G20 1202 2018

De Wikifab

Esta es la página del Grupo 20 de Sistemas Integrados de Fabricación (M5).

Contenido

T1 - Conformado de tubos

Este primer caso práctico consiste en un proceso de conformado de tubos. Se parte de tubos sin modificar y se llevan a cabo dos fases: prensado de los extremos del tubo y punzonado en distintas posiciones del tubo. Para mayor claridad se muestra una imagen en la que aparecen las distintas fases por las que pasa el producto durante el proceso.

Fases del producto
Fases del producto

El funcionamiento básico del proceso es el siguiente:

- Etapa 1: Se ha utilizado un suministro que producirá un lote de 20 piezas cada 10 minutos (600s en FlexSim). Este lote se descargará automáticamente en el contenedor1 en el que las piezas se irán disponiendo en lotes y, desde el cual, el operario las cogerá.

- Etapa 2: El operario1 transportará los tubos desde el almacén inicial a la máquina que los prensará. En este proceso, el operario invertirá un tiempo de 4,5 segundos en el proceso de carga y un tiempo de 4,1 segundos en el de descarga. Tras un tiempo de procesado, sin incluir los tiempos de carga y descarga, de 15,9 segundos, los tubos prensados pasan al contenedor2. Dichos tubos prensados están representados en la imagen como la Fase 1 del producto.

- Etapa 3: A continuación, la carretilla transportará los tubos desde el contenedor2 hasta el contenedor3, los cuales distan dos metros.

- Etapa 4: Al igual que en la segunda fase, otro operario transporta los tubos prensados desde el contenedor3 hasta la punzadora, donde el proceso dura 22.9s, sin incluir el proceso de carga, de 4.5s y de descarga de 4.2s. Los tubos punzados están representados en la imagen como la Fase 2 del producto.

- Etapa 5: El segundo operario lleva los tubos de la punzadora al contenedor4, de donde pasan a la salida.


Value Stream Map

Se ha realizado un mapa del flujo de valor (VSM, por sus siglas en inglés) del proceso en cuestión, siguiendo la simbología recomendada en clase. Este diagrama permite visualizar el flujo de material de una fase a otra, así como los parámetros operativos más importantes. La mayoría de estos parámetros, como los tiempos de operación en cada máquina, el régimen de entrada de material o la capacidad del primer contenedor, vienen dados por el enunciado del trabajo. Otros datos, como la capacidad de los contenedores 1, 2 y 3, no se detallan en el enunciado. En este caso, se ha decidido igualar la capacidad de estos contenedores a la del primer contenedor (20 unidades).

Cabe destacar que los tiempos de carga y descarga de cada fase se han representado en una tabla distinta al resto de operaciones para indicar que estos tiempos se imputarán, ya en el modelo de FlexSim, a los respectivos operarios. Por supuesto, los tiempos de carga y descarga siguen siendo parte del tiempo de ciclo base de cada subproceso


VSM
VSM

Modelo para simulación en FlexSim

A continuación se muestran dos imágenes del modelo creado en FlexSim, la primera en perspectiva y la segunda en planta:

Vista en perspectiva
Vista en perspectiva


Vista en planta
Vista en planta


De aquí en adelante procederemos a detallar las características elegidas para cada componente del modelo. En primer lugar se muestra una tabla resumen donde se incluyen todos los tipos de componentes elegidos para formar el modelo:

Elementos utilizados Cantidad Nombres en simulación
Fuente 1 Source
Contenedores 4 Cont1, Cont2, Cont3, Cont4
Procesadores 2 Prensado, Punzonado
Operarios 2 Juan, Pepe
Transportador 1 Carretilla
Sumidero 1 Sink

Fuente


Como puede observarse en las imagenes posteriores, la fuente esta programada para introducir lotes de 20 tubos al contenedor 1 con un periodo de espera de 10 minutos(600 segundos) entre lotes.


Contenedores


En el caso de los contenedores debe destacarse que los cuatro han sido programados para trabajar por lotes y con una capacidad máxima de almacenamiento de 20 tubos.

