Comment équilibrer parfaitement une ligne de production

Quelle que soit la perfection de la planification et de l'exécution de votre processus de fabrication, il existera toujours des limites et des contraintes qui affecteront négativement la productivité.

Les temps d'inactivité excessifs, les mauvaises configurations ou conceptions et la surcharge de planification ne sont que quelques-uns des nombreux défis qui nuisent à l'efficacité et à la productivité de la production, et l'équilibrage de ligne est l'un des moyens les plus efficaces pour relever ces défis.

Dans ce guide sur la manière d'équilibrer parfaitement une ligne de production, nous aborderons tout ce que vous devez savoir sur l'équilibrage de ligne, notamment :

• Qu'est-ce que l'équilibrage de ligne dans la fabrication ?
• Les avantages de l'équilibrage de vos lignes de production
• Guide étape par étape pour mettre en œuvre l'équilibrage de ligne
• Exemples de mise en œuvre de l'équilibrage de ligne

Sans plus attendre, commençons ce guide immédiatement.

Qu'est-ce que l'équilibrage de ligne ?

Dans le contexte industriel, l'équilibrage de ligne, également appelé équilibrage de charge et lissage de la production, désigne une technique de production visant à optimiser le temps machine et le temps opérateur afin d'éliminer les goulots d'étranglement pour atteindre une efficacité maximale.

Appelé à l'origine heijunka (平準化) en japonais (ce qui signifie littéralement lissage), le concept initial de l'équilibrage de ligne consiste à réduire le mura (irrégularité), ce qui permet à son tour de réduire le muda (gaspillage). Nous pouvons définir l'équilibrage de ligne comme la technique permettant d'aligner la demande client sur la production grâce au lissage (heijunka) des temps de cycle.

En pratique, l'équilibrage de ligne signifie simplement équilibrer les lignes de production.

Par exemple, supposons qu'il existe trois lignes de production : les lignes A, B et C :

• La ligne A peut produire 10 unités par minute
• La ligne B peut produire 20 unités par minute
• La ligne C peut produire 30 unités par minute

Les pièces circulent de A vers B puis vers C. Comme la ligne A a une capacité inférieure, la ligne B restera inactive 50 % de son temps de production disponible, et la ligne C 66,66 %.

Il est évident que les trois lignes sont déséquilibrées, et l'objectif de l'équilibrage de ligne est de répartir les tâches de manière équitable entre les machines afin de minimiser le temps d'inactivité des machines, ainsi que celui des opérateurs qui les utilisent.

L'approche la plus élémentaire de l'équilibrage de ligne consiste simplement à disposer de trois machines de type A, pour deux machines de type B et une machine de type C.

Alternativement, nous pouvons simplement ajouter d'autres tâches aux machines B et C pendant leurs périodes d'inactivité afin qu'elles ne restent pas inutilisées.

En pratique, cependant, une ligne de production réelle peut être confrontée à des problèmes d'équilibrage complexes, nécessitant des méthodes plus sophistiquées. Nous aborderons plus loin les différentes méthodes d'équilibrage applicables pour résoudre ces divers problèmes.

Cependant, examinons d'abord pourquoi nous devons effectuer un équilibrage de ligne.

Avantages de l'équilibrage de ligne : pourquoi lisser votre production ?

L'équilibrage de ligne présente de nombreux avantages pour améliorer la productivité manufacturière, mais son objectif principal est de garantir que les opérations de fabrication sont correctement alignées sur la demande des utilisateurs (ou des clients).

À son tour, cet alignement peut offrir les avantages suivants :

Maximiser la capacité

L'équilibrage de ligne permet aux opérateurs d'exploiter la capacité inutilisée et de minimiser les temps d'arrêt des machines, ce qui se traduit par une amélioration de la productivité et de l'efficacité. Le temps d'inactivité survient chaque fois qu'un processus de fabrication dépasse le temps Takt (plus de détails à ce sujet plus loin).

Agilité accrue

Dans le paysage économique actuel, la demande des clients change souvent rapidement en raison de l'évolution des goûts, de l'introduction de nouveaux produits, de la saisonnalité ou d'autres facteurs.

Lorsque ces changements de demande surviennent, le temps de cycle (takt time) de la ligne de production évolue également, ce qui peut fausser les calculs existants.

