Le développement récent des technologies de fabrication additive par couches (Additive Layer Manufacturing) a généré de nouvelles opportunités en termes de conception. Généralement, une étape d'optimisation topologique est réalisée pour les structures ALM. Cette tâche est aujourd'hui facilitée par des progiciels commerciaux, comme Altair OptiStruct ou Simulia TOSCA. Néanmoins, la liberté accordée par l’ALM est seulement apparente et des problèmes majeurs empêchent une exploitation complète et généralisée de cette technologie.La première lacune importante provient de l'intégration directe du résultat d'un calcul d’optimisation topologique dans un environnement CAO approprié. Quoi qu'il en soit, la géométrie optimisée résultante n'est disponible que sous une forme discrétisée, c'est-à-dire en termes d'éléments finis (FE) obtenus à la fin de l'optimisation. La frontière de la géométrie optimisée n'est pas décrite par une entité géométrique, par conséquent la topologie résultante n'est pas compatible avec les logiciels de CAO qui constituent l'environnement naturel du concepteur. Une phase de reconstruction CAO longue est nécessaire et le concepteur est obligé de prendre une quantité considérable de décisions arbitraires. Souvent la topologie CAO compatible résultante ne répond plus aux contraintes d'optimisation.La deuxième restriction majeure est liée aux exigences technologiques spécifiques à l’ALM qui doivent être intégrées directement dans la formulation du problème d'optimisation: considérer la spécificité de l’ALM uniquement comme un post-traitement de la tâche d’optimisation topologique impliquerait des modifications si importantes de la pièce que la topologie optimisée pourrait être complètement différente de la solution optimisée.Cette thèse propose une méthodologie générale pour résoudre les inconvénients mentionnés ci-dessus. Un algorithme d’optimisation topologique innovant a été développé: il vise à fournir une description de la topologie basée sur des entités NURBS et B-Spline purement géométriques, qui sont nativement CAO compatibles. Dans ce cadre, les analyses éléments finis sont utilisées uniquement pour évaluer les réponses physiques du problème étudié. En particulier, une entité géométrique NURBS / B-Spline de dimension D + 1 est utilisée pour résoudre le problème d’optimisation topologique de dimension D.L'efficacité de cette approche a été testée sur certains benchmarks 2D et 3D, issus de la littérature. L'utilisation d'entités NURBS dans la formulation de l’optimisation topologique accélère considérablement la phase de reconstruction CAO pour les structures 2D et présente un grand potentiel pour les problèmes 3D. En outre, il est prouvé que les contraintes géométriques, comme par exemple les épaisseurs minimale et maximale de matière, peuvent être efficacement et systématiquement traitées au moyen de l'approche proposée. De plus, des contraintes géométriques spéciales (non disponibles dans les outils commerciaux), par exemple le rayon de courbure local de la frontière de la phase solide, peuvent être formulées également grâce à la formulation NURBS. La robustesse de la méthodologie proposée a été testée en prenant en compte d'autres grandeurs mécaniques, telles que les charges de flambement et les fréquences naturelles liées aux modes de vibration.Enfin, malgré la nature intrinsèque de l'algorithme d’optimisation topologique basé sur les NURBS, certains outils ont été développés pour déterminer automatiquement le contour des pièces 2D sous forme de courbe et sous forme de surface dans le cadre 3D. L’identification automatique des paramètres des courbes 2D a été entièrement développée et un algorithme original a été proposé. Les principes fondamentaux de la méthode sont également discutés pour l'identification des paramètres des surfaces limites pour les pièces 3D. / The recent development of Additive Layer Manufacturing (ALM) technologies has made possible new opportunities in terms of design. Complicated shapes and topologies, resulting from dedicated optimisation processes or by the designer decisions, are nowadays attainable. Generally, a Topology Optimisation (TO) step is considered when dealing with ALM structures and today this task is facilitated by commercial software packages, like Altair OptiStruct or Simulia TOSCA. Nevertheless, the freedom granted by ALM is only apparent and there are still major issues hindering a full and widespread exploitation of this technology.The first important shortcoming comes from the integration of the result of a TO calculation into a suitable CAD environment. The optimised geometry is available only in a discretised form, i.e. in terms of Finite Elements (FE), which are retained into the computational domain at the end of the TO analysis. Therefore, the boundary of the optimised geometry is not described by a geometrical entity, hence the resulting topology is not compatible with CAD software that constitutes the natural environment for the designer. A time consuming CAD-reconstruction phase is needed and the designer is obliged to make a considerable amount of arbitrary decisions. Consequently, often the resulting CAD-compatible topology does not meet the optimisation constraints.The second major restriction is related to ALM specific technological requirements that should be integrated directly within the optimisation problem formulation and not later: considering ALM specificity only as post-treatment of the TO task would imply so deep modifications of the component that the optimised configuration would be completely overturned.This PhD thesis proposes a general methodology to overcome the aforementioned drawbacks. An innovative TO algorithm has been developed: it aims at providing a topology description based on purely geometric, intrinsically CAD-compliant entities. In this framework, NURBS and B-Spline geometric entities have been naturally considered and FE analyses are used only to evaluate the physical responses for the problem at hand. In particular, a NURBS/B-Spline geometric entity of dimension D+1 is used to solve the TO problem of dimension D. The D+1 coordinate of the NURBS/B-Spline entity is related to a pseudo-density field that is affected to the generic element stiffness matrix; according to the classical penalisation scheme employed in density-based TO methods.The effectiveness of this approach has been tested on some 2D and 3D benchmarks, taken from literature. The use of NURBS entities in the TO formulation significantly speeds up the CAD reconstruction phase for 2D structures and exhibits a great potential for 3D TO problems. Further, it is proven that geometrical constraints, like minimum and maximum length scales, can be effectively and consistently handled by means of the proposed approach. Moreover, special geometric constraints (not available in commercial tools), e.g. on the local curvature radius of the boundary, can be formulated thanks to the NURBS formulation as well. The robustness of the proposed methodology has been tested by taking into account other mechanical quantities of outstanding interest in engineering, such as buckling loads and natural frequencies.Finally, in spite of the intrinsic CAD-compliant nature of the NURBS-based TO algorithm, some support tools have been developed in order to perform the curve and surface fitting in a very general framework. The automatic curve fitting has been completely developed and an original algorithm is developed for choosing the best values of the NURBS curve parameters, both discrete and continuous. The fundamentals of the method are also discussed for the more complicated surface fitting problem and ideas/suggestions for further researches are provided.

