Identification des bases d’une synergie entre recycleurs et concepteurs
Marion Prinçaud 1, Stéphane Pompidou 2 et Nicolas Perry 3
1 Université de Bordeaux 2 Université de Bordeaux 3 Arts et Métiers ParisTech
ISM - UMR 5255 I2M - UMR 5295 I2M - UMR 5295
F-33400 Talence F-33400 Talence F-33400 Talence
FRANCE FRANCE FRANCE
3 juillet 2014 Bordeaux, INSEEC
Plan
➔ Concepteurs : une vision produit
› Comment optimiser la fin de vie du produit dès la phase de conception ?
➔ Recycleurs : une vision matériau
› Comment mieux intégrer les recycleurs dans le cycle de développement du produit en tant que fournisseurs de matériaux (n+1)G ?
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L’écoconception
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➔ Écoconcevoir un produit consiste à le concevoir
› avec (au moins) le même niveau fonctionnel,
› mais en utilisant moins de matière et d’énergie, en favorisant l'utilisation de ressources renouvelables, et en optimisant sa structure pour limiter les opérations de maintenance et favoriser les meilleurs traitements de fin de vie.
Écoconcevoir pour la fin de vie
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➔Appréhender la fin de vie du produit dès sa conception
› Intérêt Les décisions prises au plus tôt dans la conception du produit vont avoir les conséquences économiques et environnementales les plus importantes en fin de vie.
› Solutions Il existe plus de 150 outils d’écoconception, mais ils se révèlent peu appropriés aux PME (difficiles d’utilisation).
› Solution alternative (notre proposition) Adapter les outils classiques de conception pour prendre en compte la fin de vie.
Écoconcevoir pour la fin de vie
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➔Notre approche
› Inventorier les outils classiques de conception
• détailler le cycle de conception d’un produit ;
• lister les outils de conception associés à chaque phase.
› Évaluer les choix de conception à chaque étape du processus, en fonction des scénarios envisagés • proposer, valider et affiner des scénarios de fin de vie ;
• définir et sélectionner les indicateurs facilement intégrables dans les outils de conception pour évaluer ces scénarios.
Le cycle de conception du produit
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Expression du besoin
Cahier des charges
•Clarifier les besoins du client •Décrire les fonctions •Caractériser les fonctions •Classer les fonctions •Détailler les fonctions
Outils associés
• Bête à corne •Diagramme pieuvre • Tableaux des fonctions •Hiérarchisation (tri croisé) • SADT • FAST • BDF
Le cycle de conception du produit
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Expression du besoin
Recherche de concept
Cahier des charges
•Rechercher les principes de solutions •Évaluer ces principes
Outils associés
• Brainstorming •Analogie de conception •Matrice QFD
Le cycle de conception du produit
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Expression du besoin
Recherche de concept
Conception architecturale
Conception préliminaire
Cahier des charges
•Faire les choix structuraux •Choisir composants et matériaux •Prédimensionner les composants
Outils associés
•Matrice de décision • Lois physiques •Modélisation • Simulation • Choix des matériaux •AMDEC
Le cycle de conception du produit
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Expression du besoin
Recherche de concept
Conception architecturale
Conception détaillée
Conception préliminaire
Cahier des charges
•Optimiser le produit •Améliorer la maquette numérique •Réaliser le dossier de définition
Outils associés
• Lois physiques •Modélisation • Simulation, optimisation • Formalisation •ACV complète
Le cycle de conception du produit
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Expression du besoin
Recherche de concept
Conception architecturale
Conception détaillée
Industrialisation
Conception préliminaire
Cahier des charges
•Définir les modes opératoires de fabrication •Définir plan de contrôle qualité •Prototype •Réaliser des essais Outils associés
• Chronogramme • Simogramme • Just in time • SMED • TPM • 5S • Bilan matière/énergie • Simulation de flux • CFAO
Le cycle de vie du produit
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Conception Production
Utilisation Maintenance Fin de vie
Matières premières
Distribution Transport
Objectifs - Proposer des scénarios de fin de vie ; - Les évaluer tout au long du processus de
conception ; - Se placer dans un système allant vers une
économie circulaire.
