Avantages et inconvénients des usines automatisées à petite échelle par rapport aux usines automatisées à grande échelle

En l'année 2023, lorsqu'une entreprise de fabrication électrique de taille moyenne située au Gujarat a décidé d'investir dans une ligne d'assemblage MCB entièrement automatisée, la direction était convaincue qu'elle n'avait d'autre choix que de le faire : soit devenir aussi automatisée que ses concurrents mondiaux pour survivre en tant qu'entreprise capable d'exporter ses produits, soit renoncer aux contrats d'exportation qui aidaient à maintenir l'usine en vie. En moins de six mois, la ligne d'assemblage a été installée, a commencé à fonctionner, et le volume de production a triplé, tandis que le taux de défaut est tombé à moins de 0,1%. L'investissement dans la ligne, mesuré en millions de dollars, était censé se rentabiliser en trois ans, à condition qu'il y ait suffisamment de commandes à satisfaire. Six mois après le lancement de la ligne d'assemblage, le client clé de l'entreprise a réduit son volume de commande de quarante pour cent. La ligne automatisée, conçue pour un certain niveau de production, fonctionnait maintenant à un peu plus de la moitié de son potentiel. Les économies de main-d'œuvre étaient significatives et importantes, mais le coût fixe de la machinerie, qui incluait l'amortissement, l'entretien et l'approvisionnement en pièces de rechange, n'a pas diminué avec le volume de production. Le producteur avait appris la vérité qui distingue l'automatisation à petite échelle de l'automatisation à grande échelle : les grandes usines peuvent répartir un énorme coût fixe sur un vaste volume de production ; les petites usines ne peuvent pas faire de même. Prendre la décision concernant l'automatisation ne consiste pas à faire le meilleur choix technologique. Il s'agit plutôt d'associer la taille de l'investissement à la quantité de demande, à la flexibilité de l'équipement et aux coûts de l'automatisation.

Résumé : Le principal compromis entre la petite usine automatisée et la grande usine automatisée est la flexibilité par rapport au coût par unité. Une usine à grande échelle effectue un investissement fixe significatif dans une automatisation à grande vitesse et à usage unique pour produire un produit ou une gamme étroite de produits avec des coûts minimums par unité — tant que le volume est suffisamment important et que la conception du produit est suffisamment stable pour récupérer l'investissement. Les avantages de cette approche sont un débit exceptionnel et un coût par unité. Le revers de la médaille est une faible flexibilité : le produit ne peut pas être facilement changé pour un autre produit, le volume a diminué, etc.
Une petite usine automatisée, en revanche, investira très probablement dans des cellules flexibles, programmables ou semi-automatisées afin de pouvoir produire divers produits, différents volumes, et répondre aux changements de demande tout en engendrant un coût par unité plus élevé et nécessitant plus de main-d'œuvre que les usines entièrement automatisées à haut volume.

Définir l'automatisation à petite échelle et à grande échelle : ce que les termes signifient réellement.

Avant de comparer les avantages et les inconvénients, vous devez expliquer la terminologie : les termes “ petit ” et “ grand ” dans le contexte des usines automatisées ne font pas référence à la taille en mètres carrés. Ils se réfèrent au débit d'automatisation, à la flexibilité et aux exigences en capital. Une grande usine automatisée est celle qui utilise une automatisation fixe (dur) — c'est-à-dire qu'elle utilise des lignes de production dédiées et à un seul but qui produisent un seul article ou une famille d'articles à une vitesse importante et en grandes quantités. Des exemples d'automatisation à grande échelle incluent la ligne d'assemblage de moteurs automobiles, la ligne de remplissage de boissons et la ligne de calibration et de test de compteurs. Le facteur clé est que la ligne est conçue pour accomplir une seule opération, et elle le fait très efficacement, mais vous ne pouvez pas la changer une fois qu'elle est construite. Le coût du capital est élevé mais le coût de production (de l'unité), lorsque la ligne fonctionne à pleine capacité, est très bas.