La notion d'intégration produit-process, c'est à dire le mode de coordination bureau d'études – fabrication permettant la prise en compte des contraintes de fabrication dans la conception, a toujours été présente dans l'histoire de l'entreprise Berliet puis Renault VI. Nous allons montrer dans ce chapitre que l'intégration a donné lieu à l'élaboration de plusieurs dispositifs que nous assimilerons à différents idéaux-types. L'analyse historique mettra en évidence que les dispositifs identifiés n'ont pas de lien entre eux et qu'ils n'ont donc pas engendré un mouvement collectif de transformation du processus de conception autour de la question de l'intégration produit-process.

Plusieurs raisons conduisent aujourd'hui à la nécessité de concevoir une pièce «fabricable» avec le moins de modification et le plus rapidement possible. Nous pouvons citer l'évolution et la mondialisation du marché, la réduction de la taille des séries et des délais de conception comme de réalisation, le fait que le coût d'un produit soit engagé à 80 % au niveau de la conception. C'est dans ce cadre qu'interviennent les outils et les méthodes de l'ingénierie intégrée. Les travaux de cette thèse se positionnent plus précisément au niveau de la formalisation et de l'exploitation des liens qui existent entre le produit et le processus de fabrication. Une démarche a été définie afin d'encadrer la conception progressive de la pièce et de son processus de fabrication. Un outil venant en support à cette démarche a été spécifié. Deux pistes ont été abordées lors du développement de l'outil pour la façon de représenter et d'exploiter les connaissances : un premier formalisme utilisant une ontologie associée à un traitement par classification ou bien un second formalisme basé sur une représentation arborescente des processus de fabrication associée à un traitement par élagage. Cette dernière représentation est nommée « schéma de processus de fabrication ». Un cas d'étude est présenté afin de valider la démarche proposée en utilisant l'outil support. Ces travaux ont été appliqués à la forge en tenant compte des spécificités de ce domaine de fabrication (notamment la nécessité d'une considération plus globale de la pièce par rapport à l'usinage)