La fin de vie du produit
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Matières premières
Conception Production
Distribution Transport
Fin de vie Utilisation
Maintenance
Réutilisation
Remanufacturing
Recyclage
Valorisation énergétique
Enfouissement
Matières premières secondaires
Gestion des déchets
Déchets ultimes
Énergie
Extraction
Traitement
Matières premières primaires
Cycles de conception et de vie du produit
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Expression du besoin
Recherche de concept
Conception architecturale
Conception détaillée
Industrialisation
Conception préliminaire
Matières premières
Conception Production
Distribution Transport
Extraction
Traitement
Fin de vie Utilisation
Maintenance
Réutilisation
Remanufacturing
Recyclage
Valorisation énergétique
Enfouissement
Matières premières secondaires
Matières premières primaires
Gestion des déchets
Déchets ultimes
Énergie
Cycles de conception et de vie du produit
4 juillet 2014 Identification des bases d’une synergie entre recycleurs et concepteurs 15
Expression du besoin
Recherche de concept
Conception architecturale
Conception détaillée
Industrialisation
Conception préliminaire
Fin de vie
Réutilisation
Remanufacturing
Recyclage
Valorisation énergétique
Enfouissement
Gestion des déchets
Les indicateurs pour la fin de vie
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Démontabilité - temps - type d’outils - nombre d’outils - force - coût
Adaptabilité - capacité dé réutilisation d’un constituant
Fiabilité - défaillances du produit
Traçabilité - suivi du produit et des substances au fil du temps
Fatigue - évaluation de l’usure
Salissure - encrassement - pollution - revêtement - corrosion
Composition - pourcentage des constituants
Séparabilité - taux de séparation - impuretés résiduelles
Contamination - impuretés résiduelles - polluant (pour la qualité post-recyclage)
Viabilité économique - Débit de matériau à extraire d’un flux de matière pour avoir une activité économiquement viable
Qualité et performances des filières - perte de qualité post-recyclage
Option de fin de vie
réutilisation remanufacturing recyclage
Réutilisation 6 indicateurs
Remanufacturing 8 indicateurs
Recyclage 7 indicateurs
Structure - regroupement de composants à durées de vie comparables
Désassemblabilité - accessibilité - type de fixations - standardisation des assemblages
Écoconcevoir pour la fin de vie
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➔Conclusion et perspectives
› Indicateurs associés aux phases de développement du produit, mais pas encore intégrés dans les outils classiques de conception ;
› Méthode appliquée dans les grandes lignes sur la reconception d’une éolienne ;
› Limite de l’approche : difficulté de quantification des indicateurs ;
› Perspective : valider la méthode sur la conception d’un produit.
Recycleurs : une vision matériau
➔Comment placer les recycleurs dans la boucle pour qu’ils deviennent des fournisseurs de matériaux 2G ?
Comment passer de la vision matériau (recycleurs) à une vision produit (concepteurs) ?
➔Un cas d’étude : les composites à renfort carbone/matrice époxy
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Les recycleurs : une vision matériau Le cas des composites à renfort carbone/matrice époxy
➔Un contexte d’usage croissant depuis les années 90
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Aéronautique et aérospatiale
Applications high-tech
Automobile
Allègement des véhicules
(parties semi-structurales)
Sports et loisirs
Composants décoratifs (non structuraux)
Perf
orm
ances techniq
ues
Les recycleurs : une vision matériau Le cas des composites à renfort carbone/matrice époxy
➔Problématiques inhérentes
› Coût non négligeable (prépregs de fibres de carbone ≈ 180€·kg-1)
› Législations (à venir ?)
› En fin de vie (FdV) : fibres/matrice mal dissociables, pièces de formes trop variées
› Matériaux non renouvelables
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Les recycleurs : une vision matériau Le cas des composites à renfort carbone/matrice époxy
➔Problématique inhérente
› Majorité des impacts environnementaux liée à la fabrication des fibres de carbone
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Renfort carbone
Matrice époxy
Procédé de mise en œuvre (moulage par injection)
Impact environnemental de la fabrication d’une pièce composite carbone/époxy de 1 kg
Les recycleurs : une vision matériau Le cas des composites à renfort carbone/matrice époxy
➔Nécessité de considérer les scénarios de fin de vie de ce matériau dans le contexte des filières existantes
› Enfouir
› Incinérer
› Valoriser la matière
› Recycler (au moins partiellement)
4 juillet 2014 Identification des bases d’une synergie entre recycleurs et concepteurs 23
Les recycleurs : une vision matériau Le cas des composites à renfort carbone/matrice époxy
➔Nécessité de considérer les scénarios de fin de vie de ce matériau dans le contexte des filières existantes
› Enfouir
› Incinérer
› Valoriser la matière
› Recycler (au moins partiellement)
4 juillet 2014 Identification des bases d’une synergie entre recycleurs et concepteurs 24