Detalle del contenedor
Detalle del contenedor


Procesadores


En primer proceso que se realiza es el de prensado de los extremos de los tubos, de forma que se puedan soldar después a otros componentes de una estructura metálica. En cuanto a los detalles del proceso destacar un tiempo de 15.9s. En dicho tiempo ya ha sido descontado el tiempo de carga y descarga de la maquina, el cual se le ha atribuido al trabajador. La maquina esta programada para recibir tubos del contenedor 1 y sacarlos hacia el contenedor 2. Este movimiento de tubos entre contenedores y maquina lo realiza el operario siguiendo una trayectoria definida que se puede apreciar en la imagen en perspectiva y en planta del modelo completo.



El segundo proceso que se realiza es el de punzonado, mediante el cual se le realizan unos agujeros en el tubo para permitir que sean atornillados con otros elementos. Puede observarse en los detalles del proceso un tiempo de 22.9s en realizar la operación en cada tubo. Al igual que sucedía con el prensado, los tiempos de carga y descarga de la máquina han sido descontados del tiempo de proceso e introducidos en los parámetros del operador. Esta máquina tiene como puerto de entrada el contenedor 3 y como puerto de salida el contenedor 4 y al igual que en el caso anterior, es el operador el que se desplaza llevando los tubos entre contenedores y máquinas.

Operarios

El modelo cuenta con dos operarios cuya función es el transporte y colocación de los tubos entre los contenedores y las máquinas. En las imágenes posteriores puede verse la configuración de los mismos. Ambos están programados para no colisionar con otros objetos y además moverse siguiendo un camino prefijado, el cual se puede apreciar con claridad en las imágenes del modelo completo mostradas anteriormente. Por último, como puede apreciarse tanto en las imagenes como en la tabla posterior, a cada trabajador se le ha asociado el tiempo de carga y descarga de las máquinas que están a su cargo.



Procesadores Carga Descarga
Prensado Juan(4.5s) Juan(4.1s)
Punzonado Pepe(4.5s) Pepe(4.1s)


Transportador

En transporte en este modelo es utilizado para transportar los lotes de 20 tubos entre el contenedor 2 y el contenedor 3. Se lleva a cabo mediante una carretilla, la cual recorre el espacio entre los dos contenedores.

Detalle de la carretilla
Detalle de la carretilla


Sumidero

Por último, en el sumidero se recogen los lotes de 20 tubos que se van almacenando en el contenedor 4 para proceder a su extracción fuera de este proceso.

Detalle del sumidero
Detalle del sumidero


Analisis de los resultados

Una vez planteado los elementos que se han utilizado para construir nuestro modelo de FlexSim, hemos realizado el análisis de distintas gráficas mostradas en las simulaciones con el fin de obtener una serie de conclusiones, las cuales exponemos a continuación:

En primer lugar hemos detectado que tal y como está planteado el caso, no es posible la entrada de material al primer contenedor a la frecuencia estipulada (20 barras cada 10 minutos) sin que la entrada quede bloqueada durante un tiempo. El Contenedor 1 tarda más tiempo en vaciarse que el intervalo entre lotes de barras iniciales, debido al tiempo invertido por el operario, en este caso Juan, en el proceso de prensado y todas las tareas adicionales a él: carga, descarga y desplazamiento de un lugar a otro. En la figura de la parte inferior se puede apreciar precisamente cómo se vacía el Contenedor 1 a lo largo del tiempo y cómo vuelve a llenarse una vez se ha vaciado. El problema radica en que el contenedor 1 tarda en vaciarse de tubos en torno a los 800 segundos, mientras que la llegada entre lotes esta programada cada 600 segundos, de ahí que hayamos concluido que con la configuración propuesta para este trabajo se produce un cuello de botella.

Content vs Time
Content vs Time


En cuanto a los contenedores también hemos comprobado su porcentaje de tiempo en sus distintos estados (llenado, vaciado, espera para transporte y vacio). Como puede verse en la figura posterior todos los contenedores tienen altos porcentajes de ocupación. El menor porcentaje corresponde al contenedor 4 ya que al final del proceso el contenedor está vacío en los intervalos en los que está esperando a que lleguen los tubos procesados tras el punzonado.