À l'autre extrémité du spectre se trouve une usine automatisée plus petite. Dans ce cas, une automatisation programmable ou flexible est utilisée, où les systèmes et les stations sont programmés pour produire divers produits avec des tailles de lots plus petites. Une machine CNC qui change les numéros de pièces selon le programme de contrôle, un banc de calibration semi-automatisé où l'opérateur place différents types de disjoncteurs pour calibration et une unité de production robotisée qui peut être déplacée entre différentes stations sont quelques exemples de petite automatisation. Comparée aux installations de production de masse, une usine automatisée plus petite nécessite moins de capital et son coût par produit est plus élevé que celui associé à la production de masse tout en réduisant le volume de production de l'installation mais, en même temps, offrant des opportunités à une organisation de s'adapter à la demande résultant du changement de produits produits et des impacts négatifs résultant de l'introduction de nouveaux produits. Pour une compréhension fondamentale des différentes architectures d'automatisation et de la manière dont elles s'adaptent à différents environnements de production, notre guide sur Qu'est-ce que l'automatisation ? fournit le contexte plus large.

Les Avantages d'une Usine Automatisée à Grande Échelle

Quelques avantages mesurables étayent le cas commercial pour l'automatisation à grande échelle : l'un des principaux avantages étant le débit. Une ligne automatisée fonctionne conformément à ses spécifications 24 heures sur 24, car elle n'a pas de fatigue, de variation ou de besoin de former le personnel. De nouveaux types spéciaux de lignes de calibration et d'inspection de MCB que Benlong Automation produit sont capables de produire des disjoncteurs calibrés, testés et certifiés toutes les deux à quatre secondes. Un tel débit ne peut être atteint avec aucun processus opéré par des humains ou semi-automatisé. De plus, la prévisibilité du débit permet au fabricant de planifier la production et la livraison.

Le principal avantage qui en découle est le faible coût variable. Cela inclut des éléments tels que les coûts d'amortissement, les coûts de maintenance et les coûts d'ingénierie de la machine, qui sont répartis entre de nombreux produits. Les coûts variables comprennent la main-d'œuvre directe, les consommables et les dépenses énergétiques, qui, surtout en comparaison avec la production manuelle, sont vraiment faibles. Selon les recherches de McKinsey & Company, l'automatisation à grande échelle entraîne une diminution du prix par unité de 30 à 60 % par rapport à la production manuelle, étant donné que la ligne est utilisée à pleine capacité. Le prochain avantage de l'automatisation est la cohérence et la qualité. Une machine automatisée produit le même résultat – de haute qualité – à chaque fois. Dans le cas d'une ligne entièrement automatisée, tous les paramètres techniques sont enregistrés, des réglages de chaque disjoncteur aux résultats des tests de produits, ainsi que les documents de certification qui ont été créés automatiquement.

Les inconvénients d'une usine automatisée à grande échelle

Les inconvénients de l'automatisation à grande échelle peuvent être considérés comme l'inverse de ses avantages, et ces inconvénients peuvent être significatifs, surtout lorsque les circonstances qui justifient son utilisation changent. L'un des principaux inconvénients est le manque de flexibilité. Une ligne automatisée est conçue pour un seul but — pour un produit spécifique, pour un certain taux de production, et pour certaines opérations. En cas de modifications du produit — une nouvelle configuration de broche, une nouvelle norme de référence, ou une nouvelle exigence de marquage — la ligne doit être redessinée. Les outils, les dispositifs, la programmation du système de vision et la logique de contrôle doivent être modifiés, et les coûts impliqués peuvent être extrêmement élevés. En cas d'arrêt du produit, la ligne n'a pratiquement aucune valeur de récupération — elle a été construite pour ce seul but et rien de plus.

