Durée de vie des produits : fiabilité et réparabilité
Faire durer les produits plus longtemps constitue l’un des leviers de l’économie circulaire et de l’éco-conception. Mais lorsqu’on cherche à concevoir un produit plus durable, une question apparaît rapidement : sur quoi faut-il réellement agir ?
La robustesse des composants ? Leur fiabilité ? La possibilité de les réparer ? Leur maintenance ?
En réalité, faire durer un produit ne consiste pas simplement à sélectionner des composants annoncés pour fonctionner pendant un grand nombre d’heures. Sa durée de vie dépend de la manière dont il est utilisé, de son environnement, du vieillissement de ses composants, mais aussi de la possibilité de les entretenir, de les réparer ou de les remplacer.
Pour une équipe R&D, comprendre ces mécanismes permet surtout d’identifier ce qui limite réellement la durée de vie du produit et les choix de conception susceptibles de la prolonger.
Allonger la durée de vie : un levier d’éco-conception et d’économie circulaire
L’allongement de la durée de vie peut permettre de retarder le remplacement d’un produit et donc la fabrication d’un nouvel équipement, avec les consommations de matières premières, d’énergie et les impacts environnementaux associés.
C'est pour cette raison que la durée de vie, la fiabilité et la réparabilité occupent une place croissante dans les démarches d’éco-conception et d'économie circulaire.
La logique ne consiste cependant pas simplement à affirmer qu’il faut « faire durer plus longtemps ».
Pour agir efficacement en conception, encore faut-il pouvoir répondre à plusieurs questions :
Qu’est-ce qui provoquera réellement la fin de vie du produit ?
Quel composant risque de devenir limitant ?
Peut-il être remplacé ?
Dans quelles conditions le produit sera-t-il utilisé ?
Quels phénomènes vont accélérer son vieillissement ?
Sur quels paramètres les équipes de conception peuvent-elles agir ?
C’est seulement à partir de cette analyse que l’allongement de la durée de vie devient un levier concret d’éco-conception.
Qu’est-ce qui détermine réellement la durée de vie d’un produit ?
Avant même de calculer une durée de vie, il faut déterminer ce que l’on considère comme la fin de vie du produit.
Un produit peut devenir inutilisable parce qu’un composant tombe brutalement en panne. Mais la situation peut également être beaucoup plus progressive.
Il peut s’agir d’une baisse de puissance, d’une perte de précision, d’une dérive d’un capteur, d’une diminution du flux lumineux, d’une autonomie devenue insuffisante ou encore d'une dégradation des performances ne permettant plus d’assurer correctement la fonction attendue.
La fin de vie peut aussi intervenir alors que la panne serait techniquement réparable, mais que le composant concerné est inaccessible, indisponible ou économiquement impossible à remplacer.
La durée de vie n’est donc pas une caractéristique intrinsèque et unique du produit.
Elle dépend notamment :
de sa conception ;
des conditions dans lesquelles il est utilisé ;
des mécanismes de vieillissement de ses composants ;
de sa maintenance ;
de sa réparabilité.
Il faut donc commencer par définir un état limite : à partir de quel moment considère-t-on que le produit ne remplit plus correctement la fonction pour laquelle il a été conçu ?
L’usage du produit change complètement l’estimation
Un composant capable de fonctionner pendant 20 000 heures ne correspond pas à la même durée en années s’il est utilisé deux heures par jour ou vingt heures par jour.
Pour évaluer correctement une durée de vie, il faut donc décrire un profil d’usage de référence, parfois appelé mission profile en ingénierie de la fiabilité.
Celui-ci peut préciser :
le nombre d’heures de fonctionnement par jour ;
le nombre de jours d’utilisation par an ;
les périodes d’arrêt ou de veille ;
le nombre de démarrages ou de cycles ;
les températures et niveaux d’humidité rencontrés ;
les vibrations, chocs ou autres sollicitations mécaniques ;
les opérations de maintenance prévues.
Ces paramètres ne sont pas accessoires : ils peuvent modifier profondément les mécanismes de vieillissement.
Parler de durée de vie sans préciser les conditions d’utilisation revient donc à donner un chiffre auquel il manque une partie essentielle de l’information.
Fiabilité, réparabilité et durée de vie : quelles différences ?
Ces trois notions sont liées mais ne désignent pas la même chose.
1- La fiabilité caractérise la capacité d’un équipement à assurer sa fonction sans défaillance pendant une période donnée et dans des conditions définies.
2- La réparabilité décrit davantage la capacité à remettre le produit en état lorsqu’une défaillance survient.
3- La durée de vie du produit dépend des deux, mais également de nombreux autres paramètres liés à son vieillissement et à son usage.