L'équilibrage de ligne permet à l'entreprise et à ses responsables d'ajuster la ligne de production, et plus particulièrement son temps de cycle.

Réduire la production de déchets

Lorsque les lignes de production sont déséquilibrées, cela peut entraîner une augmentation du gaspillage, qui peut prendre diverses formes, notamment :

• Gaspillage de stocks
• Produits défectueux
• Surproduction
• Surtransformation
• Gaspillage lié au transport
• Sous-utilisation des employés

L'équilibrage de ligne permet de minimiser le gaspillage dans les différents domaines du processus de fabrication.

Amélioration du moral des employés

En rationalisant et en consolidant des processus de fabrication autrement longs et stressants, l'entreprise peut améliorer le moral de ses employés, ce qui se traduit par une meilleure productivité.

Éviter les investissements excessifs

Une ligne de production équilibrée aide l'entreprise à évaluer le nombre exact de machines nécessaires ainsi que le nombre d'opérations par poste de travail.

En résumé, des lignes de production équilibrées facilitent la fluidité du processus de fabrication et réduisent le temps d'inactivité de chaque machine, ce qui améliore le taux de production et la qualité des unités produites.

Réaliser l'équilibrage de ligne

Le problème de l'équilibrage de ligne

Théoriquement, le problème de l'équilibrage de ligne consiste à organiser les tâches d'assemblage et le traitement individuel de manière à ce que le temps total requis à chaque poste de travail soit sensiblement identique, afin de minimiser les temps d'inactivité.

L'équilibre parfait est atteint lorsque les temps passés à chaque poste de travail sont strictement égaux. Lorsque ces temps sont inégaux, c'est le poste le plus lent qui détermine la cadence de production globale de la ligne.

Terminologie de l'équilibrage de ligne

Pour expliquer correctement le problème de l'équilibrage de ligne, nous devons d'abord aborder la terminologie et les relations qui le régissent, en nous appuyant sur l'exemple suivant :

Un processus de fabrication est conçu pour assembler des voitures miniatures. L'ensemble du travail d'assemblage du produit a été divisé en cinq éléments de travail :

• Élément de travail rationnel minimal

Les éléments de travail rationnels minimaux sont les tâches indivisibles les plus petites possibles en lesquelles le travail de fabrication peut être divisé. Ces éléments de travail ne peuvent pas être subdivisés davantage.

Par exemple, percer un trou dans le matériau ne peut pas être divisé davantage ; il s'agit donc d'un élément de travail rationnel minimal.

Le temps nécessaire pour réaliser cet élément de travail rationnel minimal est symbolisé par Tej.

D'autre part, Te symbolise le temps total requis pour terminer l'ensemble des éléments de travail, où le temps nécessaire pour effectuer deux éléments de travail ou plus correspond à la somme des temps de chaque élément individuel.

• Contenu de travail total

Désigne l'ensemble de tous les éléments de travail devant être effectués sur la ligne de production. Symbolisé par Twc.

• Temps de traitement du poste de travail

Le terme « poste de travail » désigne un emplacement physique le long de la ligne de production où le travail est effectué. Chaque poste de travail comprend au moins un élément de travail. Symbolisé par Tsi pour le poste i d'une ligne à npostes.

• Exigences de séquencement technologique

Désigne l'ordre possible dans lequel les éléments de travail peuvent être accomplis. Également appelées « contraintes de précédence ».

Par exemple, les supports doivent être fixés au châssis avant que les moteurs ne puissent être fixés aux supports.

Dans presque toutes les tâches d'assemblage, il existe des exigences de séquencement technologique qui limitent l'ordre dans lequel les tâches peuvent être effectuées.

• Diagramme de précédence

Lié aux exigences de séquencement technologique (ou contraintes de précédence), un diagramme de précédence est une représentation graphique dans laquelle la séquence de travail doit être accomplie telle que définie par les exigences de séquencement technologique.

Les éléments de travail qui apparaissent sur les nœuds situés à gauche du diagramme doivent être accomplis avant ceux positionnés à droite.

• Temps de cycle

La vitesse théorique maximale (idéale) à laquelle la ligne de production produit ses pièces/produits. Symbolisé par Tc, la valeur de Tc doit être supérieure ou égale à E / Rp, où E représente l'efficacité de la ligne et Rp le taux de production requis. L'efficacité d'une ligne manuelle est généralement plus proche de 100 % que celle d'une ligne automatisée, où les défaillances mécaniques sont plus fréquentes.

