Externalisation de la conception technique aux États-Unis : comment les entreprises abordent le prototypage et la conception mécanique

Aux États-Unis, l'externalisation de la conception technique se décline généralement en cinq grandes catégories : les cabinets de conseil en conception proposant une offre complète, les spécialistes axés sur l'ingénierie, les partenaires « de la conception à la fabrication », les sociétés internationales de services d'ingénierie et les partenaires hybrides (aux États-Unis et à l'étranger). Sur le papier, la plupart d'entre eux proposent des services de CAO, de simulation et de prototypage. Dans la pratique, ils se distinguent sur deux points : la manière dont ils utilisent les prototypes et l’identité de celui qui prend les décisions en matière de conception mécanique. Ces deux éléments influencent davantage vos coûts, votre calendrier et les retouches que le tarif horaire.

Ce guide explique comment chaque approche de l'externalisation de la conception technique gère le prototypage et la conception mécanique, dans quels cas chacune d'entre elles est la plus adaptée, et quelles questions poser avant de signer un contrat. Si vous souhaitez consulter les profils de différentes entreprises, le guide de Monarch Innovation consacré aux principales sociétés américaines de développement de produits proposant des services complets d'ingénierie mécanique les présente une à une. Cet article se concentre quant à lui sur leur mode de fonctionnement.

01Qu'est-ce que l'externalisation de la conception technique aux États-Unis ?

Aux États-Unis, l'externalisation de la conception technique consiste à faire appel à un partenaire technique externe pour prendre en charge tout ou partie du développement d'un produit, notamment la CAO mécanique, la simulation, le prototypage, les essais et la conception en vue de la fabrication. Les entreprises ont recours à l'externalisation pour accéder à des compétences techniques spécialisées, augmenter leurs capacités et réduire leurs besoins en ressources internes permanentes.

02Quelles sont les principales options en matière d'externalisation de la conception technique aux États-Unis ?

Les entreprises américaines qui externalisent la conception technique ont généralement recours à l'un des cinq grands modèles existants. Chaque modèle propose une approche différente quant à la question de savoir qui doit être responsable du produit. Le choix du modèle d'externalisation le plus adapté dépend principalement du stade de développement de votre produit, des risques techniques, des exigences de fabrication et de la part du programme d'ingénierie que vous souhaitez confier à votre partenaire.

• Les cabinets de conseil en design proposant une offre complète, tels que Delve et Priority Designs, regroupent la recherche, le design et l'ingénierie au sein d'une même équipe.
• Les spécialistes axés sur l'ingénierie, tels que 219 Design et StudioRed, mettent l'accent sur l'expertise technique et s'intègrent souvent au processus du client.
• Les partenaires « de la conception à la fabrication », tels que Paramit, conçoivent le produit et le fabriquent dans leurs propres installations.
• Les sociétés internationales de services d'ingénierie, telles que Quest Global, apportent aux grandes entreprises des capacités d'ingénierie à long terme.
• Les partenaires hybrides, à la fois basés aux États-Unis et à l'étranger, tels que Monarch Innovation, associent un interlocuteur américain à une équipe d'ingénieurs plus importante basée à l'étranger.

03Pourquoi le prototypage et la conception mécanique sont les domaines où les entreprises se distinguent vraiment les unes des autres

Deux entreprises peuvent proposer les mêmes services tout en gérant votre projet de manière totalement différente. L'une peut réaliser dix maquettes sommaires au cours du premier mois afin de tester les réactions des utilisateurs. L'autre peut consacrer ce mois à des simulations et à des analyses de tolérance, puis fabriquer un seul prototype destiné à la production.

Aucune de ces deux approches n'est erronée. Cependant, chacune d'entre elles convient à un type de risque différent. Si votre principale incertitude est de savoir si les utilisateurs voudront ou comprendront le produit, les maquettes physiques réalisées dès le début vous apporteront la réponse la plus rapide. Si votre principale incertitude est de savoir si un mécanisme résistera à 50 000 cycles ou si un boîtier respectera les limites thermiques, l'analyse et les prototypes fonctionnels ciblés vous apporteront une meilleure réponse.

Cette même distinction se retrouve dans la conception mécanique. Certaines entreprises partent de la forme et conçoivent les composants internes en fonction de celle-ci. D’autres partent de la fonction et des contraintes de fabrication, puis peaufinent l’aspect esthétique. Savoir quelle approche une entreprise privilégie vous permet de savoir où elle consacrera votre budget.