Analisis de los contenedores 1,2,3 y 4
Analisis de los contenedores 1,2,3 y 4


Respecto a los operarios, si se observa el desglose del desempeño de los operarios en la primera de las dos figuras posteriores se aprecia que los porcentajes de tiempo de espera (‘idle’) son muy pequeños. Esto indica que las piezas llegan de manera regular para su procesado. También se observa, como se mencionaba anteriormente, que los operarios invierten una parte significativa del tiempo en desplazarse de un punto a otro, tanto para transportar las piezas (‘travel loaded’) como para cargarlas del punto correspondiente (‘travel empty’). En efecto, las distancias que Juan y Pepe recorrerían en un día (esto es, 24 horas de trabajo sin paradas) alcanzan las decenas de kilómetros, como se ve en la segunda figura.

Estado de los trabajadores
Estado de los trabajadores
Kilometros recorridos en 24h de trabajo
Kilometros recorridos en 24h de trabajo


En el caso de las máquinas de prensado y punzonado, la fracción del tiempo total que pasan siendo utilizadas es menor del 50%, como se puede apreciar en la siguiente figura. Estas cifras no parecen una buena noticia. En general, siempre interesa minimizar el tiempo inútil de una máquina. Una vez más, los elevados tiempos de manutención por parte de los operarios parecen los causantes de esta bajo grado de utilización de ambos procesadores. Cabe mencionar que el porcentaje de utilización del punzonado, 48.33%, es mayor que el del prensado, 33.76%, probablemente debido al mayor tiempo de procesado del punzonado.

Estado de la maquina de prensado (izquierda) y punzonado (derecha)
Estado de la maquina de prensado (izquierda) y punzonado (derecha)

Por ultimo se adjunta el archivo utilizado para las simulaciones en FlexSim, para su descarga: [1]

T2 - Fabricación de bastidores

Este segundo caso práctico es un proceso de fabricación de bastidores. El material de partida consiste en tubos de 6 metros. Estos tubos pasan por una tronzadora que da lugar a dos tipos de “ítems”: tubos de 500 mm y tubos de 470 mm. Los primeros pasan directamente al puesto de soldadura y los segundos pasan por una fase de prensado y por una fase de punzonado, muy similares a las del primer caso práctico. Una vez se han conformado los extremos y agujeros de los tubos de 470 mm, se llevan al puesto de soldadura. En el puesto de soldadura se montan dos tubos de 500 mm y dos tubos de 470 mm para conformar un bastidor, tal y como se ve en la imagen. El enunciado completo se puede consultar aquí.

Producto a fabricar
Producto a fabricar

Se pueden apreciar varias nuevas características en este proceso respecto al proceso del Trabajo 1. La más destacada es la bifurcación del flujo de material, con dos tipos distintos de “ítem” que más adelante se combinarán para dar lugar al producto final.

Modelo inicial

Value Stream Map

Se ha realizado un mapa del flujo de valor del proceso para visualizar cómo fluye el material a través de las distintas fases de conformado. Una vez más, se ha empleado la simbología recomendada en clase. Las flechas gruesas y rayadas indican bandas de rodillos y almacenes-rampa.

VSM
VSM

Como en el caso anterior, se indican los principales tiempos de procesado de cada fase, así como los tiempos de carga y descarga asociados. El tiempo invertido en la tronzadora queda definido como una variable aleatoria con distribución normal.

Se puede apreciar la bifurcación del flujo y la combinación de las dos líneas en el puesto de soldadura. En este mismo subproceso se ha indicado (en verde) el suministro de utillajes de soldadura, para el montaje de los bastidores. Así, el VSM se acerca más al aspecto de un modelo de estas características en FlexSim, como se verá más adelante.

Modelo para simulación en FlexSim

Se ha realizado un primer modelo en FlexSim, aunque desde relativamente pronto en el desarrollo del trabajo se ha visto que será necesario rediseñar el modelo para hacer el proceso más eficiente, debido a la disparidad de tiempos de procesado entre la soldadura y el resto de las fases.

El layout de este primer modelo se puede ver a continuación.

Layout del modelo inicial
Layout del modelo inicial

A falta de datos de producción en el enunciado, la entrada se ha configurado para suministrar tubos de 6 m destinados a producir uno u otro tipo de tubos. Como primera opción se ha decidido destinar un tubo inicial a cada tipo de tubos alternativamente.

