Outils et méthodes

Le SMED : changer de série en moins de dix minutes

Le SMED est la méthode mise au point par l'ingénieur japonais Shigeo Shingo pour réduire le temps pendant lequel une machine est arrêtée quand on passe d'une fabrication à une autre. Son nom anglais, Single-Minute Exchange of Die, désigne un changement d'outil en un nombre de minutes à un seul chiffre, donc en moins de dix minutes. L'enjeu dépasse le temps gagné, car des changements rapides rendent possibles les petits lots.

L'arrêt au stand

Lors du Grand Prix du Qatar 2023, les mécaniciens de l'écurie McLaren ont changé les quatre roues de la voiture de Lando Norris en 1,80 seconde, ce qui constituait alors le record de la Formule 1. Un automobiliste qui crève au bord d'une route met souvent un quart d'heure pour changer une seule roue. L'opération est pourtant la même.

L'écart ne s'explique pas par la hâte des mécaniciens. Tout ce qui peut être fait avant l'arrivée de la voiture l'a été : les pneus neufs sont sortis de leurs couvertures chauffantes et posés à l'emplacement exact, les pistolets pneumatiques sont branchés et chacun est à son poste. Chaque roue tient par un seul écrou central au lieu de quatre ou cinq. Une vingtaine de personnes travaillent en même temps, chacune sur un geste. Des repères peints au sol placent la voiture au bon endroit, et rien n'a besoin d'être réglé une fois les roues posées.

Préparer avant l'arrêt, simplifier les fixations, travailler en parallèle et supprimer les réglages : ces quatre idées sont celles d'une méthode industrielle mise au point au Japon entre 1950 et 1969, le SMED.

Le changement de série et le problème des grands lots

Dans une usine, une même machine fabrique en général plusieurs produits. Pour passer de l'un à l'autre, il faut l'arrêter, démonter un outillage, monter le suivant et régler. On appelle temps de changement de série la durée qui sépare la dernière pièce bonne de l'ancienne fabrication de la première pièce bonne de la nouvelle. Les essais et les pièces de réglage jetées en font donc partie.

Quand ce temps est long, la réaction naturelle est de changer le moins souvent possible. Si un changement immobilise une presse pendant quatre heures, on fabrique d'un coup plusieurs semaines de chaque pièce pour « amortir » l'arrêt. Les manuels de gestion ont donné une forme mathématique à ce raisonnement avec la formule du lot économique, qui cherche la taille de lot pour laquelle le coût des changements et le coût du stock, additionnés, sont les plus faibles. Shingo fait remarquer que ce calcul tient le temps de changement pour une donnée. Si ce temps tombe de quatre heures à quelques minutes, le lot économique devient très petit.

Les grands lots ont un prix que le système de production Toyota (TPS) refuse de payer : des stocks, des délais longs et des défauts découverts des semaines après leur fabrication. Le juste-à-temps, qui consiste à produire seulement ce qu'il faut au moment où il le faut, suppose de fabriquer chaque jour un peu de chaque produit, donc de changer souvent.

Trois épisodes dans le récit de Shingo

Shigeo Shingo (1909-1990) était un ingénieur-conseil indépendant, qui a notamment formé pendant des années les ingénieurs de Toyota aux méthodes d'organisation industrielle. Dans A Revolution in Manufacturing: The SMED System (1983, traduit en 1985), il raconte la naissance de la méthode en trois épisodes.

Le premier se passe en 1950 chez Toyo Kogyo, le constructeur des automobiles Mazda, à Hiroshima. Chargé d'améliorer le rendement de grosses presses, il observe un changement d'outil sur une presse de 800 tonnes et voit un ouvrier perdre plus d'une heure à cause d'un boulon de fixation manquant. Il en tire une distinction entre deux sortes d'opérations. Les opérations internes ne peuvent se faire que machine arrêtée, comme le démontage de l'outil. Les opérations externes peuvent se faire pendant que la machine produit encore, comme la préparation et la vérification des boulons.

Le deuxième épisode a lieu en 1957 au chantier naval de Mitsubishi Heavy Industries, toujours à Hiroshima. Une grande raboteuse usine des bâtis de moteurs diesel, et le centrage de chaque bâti se fait sur la table de la machine, qui ne produit rien pendant ce temps. Shingo fait installer une seconde table, sur laquelle on prépare le bâti suivant pendant que la machine travaille. Il ne reste plus, à l'arrêt, qu'à échanger les tables. Il rapporte un gain de productivité de 40 %.

Le troisième épisode se déroule en 1969 à l'usine principale de Toyota. Le changement d'outil d'une presse de 1 000 tonnes y prend quatre heures. Après six mois de travail, Shingo et l'équipe le ramènent à une heure et demie. La direction demande alors trois minutes. Shingo raconte qu'il a repensé à la seconde table de Mitsubishi et entrepris de transformer systématiquement des opérations internes en opérations externes. L'objectif est atteint en trois mois, et il donne à la méthode le nom de SMED.

Ce récit doit être complété. Taiichi Ohno, qui a bâti le TPS, écrit dans son propre livre que les changements d'outil de presse prenaient deux à trois heures chez Toyota dans les années 1940, qu'ils sont passés sous l'heure puis jusqu'à un quart d'heure dans les années 1950, et qu'ils étaient ramenés à trois minutes à la fin des années 1960. L'entreprise travaillait donc le sujet bien avant 1969. La part qui revient à Shingo et celle qui revient aux équipes de Toyota restent discutées. Son apport le moins contesté est d'avoir formalisé la méthode et de l'avoir fait connaître hors du Japon.

