Démarches de l’expérimentation

Dans le chapitre 1 nous avons abordé les trois pôles d’activité dont l’expérimentation est l’outil indispensable : la recherche fondamentale, la recherche appliquée et le développement des produits. Ci-dessous nous présenterons les démarches de l’expérimentation utilisées dans ces activités.

Les démarches expérimentales pour la recherche sont pratiquées dans la recherche

fondamentale et dans la recherche appliquée. Par contre, la démarche des plans d’expériences est utilisée principalement dans l’industrie et une partie de la recherche appliquée.

Ainsi, nous les synthétiserons par une démarche commune qui permet de les comparer et de relever leurs apports pour notre recherche

1.1 Démarches expérimentales pour la recherche

Dans la définition de l’expérience scientifique, VIGIER considère qu’une expérimentation doit être « planifiée, argumentée … » [VIGIER 91]. Une expérimentation ne peut donc s’obtenir que par une procédure rigoureuse.

Les démarches de l’expérimentation sont développées grâce aux travaux de plusieurs

générations de chercheurs et dans des domaines différents. Les épistémologues, depuis l’aube de l’approche objective de la connaissance au 17ème siècle, ont tenté d’abstraire ce qui faisait le fond de la méthode scientifique [CARFANTAN 02]. Le 19ème siècle nous a livré des expositions précises de la méthode expérimentale. Ainsi « L’introduction à l’étude de la médecine expérimentale », de Claude Bernard [BERNARD 66] qui est une proclamation très nette des exigences de l’expérimentation dans le domaine de la médecine.

Plus récente, la démarche expérimentale de BADIRU [BADIRU 96] est une méthode générale pour la réalisation des expérimentations. Elle permet d’identifier le modèle d’expérimentation nécessaire, de planifier les actions, de proposer les outils de dépouillement des résultats d’essais, etc. Dans son guide de la recherche, BADIRU a proposé cette démarche qui est constituée de 10 étapes :

1. 1. Vérification du besoin en expérimentation. Elle consiste à s’interroger sur la

nécessité et la nature de l’expérimentation à réaliser. Est-elle rétrospective ou prospective ? 2. 2. Définition des objectifs de l’expérimentation. Elle consiste à développer les

objectifs concrets que l’expérimentation doit accomplir et à les classer en ordre de priorité. Précisément, il faut déterminer le problème à résoudre, spécifier les critères expérimentaux (les variables dépendantes ou les paramètres de réponse…) et leurs natures.

3. 3. Identification des variables intéressantes. Le choix des variables intéressantes ne

s’appuie pas que sur les objectifs de l’étude mais aussi sur d’autres critères supplémentaires, par exemple : prise en compte de la capacité des moyens techniques disponibles, etc. ? Il faut

classer les variables retenues en catégories : les variables de contrôle, dépendantes, indépendantes, etc. ?

4. 4. Identification des catégories de données et leur classement. Il y a différents types

de données dont certains ne sont pas quantifiables directement. Le but de cette étape est donc l’identification des données réellement importantes et la façon de les mesurer. Ensuite de définir le périmètre des données et l’échelle de mesure adaptée à chacune une.

5. 5. Construction du plan d’expérimentation. Afin de construire ce plan, cette étape

consiste à déterminer le nombre d’essais minimum, le protocole expérimental et les erreurs admissibles dans les résultats d’essais. Les méthodes des plans d’expériences sont adaptées pour optimiser le nombre d’essais.

6. 6. Réalisation des essais. Dans cette étape, l’évaluation des erreurs d’essais s’appuie

sur les erreurs de reproductibilité et de répétitivité. La répétition des essais permet de valider les résultats, en excluant les résultats trop écartés de la moyenne.

7. 7. Analyse des résultats. Il existe plusieurs techniques d’analyse des résultats selon le

type de données et selon le souhait de l’expérimentateur

8. 8. Rédaction du rapport d’expérimentation. Indépendamment des résultats mesurés,

les remarques et les observations spécifiques à chaque résultat peuvent aider à la rédaction du rapport.