Cette distinction est essentielle.
Prenons un ventilateur conçu pour fonctionner pendant 30 000 heures.
S’il est facilement accessible et remplaçable pour un coût acceptable, sa défaillance ne signifie pas nécessairement la fin de vie du produit : elle entraîne une opération de maintenance.
À l’inverse, si un composant critique est soudé, inaccessible ou impossible à remplacer, sa défaillance peut provoquer la mise au rebut de l’ensemble de l’équipement.
Le composant ayant la durée de vie la plus courte n’est donc pas automatiquement celui qui détermine la durée de vie du produit.
Quels composants limitent réellement la durée de vie du produit ?
L’analyse passe généralement par une décomposition du produit en sous-ensembles susceptibles de devenir limitants.
Selon le produit, on peut retrouver :
alimentation, condensateurs, cartes ou batteries pour l’électronique ;
moteurs, roulements, charnières, pompes ou ventilateurs pour la mécanique ;
LED, sources lumineuses, détecteurs ou filtres pour l’optique ;
joints, connecteurs, câbles et différents éléments d’usure.
Il faut ensuite étudier leur vieillissement, leur criticité et surtout les conséquences de leur défaillance. Un composant peut avoir une durée relativement faible sans limiter celle du produit s’il est prévu pour être entretenu ou remplacé. À l’inverse, un composant apparemment secondaire peut devenir déterminant s’il n’est pas accessible.
Cette analyse permet déjà de faire émerger des questions de conception très concrètes : faut-il augmenter la robustesse d’un composant ou plutôt faciliter son remplacement ?
Comment savoir combien de temps un produit peut durer ?
Plusieurs types de données peuvent être mobilisés :
données et fiches techniques fournisseurs ;
essais internes ;
essais de vieillissement ;
essais accélérés ;
retours d’expérience terrain ;
bases de données de fiabilité ;
modélisation physique des mécanismes de vieillissement.
Mais ces informations ne doivent pas être interprétées de la même manière.
Pourquoi le MTBF n’est-il pas une durée de vie ?
Le MTBF — Mean Time Between Failures — est régulièrement utilisé à tort comme une durée de vie. Un composant présentant un MTBF de 100 000 heures n’est pas nécessairement censé fonctionner pendant 100 000 heures avant sa première panne.
Le MTBF est un indicateur de fiabilité qui permet notamment de caractériser une fréquence de défaillance dans certaines conditions.
Pour estimer une durée de vie, il faut également s’intéresser aux phénomènes d’usure et de vieillissement, dont le comportement peut évoluer au cours du temps.
Peut-on évaluer 15 ans de durée de vie sans attendre 15 ans ?
C'est l’un des principaux rôles des essais accélérés. Supposons qu’un composant possède une durée d’endurance de 20 000 heures et qu’il soit utilisé :
6 heures par jour × 220 jours par an = 1 320 heures par an.
Une première conversion donnerait :
20 000 / 1 320 ≈ 15 ans.
Mais ce calcul n’est pertinent que si le vieillissement du composant dépend principalement de son temps de fonctionnement.
Or, tous les composants ne vieillissent pas selon la même « horloge ». Une batterie, un roulement et un condensateur peuvent respectivement être particulièrement sensibles au nombre de cycles, aux contraintes mécaniques, à la température ou au simple vieillissement calendaire.
Les essais accélérés consistent donc à augmenter une contrainte connue afin d’accélérer un mécanisme de vieillissement, puis à utiliser un modèle adapté pour extrapoler le comportement attendu dans les conditions normales d’utilisation.
Le modèle d’Arrhenius peut par exemple être utilisé pour certains phénomènes thermiquement activés. Mais augmenter arbitrairement la température d’un produit ne revient pas automatiquement à simuler quinze années d’utilisation en quelques semaines.
L’essai doit reproduire ou accélérer le mécanisme physique réellement responsable du vieillissement étudié.
Comment passer de la durée de vie des composants à celle du produit ?
Imaginons un équipement comprenant :
une source lumineuse estimée à 15 ans ;
un système mécanique à 18 ans ;
une alimentation à 12 ans ;
un ventilateur remplaçable à 7 ans.
Il serait trop simpliste de conclure que le produit durera sept ans. Le ventilateur pourra probablement être remplacé au cours de la vie du produit. En revanche, l’alimentation peut devenir le véritable élément limitant si sa défaillance intervient autour de douze ans et qu’elle n’est pas remplaçable. L’approche par composant limitant constitue une première méthode utile en conception. Pour les produits complexes ou lorsque davantage de données sont disponibles, elle peut être complétée par des modèles de fiabilité plus avancés.