Par exemple, si le taux de production requis (Rp) est de 30 unités par heure ou 0,5 unité par minute avec une efficacité de ligne (E) de 100 %, le Tc serait de 0,5 minute ou 30 secondes. Si l'efficacité de la ligne est inférieure à 100 %, le taux de production idéal (Rc) doit être augmenté pour compenser le temps d'inactivité.

Grâce à cette équation, le minimum possible Tc doit être supérieur ou égal au temps passé au poste de travail goulot ayant la valeur la plus élevée de Tsi (max Tsi.) Sinon, si Tc = max Tsi, la ligne de production subira des temps d'inactivité à tous les postes de travail ayant des valeurs de Ts supérieures à Tc.

• Délai d'équilibrage

Également appelé « perte d'équilibrage », le délai d'équilibrage mesure l'inefficacité de la ligne de production due aux temps d'inactivité résultant de lignes non équilibrées.

Le délai d'équilibrage est symbolisé par d, qui peut être calculé à l'aide de la formule suivante :

d = (nTc - Twc) / nTc

Où n représente le nombre de postes de travail, Tc est le temps de cycle, et Twc est la charge de travail totale (comme abordé ci-dessus).

Le délai d'équilibrage est plus souvent exprimé en pourcentage plutôt qu'en fraction décimale utilisée dans les autres calculs ici. Un délai d'équilibrage de 0 signifie que la ligne est parfaitement équilibrée.

Par exemple, si la charge de travail totale (Twc) est de 10 minutes et que le temps de cycle Tc est de 1 minute, alors il est possible d'atteindre l'équilibre avec n= 10 postes de travail, pour un équilibre parfait :

d= (10 (1,0) - 10,0) / 10 (1,0) = 0

En revanche, si l'équilibre n'est atteint qu'avec 11 postes de travail pour un cycle de 1,0 minute, le délai d'équilibrage serait de :

d= (11(1,0) - 10,0 )/11(1,0) = 0,0909 soit 9,09 %

Dans cette seconde hypothèse avec 11 postes de travail, la ligne de production est moins efficace, non seulement en raison du poste supplémentaire — entraînant un délai — mais aussi parce qu'elle nécessitera un opérateur de plus. Pour cette seconde solution, un moyen viable d'améliorer l'efficacité consiste à réduire le temps de cycle (Tc).

Dans cet exemple, la ligne de production pourrait être équilibrée avec un temps de cycle de 11,0 minutes, soit :

d= (11(1,0) - 11,0 )/11(1,0) = 0

Cependant, pour tenter d'obtenir un équilibre parfait, il faut tenir compte des contraintes imposées par les exigences de séquençage technologique (contraintes de précédence) et des valeurs autorisées par Tej.

En raison de ce problème engendré par les contraintes, nous aborderons dans la section suivante des méthodes susceptibles d'apporter des solutions.

Méthodes d'équilibrage de ligne courantes

Bien qu'il existe diverses méthodes pour résoudre le problème de l'équilibrage de ligne, nous pouvons généralement les classer en deux grands groupes : les méthodes heuristiques et les méthodes informatisées.

I. Méthodes heuristiques

Le terme « heuristique » signifie ici que les méthodes reposent sur la logique (le bon sens) plutôt que sur une démonstration mathématique. Cela étant dit, les méthodes heuristiques ne garantissent pas la solution mathématiquement ou théoriquement optimale, mais elles permettent généralement d'obtenir de bons résultats qui s'en rapprochent.

Il existe trois principales méthodes heuristiques d'équilibrage de ligne que vous pouvez mettre en œuvre :

1. Règle du candidat le plus long
2. Kilbridge et Wester
3. Poids positionnels classés

Nous allons les examiner une par une ci-dessous en nous appuyant sur l'exemple simple d'éléments de travail suivant.

Exemple d'éléments de travail

N°

Description de l'élément de travail

Tej

Doit être précédé de

1

Assembler les supports au cadre

0,6

2

Assembler la plaque du mécanisme au support

0,12

1

3

Aligner la lame et la fixer au moteur

0,33

2

4

Fixer le couvercle et tester

0,45

3

5

Emballage

0,22

4

1. Règle du candidat le plus important

La méthode heuristique d'équilibrage de ligne la plus élémentaire et généralement la plus facile à comprendre.

