des techniques bien stabilisées. La mise en place de techniques plus innovantes permet actuellement de produire des pièces mécaniques par ajout de matière. La question de retenir un process par enlèvement de matière à partir d'une pièce brute (usinage) ou un process par ajout de matière se pose actuellement. La réponse à cette question est loin d'être simple car il est nécessaire de prendre en compte l'ensemble des étapes de production allant du minerai à la pièce finie voire recyclée du point de vue énergétique et impacts sur l'environnement. De plus, nous ne disposons pas actuellement d'indicateurs pertinents pour pouvoir comparer des process différents. Nous travaillons actuellement à la définition de tels indicateurs.

L'analyse fine des outils et process de production nécessite de mesurer les consommations des différents organes de l'outil de production de manière à identifier la part de la consommation directement liée aux actions apportant de la valeur ajoutée au produit. A partir de ces informations, il est alors possible de mener des actions pour réduire la consommation énergétique. Ces actions peuvent porter sur :

  • L'optimisation des paramètres du process. Les différentes études [6, 7] montrent que le gain reste faible car les paramètres sont déjà optimisés pour répondre aux contraintes de productivité. 
  • La (re)conception l'outil de production tout en conservant le process retenu. Une part importante de l'énergie est consommée par l'outil de production lorsque celui-ci n'apporte pas de valeurs ajoutée au produit. Cela correspond dans le cas d'une machine outil, à l'énergie consommée par les différents organes lorsque celle ci ne produit pas de copeaux. De plus, la plupart des moyens de production ne disposent pas de dispositif de mise en veille lorsque ceux-ci ne sont pas en phase de production. Cette (re)conception peut se dérouler sans évolution du process. Dans ce cas, la conception où l'amélioration de l'outil de production devra intégrer les contraintes liées à la réduction des consommations énergétiques et des impacts sur l'environnement. Cette (re)conception peut aussi se dérouler en repensant le process. Dans ce cas, il est nécessaire de penser simultanément conception du process et de l'outil de production.

L'objectif du travail de thèse est de mettre en place une méthodologie de (re)conception de l'outil de production permettant de retenir la meilleure stratégie pour réduire la consommation énergétique et les impacts environnementaux. Pour cela, une formalisation des connaissances sur la consommation énergétiques des moyens de production est nécessaire. Ces connaissances permettront de mettre en place différents modèles sur lesquels nous nous appuierons pour envisager différents scénarios. Le cadre de l'étude sera centré uniquement sur l'outil de production sans envisager une évolution du process.

L'identification de la consommation énergétique des différents organes de l'outil de production est nécessaire. Pour cela, nous disposons d'instrumentation permettant de mesurer ces différentes consommations. Cette instrumentation permet d'obtenir l'évolution de la consommation de différents organes au court du temps. Pour cela, nous pourrons nous appuyer sur une étude industrielle dont l'objectif est de réduire la consommation électrique du procédé de production tout en améliorant la productivité. La connaissance ainsi capitalisée sera alors enrichie avec les différents résultats disponibles au sein du groupe CIRP qui travaille sur ce sujet.

Ces mesures seront ensuite corrélées avec les différents modèles énergétiques de l'outil de production. Les actions à mener pour diminuer la consommation pourront alors être identifiées et différents scénarios de (re)conception de l'outil de production seront alors proposés. Des outils de simulation s'appuyant sur les différents modèles mis en place permettront de quantifier le gain obtenu et la pertinence des différents scénarios. 

[1] : Lien vers le site

[2] Kellens K., Dewulf W., Overcash M., Hauschild M.Z. et Duflou J.R., 2011. Methodology for systematic analysis and improvement of manufacturing unit process life-cycle inventory (UPLCI)CO2PE! initiative (cooperative effort on process emissions in manufacturing). Part 1: Methodology description, The International Journal of Life Cycle Assessment

[3] International Energy Agency, 2008. World Energy Outlook 2008, available at http://www.worldenergyoutlook.org/2008.asp

[4] Energy Information Administration, 2011. International Energy Outlook 2011, available at : http://www.eia.doe.gov/oiaf/ieo/industrial.html

[5] N. Serres, D. Tidu, S. Sankare, F. Hlawka, 2011, Environmental comparison of MESO-CLAD! process and conventional machining implementing life cycle assessment, Journal of Cleaner Production, 19:1117-1124

[6] S. Kara, W. Li , 2011, Unit process energy consumption models for material removal processes, CIRP Annals - Manufacturing Technology, 60:37-40

[7] N. Diaz, E. Redelsheimer, D. Dornfeld, 2011, Energy Consumption Characterization and Reduction Strategies for Milling Machine Tool Use, Proceedings of the 18th CIRP International Conference on Life Cycle Engineering, Technische Universität Braunschweig, Braunschweig, Germany, May 2nd - 4th, 2011.

mise à jour le 3 mai 2013

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