La méthode : séparer, convertir, simplifier

Shingo décrit un état de départ et trois étapes. Dans l'état de départ, les opérations internes et externes sont mêlées : la machine est arrêtée pendant que l'on va chercher l'outil, que l'on attend le pont roulant ou que l'on cherche une clé.

• Séparer l'interne de l'externe. On observe ou l'on filme un changement réel, on liste toutes les opérations avec leur durée et on les trie. Tout ce qui peut se faire avant l'arrêt ou après le redémarrage sort du temps d'arrêt : amener l'outil suivant, le vérifier, préparer la visserie et les instruments, ranger l'ancien outil. Shingo estime que cette seule étape réduit couramment l'arrêt de 30 à 50 %, presque sans dépense.
• Convertir de l'interne en externe. On cherche à faire avant l'arrêt ce qui semblait exiger la machine : préchauffer un moule, prémonter l'outil sur un support intermédiaire comme la seconde table de 1957, ou donner à tous les outils la même hauteur et les mêmes points de fixation pour que la machine n'ait pas à être réglée de nouveau.
• Simplifier toutes les opérations. On remplace les boulons par des fixations rapides, car Shingo observe qu'un boulon ne serre qu'au dernier tour et que tous les tours précédents sont perdus. On fait travailler deux personnes en parallèle de part et d'autre d'une grosse machine. On supprime les réglages par des butées, des cales et des repères qui donnent la bonne position du premier coup. La mécanisation vient en dernier.

D'après la répartition typique que donne Shingo pour un changement traditionnel, la préparation et les vérifications occupent environ 30 % du temps, le montage et le démontage 5 %, les centrages et les mesures 15 %, et les essais et réglages 50 %. Le montage et le démontage, auxquels on pense en premier, sont donc la plus petite part, et la moitié du temps se passe à régler.

Ce que l'on fait du temps gagné

Le SMED vaut par l'usage que l'on fait des minutes gagnées. On peut les employer à produire davantage avec les mêmes lots. Le choix de Toyota est de les employer à changer plus souvent, pour fabriquer des lots plus petits.

Supposons que la presse de l'exemple fabrique quatre références, à raison de 500 pièces par jour chacune, avec un temps de cycle de 24 secondes par pièce. L'usine travaille en deux équipes, soit 16 heures ou 960 minutes par jour. La production des 2 000 pièces occupe 2 000 × 24 = 48 000 secondes, soit 800 minutes. Il reste 160 minutes par jour pour les changements.

Avec un changement de 80 minutes, on peut en faire deux par jour. Il faut donc deux jours pour passer sur les quatre références, et chaque lot couvre deux jours de demande, soit 1 000 pièces. Avec un changement de 17 minutes, on peut en faire huit par jour (8 × 17 = 136 minutes), soit deux tours complets des quatre références. Chaque lot ne couvre plus qu'une demi-journée, soit 250 pièces. Le stock moyen de chaque référence, qui vaut à peu près la moitié d'un lot, passe de 500 à 125 pièces, et un défaut de moulage est découvert dans la demi-journée au lieu d'attendre deux jours. C'est ce que demande le lissage de la production (heijunka), où l'on fabrique chaque jour un peu de chaque produit.

Hors de l'usine

La méthode s'applique à toute ressource qui doit passer d'un usage à un autre : un bloc opératoire entre deux interventions, un avion entre deux vols ou une salle de classe entre deux cours.

L'image de la Formule 1 a servi à l'hôpital pour une opération voisine. Au milieu des années 2000, l'équipe de chirurgie cardiaque pédiatrique du Great Ormond Street Hospital, à Londres, a fait observer par des techniciens de Formule 1 et par des pilotes de ligne le transfert des enfants opérés vers la réanimation, puis elle a réécrit son protocole en répartissant les rôles et en fixant l'ordre des gestes. L'étude publiée en 2007 par Ken Catchpole et ses collègues rapporte moins d'erreurs techniques et moins d'oublis d'information après le changement. Il s'agit d'une comparaison avant-après dans un seul service.

Limites et pièges

Le premier piège est d'employer le temps gagné à produire plus sans réduire les lots. La machine tourne davantage, les stocks ne baissent pas et l'on aggrave la surproduction, qu'Ohno tenait pour le pire des gaspillages.

Le deuxième est de confondre rapidité et précipitation. Le SMED retire des opérations du temps d'arrêt et supprime des réglages, sans demander à personne de courir. Un temps obtenu en pressant les régleurs se paie en accidents et en pièces défectueuses, et il ne se maintient pas. Un changement réduit doit lui-même faire l'objet d'un mode opératoire écrit avec les régleurs, faute de quoi les durées remontent en quelques mois.

La méthode a aussi un rendement décroissant. Les premières réductions viennent de l'organisation et coûtent peu, alors que les dernières minutes demandent des investissements, que Shingo plaçait lui-même en dernier. Il n'est pas utile de les engager partout : un changement rapide n'a d'intérêt que sur une machine dont le temps de changement impose la taille des lots ou limite la capacité. Certains changements comportent en outre une part difficile à réduire, comme le nettoyage sanitaire entre deux produits dans l'agroalimentaire ou la pharmacie.

Les chiffres spectaculaires cités par Shingo sont enfin ceux qu'il rapporte lui-même, à propos d'entreprises qu'il a conseillées. Le principe se vérifie facilement sur un cas précis, avec un chronomètre. Son effet sur les résultats d'ensemble d'une entreprise dépend du reste du système, et l'article critique du corpus rappelle ce que l'on sait des démarches qui se limitent à un outil.