L'autre inconvénient est la sensibilité au volume. Une grande ligne de production automatisée implique des coûts fixes élevés. Les coûts fixes incluent l'amortissement, les opérations de maintenance, les exigences d'espace et le support technique. Ces coûts ne varient pas entre un million d'unités produites et cent mille unités produites. À mesure que le taux de volume diminue en raison d'un déclin de la situation sur le marché, d'un contrat perdu ou d'une perturbation de la chaîne d'approvisionnement, le coût fixe reste inchangé, ce qui entraîne une augmentation du coût par unité. Cela signifie qu'une ligne avec un taux d'utilisation de 90 %, qui fonctionnait bien, peut échouer à un taux de 50 %. C'est ce qui est arrivé au producteur électrique du Gujarat et cela sert de preuve que cette automatisation fonctionne mieux avec des produits ayant une demande stable à long terme. Le troisième inconvénient est la complexité de la maintenance. Les grandes lignes automatisées nécessitent un groupe d'ingénieurs et de techniciens ayant une connaissance suffisante de dispositifs aussi compliqués que les PLC, les systèmes de servo-commande, les systèmes de vision et les systèmes d'architecture de données. Une fois que les capteurs échouent, ou que l'étalonnage de l'équipement robotique est violé, ou qu'il y a des problèmes avec le logiciel, la ligne de production sera à l'arrêt jusqu'à ce que le problème soit résolu.

Les avantages d'une usine de petite taille ou semi-automatisée

Automatisation à petite échelle Les cellules programmables, les équipements semi-automatisés et les systèmes robotiques flexibles ne signifient pas faire des compromis sur la voie de l'échelle — c'est une approche réfléchie qui met l'accent sur la flexibilité, les risques financiers minimisés et un temps de retour sur investissement plus rapide. De plus, la flexibilité est le principal avantage. Par exemple, un banc de calibration semi-automatisé peut être reprogrammé pour de nouveaux disjoncteurs en quelques minutes en utilisant une sélection dans le menu de recettes sur l'interface homme-machine (IHM). De plus, une cellule robotique collaborative peut être déplacée de l'atelier d'assemblage à la zone d'emballage en quelques heures. L'équipement n'est pas attribué à un processus de production particulier et peut être utilisé dans différentes opérations de production à mesure que la production change. Une telle flexibilité est extrêmement utile pour les fabricants traitant différentes séries de production en petites quantités, comme les fabricants d'équipements électriques qui produisent dix types de cadres de disjoncteurs MCCB ou de disjoncteurs AC et DC sur le même site.

Le deuxième avantage est un investissement en capital plus faible et un risque réduit. Une station semi-automatisée — comme celle de Benlong banc d'étalonnage thermique semi-automatique — coûte une fraction de ce qu'une ligne entièrement intégrée coûte. Elle se rembourse plus rapidement, et si le produit change ou si le volume diminue, l'investissement n'est pas immobilisé. Le fabricant peut commencer avec une seule station semi-automatisée à l'étape de processus critique pour la qualité, prouver le retour sur investissement, et ajouter des stations supplémentaires à mesure que le volume et la confiance augmentent. Cette approche par étapes réduit le risque financier et permet à l'organisation de développer ses compétences en automatisation de manière incrémentale, plutôt que de parier l'entreprise sur un seul grand projet. Le troisième avantage est la facilité de mise en œuvre et de maintenance. Une station semi-automatisée est plus simple qu'une ligne entièrement intégrée, et elle peut être maintenue par l'équipe de maintenance existante de l'usine avec une formation supplémentaire minimale. L'opérateur qui charge et décharge la station peut également effectuer les inspections quotidiennes et le dépannage de base, car la machine est conçue pour ce niveau d'interaction utilisateur. Benlong Automation conçoit son équipement semi-automatisé avec ce principe à l'esprit : l'IHM est construite pour l'opérateur qui fait fonctionner la station chaque jour, et non pour l'ingénieur qui l'a mise en service.