Configuración de la entrada de material
Configuración de la entrada de material

Como elementos novedosos, cabe mencionar los separadores (separator) y los combinadores (combiner). La tronzadora se ha modelado con un separador que permite dividir el material de entrada en los dos tipos de tubos necesarios para el proceso. El puesto de soldadura se ha modelado con un combinador que toma dos tubos de cada tipo, así como un utillaje para la soldadura. En FlexSim es necesario representar el suministro de estos utillajes a través de un objeto del tipo source. Como se puede ver en la imagen se configura este objeto para suministrar periódicamente items del tipo pallet. En el combinador se unen los dos tubos de cada tipo con el utillaje de soldadura formando un nuevo ítem.


Configuración del suministro de utillajes
Configuración del suministro de utillajes



También se han empleado un combinador (combiner) y un separador (separator) en el tramo de los tubos de 500 mm. Cabe mencionar que estos dos objetos no representan un proceso de conformado o montaje, como ocurre en el caso de la tronzadora y de la soldadura, sino que se utilizan para agrupar (y desagrupar) los tubos en packs. Hacen las veces de almacén, con una capacidad igual a la del tamaño del “pack”. Así, se superan las limitaciones de FlexSim y se pueden transportar los tubos de 500 mm en grupos (de 12 en 12 en este caso), como ocurriría en un caso real.

Otro elemento nuevo en este modelo es el conveyor, que se ha empleado para representar los almacenes rampa y la banda de rodillos. El resto de elementos en el modelo son similares a los empleados en el caso práctico anterior.

Simulación y resultados

En primer lugar, cabe mencionar que no hay definida una cuota de producción. Con lo cual, este ejercicio sirve para ver la relación que hay entre unos y otros elementos del proceso, y para detectar los posibles cuellos de botella en la producción, al margen del objetivo de producción diario. Obviamente, más máquinas y más personal resultará, en general, en mayor producción. La clave es detectar en qué puntos merece la pena o no aumentar recursos.

Al ejecutar la simulación de este primer modelo no se tarda en apreciar que la mayoría de operarios se quedan periódicamente parados o bloqueados (“idle”) durante cierto tiempo.

Si incluimos un almacén de cierta capacidad al final del tramo de los tubos de 500 mm para aliviar el flujo (ver imagen a continuación), el problema sigue sin resolverse. Realmente lo único que conseguimos así es retrasar el efecto ya mencionado. Al principio, los operarios no están tanto tiempo parados pero los almacenes van acumulando cada vez más y más tubos. La capacidad máxima del almacén se acaba alcanzando y se bloquean de nuevo los operarios. Las siguiente gráficas ayudan a visualizar mejor lo que está ocurriendo:

Layout del modelo con un almacén extra en el tramo de 500 mm
Layout del modelo con un almacén extra en el tramo de 500 mm
  • Durante los primeros 7000 segundos:
Estados de los operarios a los 7000s
Estados de los operarios a los 7000s
Estados de los operarios a los 7000s con almacén
Estados de los operarios a los 7000s con almacén
  • Al alcanzar el régimen permanente:
Estados de los operarios en régimen permanente
Estados de los operarios en régimen permanente
Estados de los operarios en regimen permanente con almacén
Estados de los operarios en regimen permanente con almacén

Durante las primeras horas de producción, los operarios del segundo caso se encuentran activos durante más tiempo pero a la larga acaban invirtiendo prácticamente el mismo tiempo parados que en el primer caso. El operario de soldadura es, por mucho, el trabajador más ocupado.

El flujo (input y output) de material para algunos de los elementos principales del proceso en cada uno de estos casos se observa en las siguientes gráficas.

  • Durante los primeros 7000 segundos:
Input y output en el primer caso a los 7000 s
Input y output en el primer caso a los 7000 s
Input y output en el segundo caso a los 7000 s
Input y output en el segundo caso a los 7000 s
  • Al alcanzar el régimen permanente:
Input y output en el primer caso al alcanzar régimen permanente
Input y output en el primer caso al alcanzar régimen permanente
Input y output en el segundo caso al alcanzar régimen permanente
Input y output en el segundo caso al alcanzar régimen permanente

Se puede concluir que, antes de que el proceso se "bloquee", la entrada de items en el puesto de soldadura se produce a una velocidad considerablemente menor a la velocidad de salida de tubos de cada uno de los tramos. La salida de productos finales (los bastidores) en cualquier caso es de alrededor de 24 bastidores por hora, antes y después de alcanzar el régimen permanente.

