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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 ?

4 juillet 2014 Identification des bases d’une synergie entre recycleurs et concepteurs 2

Partie 1

Concepteurs : une vision produit

3


L’écoconception


➔ 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


➔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.



➔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


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




Recherche de concept

Cahier des charges

•Rechercher les principes de solutions •Évaluer ces principes

Outils associés

• Brainstorming •Analogie de conception •Matrice QFD





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






Conception détaillée


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







Industrialisation


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


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





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






Industrialisation





Extraction

Traitement

Fin de vie Utilisation

Maintenance

Réutilisation

Remanufacturing

Recyclage


Enfouissement

Matières premières secondaires

Matières premières primaires


Déchets ultimes

Énergie

Cycles de conception et de vie du produit






Industrialisation


Fin de vie

Réutilisation

Remanufacturing

Recyclage


Enfouissement


Les indicateurs pour la fin de vie


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



➔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.

Partie 2

Recycleurs : une vision matériau

18


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


Les recycleurs : une vision matériau Le cas des composites à renfort carbone/matrice époxy

➔Un contexte d’usage croissant depuis les années 90


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


➔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



➔Problématique inhérente

› Majorité des impacts environnementaux liée à la fabrication des fibres de carbone

22

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


➔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)




› Enfouir

› Incinérer




Matrice (1G)

Matière première (Fibre de carbone nG)

Conception Procédé de production


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



› Enfouir

› Incinérer




Matière première (Fibre de carbone nG)



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)



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

26



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



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



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


(n = 3)

Automobile

z (performance du constituant

par rapport au CdC)

q (temps [durée du cycle])

r (nombre d’usages potentiels)

Matières premières (nG)




Composite nG en fin de vie

Fibre de carbone nG (matériau neuf : n = 1)


(n = 2)

Sport et loisirs

Valorisation énergétique ou enfouissement

30


➔ Identification des acteurs de la ligne de recyclage


Matière première




Fin de vie du produit nG

Fibre de carbone neuve

Enfouissement Valorisation énergétique


➔ Identification des acteurs de la ligne de recyclage, et de leurs liens


Matière première




Fin de vie du produit nG

Fibre de carbone neuve

Enfouissement Valorisation énergétique

Fournisseurs


➔Caractérisation d’indicateurs

› Matériau avant/après recyclage performances techniques/mécaniques

› Procédé de recyclage impacts environnementaux comparés




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


➔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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