Les inconvénients d'une usine automatisée à petite échelle

Automatisation à petite échelle a ses propres limitations et comprendre ces limitations est vital pour faire un investissement éclairé. Le principal inconvénient est qu'elle a un coût par pièce plus élevé qu'un système entièrement automatisé fonctionnant à son pic. Un banc de calibration semi-automatisé nécessite toujours un opérateur pour charger et décharger le disjoncteur, et le coût du temps passé par l'opérateur s'ajoute à chaque unité produite. Le débit est limité non seulement par le temps de cycle de la machine mais aussi par la productivité et l'endurance de l'opérateur. Une ligne entièrement automatisée produisant un disjoncteur toutes les trois secondes à un faible coût de main-d'œuvre, lorsque deux opérateurs ont été embauchés pour réaliser l'ensemble de la tâche, est trop compétitive pour une cellule semi-automatisée tant que la capacité de production justifie la dépense.

Le deuxième inconvénient est que la qualité et les données sont seulement partiellement automatisées. Un banc de calibration semi-automatisé est utilisé pour effectuer la calibration et les tests du disjoncteur, et pour enregistrer les données de calibration. Mais même si l'opération est semi-automatisée, l'opérateur qui charge le disjoncteur doit déterminer la bonne valeur nominale du disjoncteur, s'assurer que la bonne recette a été utilisée, et s'occuper de la manipulation du disjoncteur de la calibration à l'étape suivante après qu'il a été calibré. Chaque étape introduit ainsi une possibilité d'erreurs qui peuvent être évitées avec une technologie de manipulation entièrement automatisée.

Les données de calibration sont générées mais le suivi du disjoncteur depuis l'usine commence à être limité car il dépend de la qualité du système de données reliant les stations partiellement automatisées. S'il n'y a pas de connexion réseau entre les stations ou s'il n'y a pas d'intégration avec un MES centralisé, alors le suivi sera fragmenté. Le troisième inconvénient est qu'une série de stations semi-automatisées ne crée ni une série de stations compatibles ni une ligne de production automatisée. Le système de convoyage reliant les stations est manuel et c'est le point faible du système. Même si le processus de production est automatisé à tous les niveaux, le succès de cette entreprise dépend du système de convoyage. C'est le point naturel auquel un fabricant qui a commencé avec des stations semi-automatisées commence à envisager de les intégrer dans une ligne entièrement automatisée — et la gamme de produits de Benlong Automation est conçue pour soutenir exactement cette transition, avec des stations pouvant être intégrées dans un ensemble complet Ligne d'assemblage automatique MCB lorsque le volume et le cas commercial justifient l'investissement.

Quand une petite usine devrait-elle s'automatiser ? Le cadre décisionnel

La question de savoir quand une installation de fabrication à petite échelle devrait adopter des pratiques d'automatisation ne peut pas être réduite à une seule limite de volume. Ce problème se résout en évaluant le produit et le processus de manière approfondie ainsi qu'en examinant les conditions du marché et la préparation de l'organisation. Le cadre fourni ci-dessous est un modèle pratique pour la prise de décision.

• Automatisez d'abord les étapes critiques pour la qualité, quel que soit le volume. Chaque fois qu'une étape de processus comme la calibration, le test, le soudage par points ou l'écriture implique un risque qui affecte soit la sécurité, soit la certification, soit l'acceptation par le client, l'automatisation générera un retour bien au-delà d'un investissement financier. En automatisant, on s'assure non seulement de la répétabilité, mais aussi de la création d'une traçabilité des données adaptée aux fins de certification, et de l'élimination de la plus grande source de variation dans le processus. Si un fabricant produit 20 000 MCB par mois, il peut facilement justifier l'achat d'un banc de calibration semi-automatisé uniquement pour des raisons de qualité, car une seule série de production de MCB échouant aux audits de certification coûtera beaucoup plus cher à l'entreprise que le banc de calibration.
• Automatisez lorsque le coût de la main-d'œuvre devient la contrainte, pas lorsqu'il devient la majorité du coût. Dans de nombreuses petites entreprises, le coût réel de la main-d'œuvre pour chaque produit est relativement bas, et il y a tendance à retarder l'automatisation jusqu'à ce que la main-d'œuvre devienne coûteuse. Cependant, une mesure plus fiable est l'offre de main-d'œuvre. Si l'usine est incapable de recruter suffisamment d'assembleurs qualifiés, ou si son turnover et ses difficultés de formation réduisent la production, elle doit s'automatiser, quel que soit le coût réel de la main-d'œuvre. La Fédération Internationale de Robotique indique que, selon les recherches effectuées, le manque d'offre de main-d'œuvre est ce qui pousse les petites et moyennes entreprises à mettre en œuvre des mesures d'automatisation.
• Start with semi‑automated cells and scale as volume and confidence grow. Un producteur qui n'a pas encore mis en œuvre une forme d'automatisation devrait éviter de commencer par une ligne entièrement automatisée. La quantité de connaissances nécessaires est écrasante, les enjeux financiers sont incroyablement élevés et les difficultés d'exploitation sont nombreuses. Un exemple de semi-automatisation tel qu'un banc de calibration, une station de test ou un dispositif de vissage présente un défi moindre. L'entreprise apprend à définir l'équipement, à l'incorporer dans la production, à le faire fonctionner efficacement et à estimer sa rentabilité.