Por último, se puede apreciar cómo varía el contenido de los almacenes de los tramos de 470 y 500 mm en las siguientes gráficas.

Contenido de los almacenes a lo largo del tiempo en el primer caso
Contenido de los almacenes a lo largo del tiempo en el primer caso
Contenido de los almacenes a lo largo del tiempo en el segundo caso
Contenido de los almacenes a lo largo del tiempo en el segundo caso

En el primer caso (sin "queue" en el tramo de 500 mm), el contenido del almacén de tubos de 470 mm justo antes del puesto de soldadura alcanza un régimen periódico antes de los 3000 segundos de simulación. En el segundo caso, podemos ver cómo al cabo de un tiempo se llena el almacén que se ha añadido al tramode tubos de 500 mm. Unos minutos después el almacén de 470 mm alcanza un régimen periódico, llegando esta vez a su capcidad máxima de 60 tubos. Durante los primeros segundos de simulación en estos casos lo que se está produciendo es una acumulación de tubos en los almacenes, hasta llegar a su capacidad máxima.

Considerando todos estos resultados se concluye que la fase de soldadura es un factor limitante en este modelo. En definitiva, el subproceso de soldadura supone un cuello de botella importante que deja parados al resto de los subprocesos de una manera o de otra.

Por lo tanto, la decisión más inmediata para mejorar el proceso es aumentar el número de puestos de soldadura. Aún así, muchos de los elementos ya descritos se conservarán en las versiones mejoradas del proceso.

Propuestas de mejora

Una vez vista la problemática que se presenta, se propondrán tres mejoras para el proceso.

Segundo puesto de soldadura

La primera mejora consiste en la implantación de otra herramienta de soldadura en paralelo. En la siguientes imágenes puede verse la nueva distribución del modelo y los resultados obtenidos utilizando esta mejora.

Modelo con mejora 1
Modelo con mejora 1


Output con mejora 1
Output con mejora 1
Estado de los operarios con mejora 1
Estado de los operarios con mejora 1

Como puede apreciarse en la salida de bastidores por hora, se ha producido un aumento de la producción hasta llegar a las 37 unidades por hora. Este incremento se debe a la implantación de otra línea de soldadura. Cuando solo había un puesto de soldadura se podía observa cómo el operario correspondiente estaba saturado. De esta forma se estaba perdiendo productividad, ya que un solo operario no era capaz de procesar todos los tubos que le llevaban. Sin embargo, al desahogar al operario de soldadura, se observa en esta nueva gráfica de estado de operarios que el trabajador del punzonado es el más saturado de todos. Con dos líneas de soldadura se están demandando el doble de tubos de 470 mm. De hecho, se puede ver cómo apenas se acumulan tubos de 470 mm en el correspondiente almacén en este caso en la siguiente imagen.

Contenido de los alamacenes a lo largo del tiempo
Contenido de los alamacenes a lo largo del tiempo

Debido a esta circunstancia, hemos propuesto una segunda mejora en la que se añade una segunda línea de punzonado con el fin de aliviar el trabajo de este operario.

Segunda máquina de punzonado

La segunda mejora supone a partir de la anterior, la adición de una segunda máquina de punzonado.

Modelo con mejora 2
Modelo con mejora 2
Output con mejora 2
Output con mejora 2
Estado de los operarios con mejora 2
Estado de los operarios con mejora 2

Una primera conclusión que se puede extraer con esta segunda mejora es que al solucionar el cuello de botella que existía en el punzonado, la producción de bastidores por hora aumenta de 37 a 52 unidades. Puede observarse además, fijando la atención en el estado de los trabajadores, que se ha vuelto a una situación similar a la inicial en cuanto a la saturación en los puestos de soldadura ya que con dos soldaduras no se consigue compensar el aumento de flujo de tubos de 470 mm causado por haber duplicado las máquinas de punzonado. Si se observa el contenido de los almacenes a lo largo del tiempo, se aprecia que el almacén de tubos de 470 mm vuelve a alcanzar su capacidad máxima y entra en un proceso cíclico, como en el modelo inicial. Ahora, eso sí, la frecuencia de este periodo es mucho mayor, es decir, el flujo de material ha aumentado.