04Les étapes de prototypage par lesquelles passe tout programme externalisé

La plupart des produits physiques suivent une séquence de fabrication similaire, même si les entreprises donnent des noms différents à ces étapes :

1. Maquettes conceptuelles : maquettes rapides et sommaires permettant de tester les dimensions, la forme et les idées de base.
2. Prototypes « à l'aspect » et « au fonctionnement » : deux modèles distincts, l'un consacré à l'apparence et à l'ergonomie, l'autre au fonctionnement.
3. Test de validation technique (EVT) : conception et matériaux destinés à la production, réalisés dans le but de vérifier le bon fonctionnement de l'ensemble des fonctionnalités.
4. Essai de validation de conception (DVT) : pièces fabriquées à l'aide d'outils de production réels ou quasi réels. Elles sont testées pour vérifier leur fiabilité, leur aspect et leur conformité aux exigences auxquelles le produit doit satisfaire.
5. Test de validation de production (PVT) : un essai pilote sur la chaîne de production visant à vérifier le rendement et la reproductibilité.

Le guide Formlabs consacré aux processus de fabrication POC, EVT, DVT et PVT présente chaque étape de manière plus détaillée. Pour les acheteurs, la question essentielle est de savoir quelles étapes l’entreprise prendra en charge elle-même et lesquelles elle confiera à vous ou à votre fabricant.

05Comment les entreprises abordent le prototypage

Chaque modèle d'externalisation situe ses efforts de prototypage à une étape différente de cette séquence. Voici en quoi ces cinq approches diffèrent généralement les unes des autres.

Cabinet de conseil proposant une offre complète : le prototype comme outil d'apprentissage

Les cabinets de conseil proposant une offre complète utilisent les premiers prototypes comme outil de recherche. Des maquettes rudimentaires en mousse, imprimées en 3D ou en carton aident l'équipe à tester la prise en main, les dimensions, la facilité d'utilisation et les réactions des utilisateurs avant de se lancer dans la conception technique détaillée. Priority Designs, par exemple, regroupe le prototypage dans le même bâtiment que ses concepteurs et ingénieurs, ce qui réduit le délai entre une esquisse et la pièce finale sur l'établi.

L'atout réside dans l'apprentissage précoce. En contrepartie, la fabrication en série est généralement confiée à un partenaire distinct, ce qui peut retarder la transmission des retours d'expérience liés à la production. Demandez comment les commentaires du fabricant sont pris en compte dans la conception avant le gel de celle-ci.

Spécialistes axés sur l'ingénierie : un prototype pour valider le fonctionnement

Les spécialistes issus de l'ingénierie axent leurs prototypes sur les risques techniques. Cela concerne notamment les mécanismes, la chaleur, les tolérances et l'adaptation du boîtier aux composants électroniques. Les maquettes fonctionnelles précèdent souvent les modèles esthétiquement soignés. Des entreprises telles que 219 Design s'intègrent également au processus de votre équipe plutôt que de prendre en charge l'ensemble du projet.

Cette approche convient aux équipes qui ont déjà défini la vision du produit. Attendez-vous à recevoir moins d'aide en matière d'études utilisateurs et d'image de marque. Si la fabrication du produit est confiée à un sous-traitant, convenez dès le début du contenu du dossier de transfert.

Partenaires de la conception à la fabrication : le prototype en route vers la production

Un partenaire « de la conception à la fabrication » réalise des prototypes et des unités pilotes en utilisant des procédés et des systèmes qualité similaires à ceux mis en œuvre en production. Paramit, qui conçoit et fabrique des dispositifs médicaux et des instruments destinés aux sciences de la vie dans des usines certifiées ISO 13485, illustre bien ce modèle. La conception et la production étant assurées par une seule et même entreprise, les imprévus sont moins nombreux lors du transfert de conception.

Le compromis réside dans la flexibilité. La conception est adaptée aux capacités de fabrication d'une seule entreprise ; assurez-vous donc de disposer de l'intégralité des fichiers de conception et de pouvoir faire fabriquer le produit ailleurs si nécessaire.