L'économie d'échelle dans l'automatisation : pourquoi plus grand n'est pas toujours mieux

Le mythe le plus connu dans le secteur de l'automatisation des usines est celui selon lequel plus c'est grand, mieux c'est. La croyance commune ici est que réaliser une automatisation totale de l'usine est un objectif, et tous les investissements qui ne se traduisent pas par une automatisation de l'usine ou par une usine qui fonctionne efficacement sans l'assistance d'un être humain sont un compromis. Cependant, la vérité derrière cette légende réside dans l'histoire documentée de l'industrie manufacturière et les études de McKinsey indiquant que le degré idéal d'automatisation est celui qui correspond au produit fabriqué, au débit ou au volume du produit, et à la variété ainsi qu'aux possibilités de l'organisation en matière de gestion des systèmes d'automatisation. Par exemple, une petite entreprise produisant 10 types de cadres de MCCB en lots de 500 chaque mois n'a pas besoin d'une ligne à grande vitesse séparée pour cela, une telle usine aura besoin d'une automatisation programmable flexible permettant de changer les recettes d'un type de cadre à un autre. Pendant ce temps, une grande entreprise produisant 2 millions de MCB identiques par mois pour un client unique aura besoin d'une ligne dédiée pour cette grande production car le niveau de demande et la stabilité du produit le rendent économiquement faisable. Les deux entreprises automatisent correctement leurs opérations commerciales. Les entreprises échouent dans l'automatisation chaque fois qu'elles investissent dans des systèmes d'automatisation basés sur un niveau d'automatisation incorrect.

Foire aux questions

Quels sont les inconvénients des usines automatisées ?

Les usines automatisées souffrent d'inconvénients tels qu'un investissement en capital élevé, une inflexibilité en ce qui concerne les changements de conception de produit ou les fluctuations de volume, un besoin de compétences spéciales en maintenance et en ingénierie, et le risque que l'équipement d'automatisation devienne obsolète si le produit pour lequel il a été fabriqué n'est plus fabriqué. Le coût élevé de la mise en place d'usines automatisées signifie que l'automatisation fixe à grande échelle est particulièrement vulnérable aux baisses de volume puisque ces coûts devront toujours être couverts que 10 000 unités soient produites ou aucune.

Quels sont les 4 D de l'automatisation ?

Les 4 D de l'automatisation sont un outil simple pour reconnaître les processus qui peuvent être automatisés. Les processus ennuyeux sont ceux impliquant des tâches répétitives qui sont ennuyeuses pour les gens et peuvent conduire à des erreurs. Sale fait référence aux processus effectués dans des conditions dangereuses ou désagréables. Difficile concerne les opérations qui nécessitent un haut niveau de précision, de force et de résistance à l'épuisement, ou qui dépassent autrement la capacité humaine. Les processus dangereux permettent de risquer des blessures ou même la mort.

Quels sont les avantages et les inconvénients de l'utilisation de systèmes automatisés pour l'analyse ?

