A Stochastic Eco-Efficiency Approach to Support the Eco-Design of Additive Manufactured Components in the Aircraft Industry

Lorsque l'on est confronté à des indicateurs de coûts et d'impacts environnementaux, prendre des décisions s'avère assez difficile, surtout lorsque l'atténuation des impacts se fait au détriment d'un coût additionnel. Malgré cela, notre monde fait face à une augmentation des gaz à effet de serre et par la suite, un changement pragmatique dans notre manière de penser et de concevoir nos systèmes est primordial. L'industrie aéronautique est responsable d'environ 2% des émissions mondiales de gaz à effet de serre et a reconnu la nécessité d'adopter une vision cycle de vie afin de réduire ses impacts sur l'environnement. Dans ce contexte-là, les partenaires industriels de ce projet ont misé leur attention sur le potentiel de l'écoconception de pièces d'avions produites par fabrication additive. Par conséquent, l'objectif général de cette recherche est d'intégrer l'analyse d'incertitude à une approche d'écoconception basée sur le concept d'éco-efficience, afin de soutenir et d'éclairer la prise de décision. La méthodologie est développée autour d'une étude de cas sur la fabrication additive de pièces d'avions comparée à une technique de fabrication conventionnelle, l'usinage. Une analyse du cycle de vie (ACV) de type distance par rapport à l'objectif par facteur de réduction est utilisée pour calculer les impacts environnementaux potentiels en termes d'émissions de dioxyde de carbone, oxydes d'azote et particules fines. Ces émissions font l'objet de l'attention du secteur aéronautique qui s'est fixé des objectifs de réduction sur des horizons de temps bien définis. L'analyse environnementale des coûts du cycle de vie est utilisée pour calculer les coûts générés tout au long du cycle de vie de l'avion en les actualisant à l'année de référence (2018). Les résultats de l'ACV et des coûts du cycle de vie sont intégrés dans un diagramme d'écoefficience afin d'identifier et de choisir les alternatives de conception les plus éco-efficientes. Étant donné qu'une décision implique toujours un certain niveau de risque, nous intégrons à cette approche une évaluation quantitative de l'incertitude basée sur une méthode probabiliste afin d'estimer le niveau de confiance donné aux résultats. Ces-derniers sont comparés en évaluant la différence statistique significative qui existe entre les scores d'ACV, de coûts et d'éco-efficience des alternatives de conception. Finalement, une analyse de sensibilité globale est réalisée afin d'identifier les paramètres d'entrée du modèle qui contribuent le plus à l'incertitude des résultats. L'étude de cas montre, à travers les résultats, que la fabrication additive est une technologie prometteuse pour le secteur de l'aéronautique puisqu'elle permet à la fois une amélioration environnementale et une réduction des coûts donc une meilleure éco-efficience comparée à l'usinage. Ces avantages sont principalement dus à l'optimisation topologique; en effet, la probabilité que cette pièce soit plus éco-efficiente que celle fabriquée de manière conventionnelle est significative. L'analyse de sensibilité globale montre que la variabilité de paramètres tels que la distance parcourue par l'avion tout au long de sa durée de vie, la consommation de carburant, le coût de production et le taux d'actualisation, contribue le plus à l'incertitude des résultats. Par conséquent, raffiner ces paramètres contribuerait à faciliter la prise de décision. L'ACV de type distance par rapport à l'objectif par facteur de réduction est pertinente pour l'industrie aéronautique, car elle soutient l'atteinte des objectifs de réduction fixés. Néanmoins, les résultats ne tiennent pas compte du profil environnemental global car la méthode est limitée aux émissions de certaines substances uniquement. Afin de veiller à la bonne opérationnalisation de l'écoconception pour la fabrication additive, la prise en compte de l'ensemble des émissions orienterait des choix plus durables. Enfin, il faudrait saisir l'écoconception comme une opportunité de guider des choix plus écoefficients, tôt dans le processus de développement de produits. La fabrication additive est une technologie en pleine évolution. Par suite, il faudrait s'assurer d'intégrer l'écoconception de façon cohérente et adaptée, afin de s'assurer que les choix, côté technique, génèrent le moins d'impacts possible tout en restant rentables. L'incertitude peut être minimisée tout au long du processus et le temps de calcul pour son évaluation est court. Cependant, les résultats de l'analyse sont liés aux choix des distributions des paramètres d'entrée. Le travail préliminaire de définition de ces distributions dépend de notre connaissance de la variabilité des paramètres. La collecte de telles données pourrait en effet limiter les efforts pour mettre en oeuvre une telle approche.