9. 9. Préconisation de l’utilisation des résultats. Les résultats d’expérimentation sont

neutres par rapport à l’application qu’on souhaite en faire par la suite. Les conclusions

s’appuient donc sur les interprétations des résultats d’essais. Il faut décrire les caractéristiques et les détails de l’expérimentation comme s’ils pouvaient être utilisés pour prendre des

décisions dans le cadre de l’application proposée.

10. 10. Appropriation de l’expérimentation. L’expérimentation ne s’arrête pas là, elle doit

être élevée à un niveau d’appropriation telle qu’elle permette aux chercheurs de comprendre d’autres sujets de recherche non expérimentaux.

C’est une démarche très générale dans le sens où elle laisse, aux utilisateurs, une certaine flexibilité d’adaptation à leur sujet, mais aussi la liberté d’adopter les méthodes et les outils expérimentaux de leur choix.

Dans cette démarche, les 4 premières étapes sont dédiées à l’analyse du besoin expérimental, l’identification des paramètres d’entrée et de sortie de l’expérimentation. Bien que les

informations données par cette analyse ne soient pas en l’état compréhensif pour les

concepteurs (avis des sondés de l’enquête LUONG 2001), mais si nous pouvons les traduire aux concepteurs elles seraient la source d’information importante pour comprendre le besoin fondamental du développement des MES.

Une difficulté pour utiliser cette démarche à notre service est que le moyen d’essai doit exister avant l’étape 3 afin de « prendre en compte la capacité des moyens techniques disponibles ». Cela explique pour quoi les chercheurs ne font pas cette analyse avant le lancement du

développement de MES (dans le processus de développement des MES à l’ENSAM - chapitre 2 ; §3.1).

1.2 La démarche des plans d’expériences

Depuis la création des « méthodes des plans d’expériences » qui permettent d’optimiser le travail des expérimentateurs, les études de formalisation du processus de l’expérimentation sont devenues indispensables [GOUPY 89], [ALEXIS 95]. Elles permettent une application plus aisée et plus efficace de ces méthodes.

La démarche des plans d'expériences est le programme complet d’une expérimentation. Elle comprend la mise en place du dispositif, le déroulement des opérations et la collecte des données adéquates au traitement prévu.

J. DEMONSANT a souligné que « l’adoption de la démarche des plans d’expériences conduit à rompre avec certaines habitudes dans la façon de poser le problème, dans la façon de

construire les campagnes d’essais et dans la façon de conduire les essais » [DEMONSANT 96].

La démarche des Plans d’expériences de TAGUCHI est l’une des plus utilisées dans la recherche et l’innovation pour un bon nombre de domaines d’activité. Elle devient la

référence de la recherche expérimentale. Elle fait objet de la norme AFNOR X 06-080 et ISO 3534/3-1985 et 1998. Mais l’utilisation de la méthode TAGUCHI se limite dans le cas où le problème posé pourrait se présenter sous forme de « boîte noire » [LEGENDRE 97]. Ce qui exclue les essais de découverte dont les réponses en sortie ne sont pas identifiées auparavant, et les tests de validation de produit dans lesquels les relations entre les paramètres d’entrée et ceux de sortie sont connues.

Selon PILLET, afin d’utiliser toute la puissance de la méthode des plans d’expériences de TAGUCHI, il est important de suivre une démarche d’expérimentation rigoureuse. Il propose donc une démarche de mise en œuvre de l’expérimentation en 7 étapes (tableau 1).

N° Etapes Acteurs

1 Définition des objectifs et des moyens

Décideur & Spécialiste PE

2 Synthèse du « savoir-faire » Spécialiste PE & « Hommes de l’art » 3 Construction du plan Spécialiste PE

4 Conduite des essais Spécialiste PE & Services opérationnels

5 Dépouillement & interprétation Spécialiste PE & « Hommes de l’art » 6 Validation des résultats obtenus Spécialiste PE & services

opérationnels

7 Mise en œuvre et suivi Décideur & services opérationnels

Tableau 1. Les sept étapes de la mise en œuvre des plans d’expériences [PILLET 94].