Entreprises internationales de services d'ingénierie : simuler d'abord, puis réaliser un prototype pour valider

Les cabinets internationaux de services d'ingénierie se concentrent sur l'analyse, la simulation, l'ingénierie des coûts et les activités de maintenance. Dans le cadre de ces programmes, ce sont souvent les laboratoires du client ou ses fournisseurs qui fabriquent les pièces physiques. Le cabinet fournit quant à lui l'ingénierie qui sous-tend ces pièces. Ce modèle convient aux produits arrivés à maturité, aux variantes et aux programmes de longue durée. Il est en revanche moins adapté aux travaux de conception rapides et pratiques.

Partenaires hybrides américains et offshore : conception détaillée en mer, constructions ciblées

Un partenaire hybride se charge de répartir le travail. Une équipe offshore réalise les modélisations CAO détaillées, les simulations et les plans. Un interlocuteur basé aux États-Unis gère les spécifications, les revues et la coordination. Monarch Innovation dispose d’un bureau à Fremont, en Californie, et de son centre d’ingénierie principal à Ahmedabad, en Inde. L’entreprise adopte une approche axée sur la simulation, en utilisant l’analyse par éléments finis (FEA) et la dynamique des fluides computationnelle (CFD) pour tester les choix de conception avant la fabrication des pièces. Ses services de R&D et de prototypage couvrent les prototypes imprimés en 3D et usinés par CNC, les maquettes fonctionnelles et les bancs d’essai.

Le compromis réside dans la distance qui vous sépare de vos testeurs. Mettez-vous d'accord dès le départ sur le lieu de fabrication des prototypes, la manière dont les pièces parviennent aux personnes chargées de les tester, les personnes qui participent aux séances de test et la manière dont les résultats sont consignés.

06Comment les entreprises abordent la conception mécanique

Le prototypage est la partie visible du travail. Ce sont les choix de conception mécanique qui sous-tendent ce processus qui déterminent si ces prototypes aboutiront à une pièce qu’une usine pourra fabriquer au coût que vous visez.

Lorsque les données d'entrée DFM sont reçues

C'est dans le domaine de la conception pour la fabrication et l'assemblage (DFM/DFA) que les entreprises se distinguent le plus discrètement. Un partenaire de conception-fabrication applique le DFM dès le début, car c'est lui qui fabriquera le produit. Un cabinet de conseil ou un spécialiste en ingénierie peut certes bien maîtriser le DFM, mais il a tout de même besoin de l’avis de votre futur fabricant ou outilleur. Si cet avis n’arrive qu’après la validation définitive de la conception, attendez-vous à des modifications de dernière minute concernant l’épaisseur des parois, les angles de dépouille, les éléments de fixation et le nombre de pièces. Des retards dans la fabrication des outils s’ensuivent généralement.

Dans quelle mesure la simulation remplace-t-elle les essais physiques ?

Les entreprises diffèrent également dans la mesure où elles s'appuient sur la simulation. L'analyse par éléments finis (FEA) des structures, l'analyse thermique et fluidique par CFD, ainsi que les cumuls de tolérances permettent d'écarter les conceptions défaillantes avant d'investir dans la fabrication des pièces. La simulation ne remplace pas les essais physiques, notamment les essais de chute, de fatigue, d'étanchéité et les essais réglementaires. Elle permet toutefois de réduire le nombre de cycles de prototypage nécessaires pour détecter des problèmes que l'analyse aurait pu mettre en évidence.

À qui appartiennent les fichiers CAO et la documentation technique ?

Enfin, les entreprises gèrent les dossiers de conception de manière différente. Certaines fournissent des fichiers CAO natifs, des plans, des nomenclatures et des rapports d’essais à chaque étape clé du projet. D’autres ne les fournissent qu’à la fin. Pour les produits soumis à une réglementation, demandez si l’entreprise est en mesure de fournir la documentation relative à l’historique de la conception. Assurez-vous également que les fichiers d’ingénierie de conception mécanique que vous recevez s’ouvrent et restent modifiables dans votre propre environnement CAO et PDM.