Le principe de la règle du candidat le plus important consiste à choisir les affectations aux postes de travail en fonction de la taille des Te valeurs des postes de travail. Le Te le plus élevé est prioritaire, d'où son nom.

Les étapes de cette méthode sont les suivantes :

1. Lister tous les éléments de travail. Placer le Te le plus élevé en haut de la liste, par ordre décroissant de Te valeur.
2. Affecter les éléments de travail au premier poste de travail, en commençant par le haut de la liste et en descendant, tout en respectant les exigences de séquençage technologique (contraintes de précédence). La somme des Te valeurs à chaque poste de travail ne doit pas dépasser le temps de cycle Tc.
3. Continuer à affecter les éléments de travail au poste de travail comme à l'étape 2 jusqu'à ce qu'aucun autre élément de travail ne puisse être ajouté sans dépasser le temps de cycle Tc.
4. Répétez les étapes 2 et 3 pour les autres postes de travail de la ligne de production jusqu'à ce que tous les éléments soient alignés.

Exemple :

1. Kilbridge et Wester

La méthode de Kilbridge et Wester a été introduite en 1961 pour équilibrer un processus dans un système de fabrication.

Il s'agit d'une méthode itérative qui utilise le tâtonnement pour équilibrer la ligne de production en ajustant les temps de cycle des différentes opérations. L'objectif est d'obtenir une ligne équilibrée, où tous les postes ont des temps de cycle égaux et, par conséquent, des cadences de production similaires, tout en minimisant le temps de cycle total de la ligne. C'est l'une des méthodes les plus utilisées pour équilibrer un processus de fabrication.

Pour utiliser la méthode de Kilbridge et Wester, suivez ces étapes :

1. Identifier la ligne de production : Déterminez la séquence des opérations qui composent la ligne de production ainsi que le temps de cycle de chaque opération.
2. Déterminer le chemin critique : Le chemin critique est la séquence d'opérations qui nécessite le plus de temps pour être réalisée. C'est ce chemin qui détermine le temps de cycle global de la ligne.
3. Déterminer le temps de cycle idéal : Divisez le temps de cycle du chemin critique par le nombre de postes sur la ligne pour déterminer le temps de cycle idéal.
4. Attribuer les temps de cycle : Attribuez le temps de cycle idéal aux opérations du chemin critique, puis attribuez de manière itérative des temps de cycle plus courts aux opérations non critiques.
5. Vérifier l'équilibre : Vérifiez si tous les postes ont désormais des temps de cycle égaux et si le temps de cycle total est minimisé.
6. Répétez les étapes 2 à 5, en ajustant les temps de cycle si nécessaire, jusqu'à ce que tous les postes soient équilibrés et que le temps de cycle total soit minimisé.
7. Mettre en œuvre les nouveaux temps de cycle : Une fois les temps de cycle déterminés, mettez-les en œuvre sur la ligne de production et surveillez les performances pour vous assurer que la ligne est réellement équilibrée.

Il est important de noter que la méthode de Kilbridge et Wester est un processus itératif, et qu'il peut falloir plusieurs cycles pour atteindre l'équilibre. Il est également important de garder à l'esprit que d'autres facteurs peuvent affecter l'équilibre de la ligne, tels que la disponibilité des ressources ou les changements de la demande ; le processus peut donc devoir être répété périodiquement.

1. Poids positionnels classés

La méthode des poids positionnels classés est utilisée pour attribuer un poids ou une valeur à différentes positions dans une ligne de fabrication. L'objectif de cette méthode est d'optimiser les performances de la ligne en attribuant des poids plus élevés aux positions les plus critiques et des poids plus faibles aux positions moins critiques.

Le processus des poids positionnels classés implique généralement les étapes suivantes :

1. Identifiez les postes : commencez par identifier tous les postes qui composent la ligne de production.
2. Attribuez des poids : ensuite, attribuez un poids ou une valeur à chaque poste en fonction de son importance ou de sa criticité pour la performance globale de la ligne. Ce poids peut être déterminé selon des facteurs tels que le niveau de compétence requis, la complexité de la tâche ou l'impact sur la performance globale de la ligne.
3. Classez les postes : une fois les poids attribués, classez les postes en fonction de leur valeur. Le poste ayant le poids le plus élevé est considéré comme le plus critique et reçoit le rang le plus élevé. Le poste ayant le poids le plus faible est considéré comme le moins critique et reçoit le rang le plus bas.
4. Optimisez la performance : utilisez le classement des postes pour optimiser la performance de la ligne. Par exemple, affectez les travailleurs les plus qualifiés ou expérimentés aux postes les mieux classés et concentrez-vous sur l'amélioration de la performance des postes les moins bien classés.