Systèmes d'analyse automatisés Les machines automatisées, y compris les stations de calibration et de test automatisées, garantissent que des mesures précises sont prises plusieurs fois, et qu'il n'y a pas de différence dans les exigences des différents opérateurs. Il est vrai que chaque mesure est enregistrée pour référence et que les machines automatisées sont beaucoup plus rapides que toute analyse manuelle. Cependant, ces machines présentent certains inconvénients, tels que la nécessité d'investir en elles, de les entretenir et de les calibrer régulièrement. Elles ne peuvent également identifier que les phénomènes prévus par leurs programmeurs – tout autre élément sera ignoré par les machines.

Quels sont les 10 inconvénients de l'automatisation ?

Dix inconvénients fréquemment mentionnés de l'automatisation sont les coûts de démarrage élevés impliqués, la nature inflexible du système en ce qui concerne les changements dans les processus de production, le fait que les coûts fixes doivent être payés indépendamment de la quantité produite, la nécessité de compétences opérationnelles compliquées pour utiliser et faire fonctionner l'équipement automatisé, la possibilité de pertes d'emplois pour certains employés, la possibilité de pannes d'équipement qui empêchent les machines de fonctionner, les difficultés liées à l'unification de différents systèmes de différents fabricants, le coût impliqué dans l'entretien et les mises à jour des pièces de rechange et des logiciels, la possibilité de perdre la signification du système si quelque chose change, et l'incapacité possible à maintenir l'intégrité des données lorsque l'ensemble du système devient automatisé et en réseau. Tous ces inconvénients peuvent être compensés par une planification précise et une formation constante des employés.

Références

• McKinsey & Company — L'avenir de la fabrication et de l'automatisation. Recherche sur la productivité et le retour sur investissement de l'automatisation à différentes échelles, et les facteurs qui prédisent des investissements en automatisation réussis dans les petites, moyennes et grandes entreprises.
• Deloitte — Fabrication numérique et le fossé des compétences. Analyse des défis liés à la main-d'œuvre et aux compétences qui accompagnent l'investissement en automatisation, et les stratégies que les fabricants utilisent pour développer la capacité interne à maintenir et améliorer les systèmes automatisés.
• Fédération Internationale de la Robotique (IFR) — Rapport mondial sur la robotique. Données annuelles sur les installations de robots et la densité d'automatisation par pays et par taille d'entreprise, y compris les taux d'adoption de l'automatisation collaborative et flexible parmi les petites et moyennes entreprises.
• Automation World — Automatisation flexible vs. fixe : Choisir la bonne stratégie. Publication industrielle couvrant les compromis entre les lignes dédiées à haute vitesse et l'automatisation flexible et reconfigurable, avec des études de cas provenant de plusieurs secteurs de fabrication.

Le avantages et inconvénients des usines automatisées à petite échelle par rapport à celles à grande échelle ne sont pas un tableau de score où un côté gagne. Ce sont un ensemble de compromis que chaque fabricant doit naviguer en fonction de ses produits spécifiques, de ses volumes et des conditions du marché. Une ligne automatisée à grande échelle offre le coût unitaire le plus bas et le débit le plus élevé — à condition que le produit soit stable, que le volume soit élevé et que l'organisation ait la capacité technique de la maintenir. Une cellule automatisée à petite échelle offre la flexibilité et le risque de capital réduit dont un fabricant à forte mixité et faible volume a besoin — à un coût unitaire plus élevé, mais avec la capacité de s'adapter à un marché en évolution. Le fabricant qui comprend ces compromis, et qui construit une stratégie d'automatisation qui place délibérément chaque étape du processus au bon endroit sur l'échelle, est le fabricant qui obtient les avantages de l'automatisation sans payer le prix d'un décalage. Benlong Automation construit à la fois des équipements de production semi-automatisés et entièrement automatisés pour le secteur de la fabrication électrique, car la bonne échelle d'automatisation n'est pas une réponse unique — c'est la réponse qui correspond à l'usine qu'elle sert.