Dans leur ouvrage « Plans d’expériences – Construction et analyse » [BENOIST 94]

BENOIST et ses associés propose la démarche des plans d’expériences en 5 étapes. C’est une démarche simplifiée de la pratique des plans d’expériences.

C’est un processus d’expérimentation qu’on utilise dans certaines grandes entreprises (Fig. 14).

Fig.14.

Initialiser Analyser

Réaliser les essais

Construire le plan d’expériences Calculer Interpréter

Conclure

La démarche expérimentale [LEGENDRE 97]

Cette démarche est issue d’une adaptation de la démarche des Plans d’Expériences ci-dessus au contexte industriel. Elle est plus interactive et itérative, très adaptée au contexte industriel. Mais là encore, nous constatons que le moyen d’expérimentation doit être identifié dès la première étape de la démarche d’expérimentation. Donc fort logiquement, les chercheurs ne peuvent commencer leur analyse quand le MES est déjà là.

Notre question est donc « est-il possible de faire une première ébauche de l’analyse

expérimentale avant de développer le MES ? ». Pour répondre à cette question, nous étudions plus en détail les différents éléments de ces démarches.

1.3 Synthèse des démarches de l’expérimentation

Nous constatons que les démarches expérimentales sont nombreuses. Mais que ce soit pour la recherche ou le développement, pour appliquer la méthode de TAGUCHI ou non, toutes ces

démarches ont des points communs. Nous proposons donc une démarche synthétisée qui récapitule tous les éléments de celles que nous venons de citer.

Une analyse comparative (tableau 2) nous a permis de diviser cette démarche en 6 phases. Elle permet une corrélation entre les différentes étapes appartenant aux démarches existantes et celles de notre proposition.

Ce tableau ne présente pas toutes les démarches existantes. Il y a d’autres démarches

d’expérimentations qui sont plus ou moins spécifiques à tel ou tel domaine d’application. Ici, notre attention n’est portée que sur les démarches pluridisciplinaires dont les démarches de PILLET, de LEGENDRE et de BADIRU sont des exemples.

Tableau 2. Comparai son des démarche s d’expéri mentation . Phase 1. Formalis ation du problème . Cette étape est décisive, elle condition ne la stratégie qui sera appliquée pour la suite. Selon GOUPY, on peut utiliser la méthode QQOQCP qui consiste à se poser les questions : Qui est concerné ? De Quoi s’agit-il ? Ou (en quel lieu) ? Quand (quel est le planning) ? Comment (quels sont les moyens nécessaires) ? Pourquoi réaliser ?

Dans cette phase, on doit identifier les points suivants :

• • Le problème : Quelle est le problème à étudier ? Quelle est la nature de

l’expérimentation à faire ? Démarche

synthétisée

PILLET LEGENDRE BADIRU

1.Formalisation du problème

Définition des objectifs et des moyens.

Initialiser. Examiner le besoin en expérimentation.

Définition des objectifs de l’expérimentation. 2. Modèle

expérimental

Synthèse du « savoir-faire ».

Analyser. Identification des variables intéressantes. Identification des catégories de données et leur classement. 3. Construction des plans d’expériences. Construction du plan. Construire le plan d’expériences. Construction de l’expérimentation. 4. Réalisation des essais. Conduite des essais. Réaliser les essais.

Réalisation des essais. 5. Dépouillement et interprétation. Dépouillement & interprétation. Calculer Interpréter.

Analyser les résultats 6. Exploitation des résultats. Validation des résultats obtenus. Mise en œuvre et suivi

Conclusion. Rédaction du rapport de l’expérimentation. Recommandation pour l’utilisation des résultats. Appropriation de

• • Les objectifs : Préciser les buts visés, les quantifier si possible, les classer dans

l’ordre de priorité.

• • Les moyens : les moyens humains (créer un groupe de travail) et matériels (définir

les moyens d’essais), le budget et le délai

• • Les limites et les contraintes : Définir le domaine de validité, l’environnement et

identifier les contraintes liées au contexte de l’étude (les techniques et les moyens disponibles, le délai et le budget dédiés etc.)

Phase 2. Construction du modèle expérimental. Dans cette phase, on définit le