Dernière mise à jour : 04/2015
LPRAI - contact

LA METHODOLOGIE DE LA RECHERCHE EXPERIMENTALE...
AU SERVICE DE L'EXPERIMENTATEUR

L'expérimentateur, en Recherche & Développement, en industrialisation ou en production, a besoin d'appliquer une méthodologie précise afin d'avoir une démarche expérimentale efficace et économique pour optimiser et maîtriser les procédés industriels.

Lors de l'amélioration des conditions opératoires d'un procédé ou de la mise au point d'un produit, l'expérimentateur est amené à effectuer une série d'essais consistant à faire varier différents paramètres du procédé ou de la formulation (facteurs contrôlés). L'objectif est de déterminer l'influence de ces facteurs sur les performances du produit (réponses mesurées : grandeurs physiques, physico-chimiques, mécaniques,….etc). On recherche ainsi une relation de cause à effet entre la variation des facteurs contrôlés (en entrée) avec la variation des réponses (en sortie).

Lors de cette phase d'expérimentation, il est judicieux d'appliquer une méthodologie de planification des essais consistant à faire varier les facteurs simultanément selon des combinaisons précises des niveaux de ces facteurs.

Cette Méthodologie de la Recherche Expérimentale regroupe un ensemble de méthodes et modes de raisonnement permettant la mise en place de stratégies expérimentales rigoureuses (Plans d'expériences) ayant pour objectif d'améliorer la qualité de l'information obtenue, de faciliter l'interprétation des résultats et de limiter le coût de l'expérimentation, tout en tenant compte des contraintes expérimentales.

Un plan d'expériences est un ensemble d'essais judicieusement choisis et rigoureusement organisés permettant de déterminer précisément une relation de cause à effet entre des variables d'entrée contrôlées (facteurs) et des variables de sortie mesurées (réponses) - EFFICACITE DES PLANS D'EXPERIENCES - Meilleure compréhension du phénomène - Qualité de l'information obtenue - Minimisation du nombre d'essais

Cette méthodologie a pour objectif d'optimiser l'efficacité de la recherche expérimentale. Pour ce faire, elle va aider l'expérimentateur à bien décrire son problème et lui proposer un choix de stratégies expérimentales optimales (enchaînements de plans d'expériences dans le temps), en fonction des objectifs qu'il s'est fixé et des moyens dont il dispose.


Les objectifs peuvent être :

  • Explorer un domaine expérimental inconnu (recherche exploratoire dans le domaine de variation d'un ensemble de facteurs).
  • Isoler les facteurs influents (criblage).
  • Elaborer des modèles descriptifs ou prévisionnels des phénomènes étudiés (étude quantitative des facteurs, étude quantitative des réponses).
  • Effectuer l'optimisation d'un produit ou d'un procédé.
  • Concevoir un procédé robuste.
  • Mettre au point des formulations.
  • Améliorer la qualité de produits.

Le choix et le nombre des expériences tiennent compte des MOYENS dont dispose l'expérimentateur : ressources humaines, moyens matériels, contraintes techniques et financières, contraintes temporelles...


L'utilisation d'un plan d'expériences rencontre un vif succès auprès des industriels dans les cas d'un nombre d'essais limité ou d'un très grand nombre de facteurs à étudier (jusqu'à 300).



ETAPES DE LA DEMARCHE METHODOLOGIQUE



L'application de cette méthodologie est simple à mettre en oeuvre et ne nécessite que des connaissances de base en statistiques élémentaires.


En résumé :

  • lorsque le problème est bien posé* mais aussi lorsque la stratégie expérimentale est bien choisie, les plans d'expériences sont des outils efficaces pour mettre au point et concevoir un procédé robuste, de la phase de conception à la validation d'un produit industriel.

* la phase de réflexion avant de réaliser un plan d'expériences est primordiale et utilise toute la connaissance du produit dont le concepteur peut disposer a priori.




APPLICATIONS DES PLANS D'EXPERIENCES

Les techniques des Plans d'expériences connaîssent de nombreuses applications en recherche, en recherche et développement (R&D), en industrialisation, en production et en amélioration de la qualité.

Les branches d'activités dans lesquelles nous appliquons les plans d'expériences sont multiples :



• BIOLOGIE
• PHARMACIE
• CHIMIE
• AGROALIMENTAIRE
• ELECTRONIQUE
• AERONAUTIQUE
• AUTOMATISATION

• BATIMENT
• PEINTURES
• METALLURGIE
• AUTOMOBILE
• NUCLEAIRE
• OENOLOGIE...