Contenido de los almacenes a lo largo del tiempo con dos soldaduras y dos punzonadoras
Contenido de los almacenes a lo largo del tiempo con dos soldaduras y dos punzonadoras

Considerando todo esto, cabría plantearse la posibilidad de evaluar la utilización de una tercera línea de soldadura y comprobar si el aumento de salida de bastidores por hora es significativo como para justificar la inversión en un nuevo equipo.

Tercer puesto de soldadura

La tercera mejora propone la implantación de una tercera línea de soldadura en paralelo. El layout y los resultados obtenidos se exponen a continuación:

Modelo con mejora 3
Modelo con mejora 3
Output con mejora 3
Output con mejora 3
Estado de los operarios con mejora 3
Estado de los operarios con mejora 3

Con esta tercera modificación del proceso se consigue elevar el numero de bastidores generados por hora de 52 a 84. Puede apreciarse en la gráfica de estado de los trabajadores que ha aumentado su grado de ocupación a más de un 80% en todos ellos como consecuencia de este tercer puesto de soldadura.

Para comparar con los casos anteriores, se muestra a continuación la evolución del contenido de los almacenes en este caso con tres puestos de soldadura.

Contenido de los almacenes a lo largo del tiempo con tres puestos de soldadura
Contenido de los almacenes a lo largo del tiempo con tres puestos de soldadura

El almacén de 500 mm, como en los otros casos, es el primer en llenarse. El almacén de 470 mm tarda mucho más en hacerlo. Los periodos de entrada-salida de material en ellos son cortos, indicando una vez más el aumento de flujo de material.

Código personalizado en FlexSim

Un aspecto importante a destacar en las mejoras propuestas es que, como se puede observar en las imágenes, se ha procedido a un desarrollo en paralelo del proceso de punzonado y del proceso de soldadura. A raíz de esto surgió un problema de gestión de los almacenes intermedios por parte de los empleados. Una solución posible habría sido generar más almacenes para abastecer cada uno a una línea paralela. Sin embargo, con el objetivo de reducir los elementos del modelo se ha optado por realizar una modificación en el fragmento de código que relaciona el flujo de los elementos con los operarios encargados de su transporte. Para ello, dentro de la opción de Conditional Transport se ha modificado el código para que el transporte a cada una de las máquinas de destino lo realice el propio trabajador de esa máquina. De esta forma se evita que los trabajadores pierdan tiempo llenando las otras máquinas. El fragmento de código utilizado se muestra a continuación.

Fragmento de codigo modificado
Fragmento de codigo modificado

Conclusiones

En resumen, estas son las principales conclusiones extraídas de este trabajo y los pasos que se han tomado a partir de ellas:

  • La lentitud de la soldadura en relación con el resto de fases del proceso supone un factor limitante en el primer diseño del proceso. Esto conduce a incluir un segundo puesto de soldadura en paralelo, lo cual resulta en una mayor producción de bastidores por hora.
  • Una vez solventado el cuello de botella en la fase de soldadura, se ha apreciado que la fase de punzonado, debido a su mayor tiempo de procesado relativo a la fase de prensado, se convierte en un factor limitante en este nuevo modelo. Se ha propuesto incluir una segunda punzonadora en paralelo para aligerar el flujo de material.
  • Finalmente, se ha propuesto un tercer puesto de soldadura en paralelo con los anteriores, lo cual da lugar a grados de ocupación altos y similares en todos los operarios y a una mayor producción.

Cabe destacar que optimizar el número de máquinas y operarios involucrados en el proceso no es tarea fácil. Por lo experimentado en este caso práctico, siempre habrá disparidad entre los tiempos de proceso de una u otra fase y es muy probable que unos elementos estén más "asfixiados" que otros en mayor o, preferiblemente, menor medida.

Por último, es importante mencionar que en un caso real sería necesario tener en cuenta las cuotas de producción deseadas y los costes asociados al proceso, lo cual sólo dificulta aún más la tarea de optimización. Por ejemplo, aumentar el número de prensas de punzonado supone un aumento de costes pero revierte en una mayor producción diaria y tal vez en menores costes de producción unitarios.

Por último se adjunta el link para la descarga de los archivos de FlexSim. En la carpeta se han añadido 5 archivos, desde el modelo más básico hasta la última mejora:[2]

Herramientas personales