Matrice (1G)
Matière première (Fibre de carbone nG)
Conception Procédé de production
Distribution Transport
Utilisation Maintenance Fin de vie du
composite nG
Fibre de carbone nG
(n = 1)
Recyclage de la fibre (n n + 1)
Solvolyse de la matrice
Les recycleurs : une vision matériau Le cas des composites à renfort carbone/matrice époxy
➔Nécessité de considérer les scénarios de fin de vie de ce matériau dans le contexte des filières existantes
› Enfouir
› Incinérer
› Valoriser la matière
› Recycler (au moins partiellement)
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Matière première (Fibre de carbone nG)
Conception Procédé de production
Distribution Transport
Utilisation Maintenance Fin de vie du
composite nG
Nombre d’usages potentiels du renfort
The recycling of carbon fiber. Identification of bases for a synergy between recyclers and designers
Aéronautique
z (performance du constituant
par rapport au CdC)
q (temps [durée du cycle])
r (nombre d’usages potentiels)
Matières premières (nG)
Conception Production
Distribution Transport
Utilisation Maintenance
Composite nG en fin de vie
Fibre de carbone nG (matériau neuf : n = 1)
Recyclage de la fibre n n + 1
(n = 2)
Valorisation énergétique ou enfouissement
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Les recycleurs : une vision matériau Le cas des composites à renfort carbone/matrice époxy
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Semi-produit 2G (bandes unidirectionnelles)
Composite 1G
Solvolyse de la matrice
Détissage
Conditionnement
Caractériser les matériaux
Tissu 2G
Fibre 2G
1 2, ,..., nP P P
Les recycleurs : une vision matériau Le cas des composites à renfort carbone/matrice époxy
4 juillet 2014 Identification des bases d’une synergie entre recycleurs et concepteurs 28
1 1 1 11 2, ,...,G G G G
nz z P P P
2 2 2 21 2, ,...,G G G G
nz z P P P
à
2 1 1 2
1
,G G G Gi i
i n
P Pd d
Constituant 1G
Constituant 2G
Indice de décyclage
Caractérise le procédé de recyclage (et sert à son optimisation) Caractérise le procédé de production d’un autre matériau (pour maintenir la ressource)
Constituant 1G
Les recycleurs : une vision matériau Le cas des composites à renfort carbone/matrice époxy
4 juillet 2014 Identification des bases d’une synergie entre recycleurs et concepteurs 29
Constituant 1G
Constituant 2G
Proposer de nouveaux domaines d’application
Innovation
2 2 2 21 2, ,...,G G G G
nz z P P P
Constituant 2G =
Nouveau matériau
Carte des propriétés de matériaux
Mettre à disposition ce matériau
The recycling of carbon fiber. Identification of bases for a synergy between recyclers and designers
Aéronautique
Recyclage de la fibre n n + 1
(n = 3)
Automobile
z (performance du constituant
par rapport au CdC)
q (temps [durée du cycle])
r (nombre d’usages potentiels)
Matières premières (nG)
Conception Production
Distribution Transport
Utilisation Maintenance
Composite nG en fin de vie
Fibre de carbone nG (matériau neuf : n = 1)
Recyclage de la fibre n n + 1
(n = 2)
Sport et loisirs
Valorisation énergétique ou enfouissement
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Les recycleurs : une vision matériau Le cas des composites à renfort carbone/matrice époxy
➔ Identification des acteurs de la ligne de recyclage
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Matière première
Conception Procédé de production
Distribution Transport
Utilisation Maintenance
Fin de vie du produit nG
Fibre de carbone neuve
Enfouissement Valorisation énergétique
Les recycleurs : une vision matériau Le cas des composites à renfort carbone/matrice époxy
➔ Identification des acteurs de la ligne de recyclage, et de leurs liens
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Matière première
Conception Procédé de production
Distribution Transport
Utilisation Maintenance
Fin de vie du produit nG
Fibre de carbone neuve
Enfouissement Valorisation énergétique
Fournisseurs
Les recycleurs : une vision matériau Le cas des composites à renfort carbone/matrice époxy
➔Caractérisation d’indicateurs
› Matériau avant/après recyclage performances techniques/mécaniques
› Procédé de recyclage impacts environnementaux comparés
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Les recycleurs : une vision matériau Le cas des composites à renfort carbone/matrice époxy
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Comparison of the environmental impacts of a 1 kg composite part throughout its life cycle, and depending on the end-of-life option: brown refers to the landfill of the composite part, green and to reinforcement recycling.
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
%
Impact categories
Les recycleurs : une vision matériau Le cas des composites à renfort carbone/matrice époxy
➔Élargissement nécessaire à la filière de recyclage pour intégrer un nouveau matériau dans un contexte socio-économique
➔Besoin de pouvoir agréger des indicateurs de performances techniques, économiques et environnementales pour les rendre accessibles en conception
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