Cette méthode permet à l'entreprise d'optimiser la performance de la ligne en se concentrant sur les postes critiques et en s'assurant que les ressources appropriées sont utilisées aux bons endroits. De plus, elle peut également servir à identifier les goulots d'étranglement potentiels dans le processus de production, qui peuvent être traités pour améliorer l'efficacité globale de la ligne.

II. Méthodes informatisées

La méthode d'équilibrage de ligne informatisée est une technique permettant d'équilibrer une ligne de production à l'aide d'un logiciel informatique pour analyser et optimiser le processus de fabrication. Cette méthode comprend généralement les étapes suivantes :

1. Collecte de données : la première étape consiste à collecter des données sur le processus de production, notamment le temps nécessaire pour accomplir chaque tâche, le nombre de travailleurs requis et le nombre de produits fabriqués par heure.
2. Modélisation de la ligne : les données sont ensuite utilisées pour créer un modèle informatique de la ligne de production. Ce modèle inclut des informations sur les tâches, les travailleurs et les machines impliqués dans le processus.
3. Optimisation : le modèle informatique est ensuite utilisé pour analyser le processus de production et identifier les goulots d'étranglement et les inefficacités potentiels. Le logiciel peut alors servir à optimiser la ligne en ajustant la séquence des tâches, le nombre de travailleurs ou la vitesse des machines.
4. Simulation : le modèle informatique peut également être utilisé pour simuler le processus de production selon différents scénarios, tels que des changements de la demande ou l'introduction de nouveaux équipements. Cela permet aux fabricants de tester différentes situations et de déterminer la meilleure marche à suivre.
5. Mise en œuvre : une fois la configuration optimale de la ligne identifiée, les changements peuvent être appliqués au processus de production réel.

Cette méthode permet aux fabricants d'équilibrer rapidement et précisément la ligne de production, et peut être utilisée pour identifier et résoudre les problèmes plus rapidement et plus efficacement que les méthodes traditionnelles. De plus, la méthode informatisée offre une plus grande flexibilité pour tester différents scénarios et évaluer les résultats.

Autres méthodes d'équilibrage de ligne à considérer

Parmi les autres méthodes permettant d'équilibrer une ligne de production, on trouve :

1. Heijunka : il s'agit d'un terme japonais qui désigne le lissage de la production pour correspondre à la demande des clients. L'objectif est de produire une quantité constante de produits à un rythme régulier, plutôt que de produire par grands lots.
2. Tambour-Tampon-Corde (DBR) : cette méthode utilise un « tambour » (le rythme de la demande du marché pour le produit), un « tampon » (un stock de sécurité de produits en cours de fabrication) et une « corde » (le rythme de production) pour équilibrer la ligne de production.
3. Théorie des contraintes (TOC) : cette méthode se concentre sur l'identification et la gestion des contraintes qui limitent la performance de la ligne de production. Une fois les contraintes identifiées, la TOC vise à optimiser la performance du système dans son ensemble, plutôt que celle des postes individuels.
4. Lean Manufacturing : cette méthode se concentre sur l'élimination du gaspillage, la réduction de la variabilité et l'augmentation de l'efficacité du processus de fabrication. C'est une approche qui met l'accent sur l'amélioration continue et vise à créer un système « tiré » où la production est basée sur la demande réelle des clients.
5. Six Sigma : cette méthode est une approche axée sur les données pour améliorer la qualité du processus de production. Elle utilise l'analyse statistique pour identifier et éliminer les défauts, réduire la variabilité et améliorer la performance globale.

Il s'agit d'une liste non exhaustive ; d'autres méthodes sont disponibles, notamment la production en flux continu, la production cellulaire, etc.

En fin de compte, vous devriez expérimenter différentes méthodes d'équilibrage afin de trouver celle qui convient le mieux au type de produit que vous fabriquez, à la culture de votre entreprise, à votre processus de production et à vos objectifs globaux.

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