L'innovation constitue un enjeu majeur dans les processus de conception de systèmes mécaniques. Par conséquent, le champ de questionnement de ces travaux de recherche porte sur les dispositifs permettant aux acteurs d'une organisation industrielle de concevoir des produits répondant au mieux au triptyque coût, qualité, et délai de mise sur le marché du produit mais répondant, de plus en plus à des objectifs d'innovation. La question des méthodes et des outils d'aide à l'innovation est ici plus particulièrement abordée avec une approche socio-technique de plusieurs cas industriels d'intégration produit/process d'une nouvelle technologie. Nos observations et nos analyses montrent que l'innovation en phase amont de conception nécessite parfois de remettre en cause certains dispositifs traditionnels et conduit parfois les acteurs à travailler de manière informelle dans des phases particulières appelées " phases préparatoires ". Ces travaux montrent que l'innovation produit/process s'inscrit dans une dynamique complexe au niveau des réseaux d'acteurs et de l'organisation, et au niveau des connaissances mobilisées et des apprentissages. Cette thèse vise donc à montrer que l'instrumentation de l'action de conception dans un contexte d'innovation, nécessite d'être pensée au plus près de ces différents niveaux afin de permettre l'émergence de nouveaux outils. Dans cette optique, un outil informatique est proposé suite aux résultats précédents et illustre cette nouvelle approche tournée vers l'expression et l'interaction des différents points de vue d'acteurs pour favoriser la diffusion et la consolidation d'idées de concepts innovants aux interfaces des métiers. L'ensemble des informations d'un projet sont structurées autour de la mise au débat des critères de conception progressivement mobilisés par chaque acteur. Ainsi, cet outil est dédié au pilotage de solutions innovantes tout en permettant la réutilisation des informations et des compétences pour les projets futurs.

Les travaux présentés ici portent sur le domaine de la conception de produits industriels manufacturés et plus particulièrement la conception collaborative. Nous posons le postulat que la conception est un processus d'action collectif instrumenté basé sur la constitution et la confrontation de connaissances, l'établissement de relations entre les acteurs, et dont le but est de créer un artefact matériel. Nos travaux sont le résultat d'une collaboration interdisciplinaire originale entre les sciences sociales et les sciences pour l'ingénieur débutée dans les années 90 et impliquant les laboratoires CRISTO et 3S du site Grenoblois. Cette confrontation et ce croisement ont conduit au développement d'une méthodologie de recherche originale dans le domaine de la mécanique : la recherche intervention. Nous soutenons la thèse suivante : La coopération en tant que mode particulier de coordination en conception nécessite une instrumentation particulière, c'est-à-dire une approche complète du développement de l'outil et du processus d'appropriation et de transformation dans l'action. Ceci nous a conduit à développer deux axes de recherche : le développement d'espaces de coopération et le développement d'outils métiers dédiés aux interfaces.

Les imperfections inhérentes aux processus et procédés de fabrication entraînent une dégradation des caractéristiques fonctionnelles, et donc de la qualité du produit. Afin d'assurer un certain niveau de qualité, la synthèse des tolérances vise à déterminer les limites acceptables des caractéristiques des pièces et des assemblages. L'allocation ou la synthèse des tolérances fonctionnelles est une importante étape du processus de conception qui se situe généralement durant la conception détaillée et impacte énormément la conception du processus de fabrication, la fabrication et le contrôle du produit. Il est donc important, lors de la détermination des tolérances fonctionnelles, de prendre en compte l'impact de celles-ci sur le coût de fabrication du produit et sur la qualité du produit. Ces deux notions (coût de fabrication et qualité du produit) sont généralement antinomiques. L'approche proposée vise à allouer les tolérances fonctionnelles qui offrent le meilleur équilibre performance fonctionnelle / coût de fabrication. Elle est basée sur l'approche par « Key Characteristics » développée par Boeing couplée avec une approche par activités inspirée de l'« Activity Based Costing » et adaptée aux besoins de la sélection et l'analyse de processus de fabrication. Afin de quantifier cet équilibre, ces travaux proposent la définition d'un indicateur de performance d'une allocation de tolérances : le coût pondéré qualité, et une solution d'optimisation discrète de l'allocation : la démarche ABTA (Activity Based Tolerance Allocation). Celle-ci a été implémentée dans plusieurs maquettes informatiques afin de valider les mécanismes et méthodes qui la constituent.