Les applications sont beaucoup plus larges que le stade de l'expérimentation. Nous pouvons citer notamment les études de simulation pour lesquelles le nombre d'expériences n'est pas une vraie contrainte (elles sont mises en œuvre rapidement) et qui peuvent prendre en compte un très grand nombre de facteurs (autour de 300 facteurs).




EXEMPLES D'APPLICATION

Dans une étude d'un criblage de facteurs, parmi un grand nombre de facteurs étudiés, l'objectif est de mettre en évidence le poids des facteurs significatifs sur les différentes réponses mesurées :

Exemple 1 : Etude du cycle de compression d'une céramique composite :

  • Objectif de l'étude de criblage :
    Parmi un grand nombre de facteurs (11 au total : température, pression, durée de pression, ….) prenant 2 niveaux de variation, déterminer les facteurs véritablement influents sur les propriétés de la céramique (3 réponses expérimentales étudiées : Y1 : densité relative, Y2 : porosité ouverte, Y3 : résistance à la flexion).
    Les chercheurs veulent donc estimer le "poids" de chacun des 11 facteurs étudiés sur les 3 réponses.
    Pour cela, une stratégie expérimentale (Matrice de Hadamard) comprenant 12 expériences est réalisée et a permis de mettre en évidence 2 facteurs réellement influents pour les 2 réponses Y1 et Y3 et 4 facteurs influents pour la réponse Y2 (avec des effets antagonistes).
    Il faudra ensuite rechercher un compromis satisfaisant pour satisfaire les objectifs recherchés pour les 3 réponses simultanément.


Dans l'étape d'optimisation d'un procédé, les plans d'expériences permettent de déterminer les valeurs optimales de réglage des différents facteurs influents, pour obtenir la valeur souhaitée d'une ou plusieurs caractéristiques étudiées (par ex. recherche d'un compromis entre des objectifs antagonistes par exemple).

Exemple 2 : Etude du procédé de fabrication d'un comprimé :

  • Objectif de l'étude :
    Optimiser 2 facteurs clés de la phase de malaxage : la quantité de liquide de mouillage et la durée de malaxage qui jouent un rôle sur les propriétés du comprimé.
    On souhaite étudier l'influence de ces 2 facteurs sur 5 réponses et déterminer un optimum satisfaisant le cahier des charges pour l'ensemble des réponses mesurées : Granulométrie (? 20 %), Friabilité (? 0.5), Dureté (? 11), Rapport de transmission (? 80 %), Indice de cohésion (? 600).
    Un modèle polynomial de degré 2 est postulé pour représenter la variation des réponses dans tout le domaine expérimental défini pour ces 2 facteurs.
    La stratégie expérimentale choisie est une matrice de Doehlert comprenant 7 expériences distinctes (+points tests de validation du modèle et des répétitions au centre).
    Cette stratégie a permis de déterminer un optimum robuste dans le domaine expérimental satisfaisant les objectifs recherchés pour les 5 réponses simultanément.




BENEFICES DE L'UTILISATION DE LA M.R.E

La valeur ajoutée qu'apporte la méthodologie de la recherche expérimentale en préconisant les plans d'expériences est :


Pour la recherche et le développement, la production et l'industrialisation :

  • Gain de temps dans la résolution des études
  • Fiabilité des produits développés et industrialisés
  • Optimisation de l'utilisation des ressources

Pour les ressources humaines :

  • Mise en valeur du potentiel des expérimentateurs
  • Augmentation de leur efficacité
  • Apprentissage des techniques classiques ou des dernières innovations
  • Autonomie des utilisateurs
  • Transparence des résultats

Pour l'entreprise :

  • Optimisation de l'organisation
  • Amélioration de la qualité
  • Diminution des rejets
  • Augmentation de la productivité
  • Confiance du client




REFERENCES PUBLICATIONS & LIVRES

Nous donnons ici un certain nombre de publications et de références de livres, permettant au lecteur de découvrir ou d'approfondir ses connaissances sur les techniques des Plans d'Expériences.





Voir une liste de publications classées par type d'objectifs poursuivis

Voir une liste de livres de référence

VERSION 2015
disponible

En savoir plus.

Contactez-nous

TELECHARGER la démo
Version 2015

Voir toutes les fonctionnalités de la version complète