La durée obtenue doit cependant rester présentée comme une estimation associée à des hypothèses, et non comme une certitude.
Il est ainsi plus informatif d’écrire :
« Dans le profil d’usage considéré, l’analyse conduit à une durée de vie technique estimée autour de 15 ans et le sous-ensemble actuellement limitant est X »
que : « Ce produit a une durée de vie de 15 ans. »
Quels leviers activer dès la conception pour prolonger la durée de vie ?
C'est probablement ici que l’analyse devient la plus intéressante pour les équipes R&D.
Une fois le ou les facteurs limitants identifiés, plusieurs pistes peuvent apparaître :
rendre un composant critique remplaçable ;
faciliter son accès et son démontage ;
diminuer sa température de fonctionnement ;
limiter certaines sollicitations mécaniques ;
revoir son dimensionnement ;
modifier le choix d’un composant ;
prévoir davantage de maintenance ;
améliorer la disponibilité des pièces ;
concevoir certains sous-ensembles de manière plus modulaire.
L’objectif n’est donc pas simplement de connaître la durée de vie du produit.
Il s’agit de comprendre ce qui l’empêche de durer davantage.
Dans le cadre d’un projet de R&D que Gingko 21 a mené avec un acteur industriel de la robotique, deux solutions de conception ont été comparées : l’une présentait une durée de vie estimée environ deux fois plus longue que l’autre. Plutôt que de considérer cette différence comme une donnée figée, l’équipe s’est alors posé une question de conception : quels paramètres permettraient de prolonger la durée de vie de la solution la moins durable ?
Allonger la durée de vie est-il toujours préférable pour l’environnement ?
Pas nécessairement.
L’éco-conception s’intéresse à l’ensemble du cycle de vie. Allonger la durée d’utilisation permet souvent d’éviter la fabrication prématurée d’un produit de remplacement, mais ce bénéfice doit être replacé dans le contexte du produit étudié.
Pour certains équipements dont la phase d’utilisation représente une part importante des impacts, il peut être nécessaire de comparer plusieurs scénarios. Une Analyse du Cycle de Vie (ACV) permet alors d’évaluer les conséquences environnementales d’un allongement de la durée d’usage ou, au contraire, d’un remplacement par une technologie plus performante.
La question n’est donc pas uniquement :
« Combien de temps notre produit va-t-il durer ? »
Elle devient : « Qu’est-ce qui limite aujourd’hui sa durée de vie et sur quels paramètres de conception pouvons-nous agir pour la prolonger de manière réellement pertinente ? »
Chez Gingko 21, ces questions peuvent être intégrées à une démarche globale d’éco-conception afin d’identifier, évaluer et prioriser les leviers d’amélioration dès le développement des produits.
FAQ
Quelle différence entre durée de vie et fiabilité d’un produit ?
La fiabilité caractérise la capacité d’un produit ou composant à fonctionner sans défaillance dans des conditions définies. La durée de vie correspond au temps pendant lequel le produit reste capable d’assurer la fonction attendue, en tenant également compte du vieillissement, de l’usage, de la maintenance et de la réparabilité.
Un produit réparable est-il forcément plus durable ?
Non. La réparabilité facilite la prolongation de l’usage lorsqu’une panne survient, mais un produit peut être très réparable et connaître de nombreuses défaillances. Fiabilité et réparabilité sont donc deux leviers complémentaires.
Comment augmenter la durée de vie d’un produit ?
Il faut d’abord identifier ce qui la limite : composant critique, usure, température, nombre de cycles, environnement, impossibilité de réparation, etc. Les leviers de conception doivent ensuite cibler ces facteurs plutôt qu’augmenter indistinctement la robustesse de tous les composants.
Le MTBF correspond-il à la durée de vie ?
Non. Le MTBF est un indicateur de fiabilité et ne représente pas directement le temps que chaque produit fonctionnera avant sa fin de vie.
Comment tester un produit censé durer 15 ans ?
Les industriels peuvent utiliser des essais accélérés associés à des modèles physiques de vieillissement afin d’extrapoler des résultats obtenus sous contraintes vers les conditions normales d’utilisation.
Quel est le lien entre durée de vie et éco-conception ?
L’éco-conception permet d’intégrer la durée de vie dans une réflexion environnementale globale : robustesse, maintenance, réparabilité, modularité et remplacement des composants peuvent devenir des leviers de réduction des impacts. Pour les entreprises souhaitant structurer cette démarche en interne, la formation à l’éco-conception permet également aux équipes de s’approprier les méthodes et les outils nécessaires pour identifier et prioriser ces leviers dès la conception.