07Comparaison des différentes approches d'externalisation de la conception technique

08Comment choisir la bonne approche pour votre produit

Commencez par votre risque le plus important, et non par le portefeuille d'une société. Quelques critères permettent d'affiner votre choix :

• Si les utilisateurs n'ont pas encore vu le produit, un prototypage précoce et rapide réalisé par un cabinet de conseil permet de répondre en priorité aux questions les plus importantes.
• Si le risque réside dans le mécanisme, le système thermique ou l'électronique, il est préférable de faire appel à un spécialiste en ingénierie ou à un partenaire privilégiant la simulation.
• Si le produit est soumis à une réglementation et que vous souhaitez qu'un seul partenaire en assume la responsabilité, une entreprise assurant l'ensemble du processus, de la conception à la fabrication, permet de réduire les changements de relais.
• Si le produit est déjà défini et que vous avez besoin d'une conception détaillée ou d'une capacité de travail continue, faire appel à un bureau d'études hybride ou international revient généralement moins cher à chaque étape.
• Si la conception relève des contrôles à l'exportation américains, tels que l'ITAR ou l'EAR, vérifiez quelles données techniques peuvent être communiquées à des ingénieurs étrangers avant d'envisager une sous-traitance à l'étranger.

De nombreuses entreprises américaines combinent plusieurs modèles. Un studio local se charge de la conception et du design, puis un partenaire hybride prend le relais pour l'ingénierie détaillée, la conception pour la fabrication (DFM) et les tâches de maintenance. Le guide consacré au renforcement des effectifs, aux équipes dédiées et à l'externalisation de projets présente les avantages et les inconvénients de ces différents types de collaboration.

09Questions à poser concernant le prototypage et la conception avant de signer

Posez ces questions à chaque cabinet présélectionné, puis comparez les réponses côte à côte :

1. Sur combien de cycles de prototypage votre estimation se base-t-elle, et quels sont les éléments testés à chaque cycle ?
2. Qui fabrique les prototypes, et où sont-ils fabriqués ?
3. Quelles analyses (FEA, CFD, cumul des tolérances) effectuez-vous avant chaque fabrication ?
4. À quel moment notre fabricant ou notre outilleur examine-t-il la conception, et qui donne suite aux remarques formulées ?
5. Que recevons-nous à chaque étape clé : fichiers CAO natifs, plans, nomenclatures, rapports d'essais ?
6. Comment les modifications apportées à la conception entre les différentes phases de prototypage sont-elles suivies et validées ?
7. À qui appartiennent les outils de prototypage, les montages et les bancs d'essai à la fin du projet ?

Les cycles de prototypage constituent l'un des principaux facteurs pesant sur le budget total. La ventilation des éléments qui déterminent le coût de l'externalisation de l'ingénierie produit permet de mieux comparer les tarifs pratiqués par différentes entreprises pour ces cycles.

10Erreurs courantes lors de l'externalisation de la conception technique

L’erreur la plus courante consiste à choisir une entreprise pour son portfolio plutôt que pour son processus. Des rendus impressionnants ne révèlent pas grand-chose sur la manière dont une entreprise gère les problèmes de tolérance ou un test de chute échoué. Une autre erreur consiste à prévoir un budget pour un seul cycle de prototypage, alors que les tests révèlent presque toujours des problèmes nécessitant un cycle supplémentaire. Une troisième erreur consiste à faire intervenir le fabricant après le gel de la conception, ce qui transforme les retours sur la fabricabilité (DFM) en retouches d’outillage. Enfin, de nombreuses équipes négligent de se demander qui fabrique les prototypes et où, puis découvrent des retards d’expédition et de validation à mi-parcours du programme.

11Choisir un partenaire de conception technique en fonction de son approche en matière de prototypage

La bonne approche en matière d'externalisation de la conception technique est celle dont le processus de prototypage et de conception mécanique correspond au risque le plus important lié à votre produit. Déterminez si vous avez besoin d'en savoir plus sur les utilisateurs, de valider un mécanisme, de finaliser la fabrication dès le début ou de renforcer vos capacités de conception détaillée. Sélectionnez ensuite deux ou trois entreprises de ce type et évaluez-les à l'aide des questions ci-dessus.

Monarch Innovation suit le modèle hybride américain et offshore décrit ci-dessus. Grâce à ses services d’ingénierie produit, elle propose des prestations de conception mécanique axées sur la simulation, de prototypage, d’essais et d’optimisation de la fabrication (DFM), avec un bureau aux États-Unis situé à Fremont, en Californie, et son centre d’ingénierie principal à Ahmedabad, en Inde. Pour les produits passant du stade de concept à celui de conception détaillée, l’équipe peut prendre en charge l’analyse des exigences, le développement CAO, la simulation, la planification des prototypes et l’optimisation de la fabrication (DFM) axée sur la production.