G23 1202 2018

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Contenido

Trabajo Final: Célula de Mecanizado de Ejes

Introducción y planteamiento

Se tiene un sistema de fabricación de ejes configurado a partir de una célula de fabricación que trabaja según el concepto de tecnologías de grupo.


La familia de piezas está formada por ejes de revolución que tienen agujeros transversales al eje geométrico de las piezas, ranuras, planos y formas de geometría libre. Las especificaciones de los ejes exigen en general un nivel de precisión y acabado superficial elevado.


Las operaciones que van a sufrir los ejes, serán distintas según el tipo de eje, por lo que el flujo que seguirán será diferente según su geometría. Habrá cuatro operaciones distintas:


1. Torneado

2. Fresado

3. Taladrado

4. Rectificado


La célula está compuesta por las siguientes máquinas:

2 Tornos de control numérico

1 Centro de Mecanizado

1 Taladradora de columna fija

1 Rectificadora cilíndrica


De manera que la pieza en bruto entra en la célula y sale completamente terminada de ella, no necesitando pasar por otra sección ni retornando a la célula.

La distribución teórica de las máquinas se representa en la siguiente figura:


Distribución teórica en planta.
Distribución teórica en planta.

En la célula se van a producir 25 tipos de ejes distintos. En función de las operaciones necesarias, tendrán que seguir un flujo distinto para pasar por las distintas máquinas que componen la célula.

Además, como dificultad adicional, cuando se trata de realizar dos tipos de torneado distinto sobre una misma pieza, dichos torneados se realizarán sobre el mismo torno, descargando la pieza y volviéndola a cargar de nuevo.

La siguiente tabla muestra los procesos que requiere cada tipo de ejes y además muestra los tiempos de preparación y procesado de cada fase en minutos:


Distribución teórica en planta.
Distribución teórica en planta.


En la tabla anterior se indica que los tiempos de preparación no son fijos, mientras que los tiempos de procesado sí que lo son. Los tiempos de preparación se establece que siguen una distribución normal que lleva asociada una variabilidad que hace que pueda darse un tiempo mayor o menor que la media.


Atendiendo al concepto de fabricación flexible, se fabrican en lotes reducidos que normalmente son inferiores a 20 unidades. La carga de pedidos que se tiene actualmente se recoge en la siguiente tabla.


Carga de trabajo mensual.
Carga de trabajo mensual.


En ella se observa la producción de la célula durante un mes. La producción es distinta cada semana y ninguno de los lotes es superiores a 20 unidades, como ya se ha comentado anteriormente. Destaca que en ninguna de las semanas se repite la producción de un tipo de eje con el mismo tamaño de lote, es decir, de una semana a otra es poco probable que se repita la producción de un eje que ya se ha fabricado en una semana anterior, y si se fabrica, lo hace con un tamaño de lote distinto.


Para el desarrollo del modelo, se plantea el siguiente Diagrama de Flujo de Trabajo (VSM):

Esquema del modelo.
Esquema del modelo.


En el diagrama anterior, se muestra la flexibilidad que tiene la célula. Tiene que estar preparada para pasar los ejes por cualquiera de los puntos de procesado de todas las formas posibles: pasando por todos los puntos, pasando por el torneado y el taladrado, realizar solo un torneado pero realizar fresado y rectificado, etc.

Descripción del modelo en FLEXIM

En el modelo de FLEXIM, la disposición de la fábrica se muestra en la siguiente imagen. Para distinguir de una forma más sencillas las diferentes partes de la planta se ha organizado en módulos de distintos colores. A continuación se explica cada uno de sus elementos y las funciones que realizan.


Vista en planta de la fábrica.
Vista en planta de la fábrica.


Antes de comentar los distintos módulos en los que se ha dividido la fábrica es preciso detallar que se han creado dos tablas en las que se apoyan las máquinas:


Código que produce la tabla de Ejecución.
Código que produce la tabla de Ejecución.


Tabla de datos: tiene la información que define el flujo que tiene que seguir cada tipo de eje. En 5 columnas establece mediante un código binario si un eje tiene que ir a una máquina o no. Además, en las cuatro columnas siguientes, la tabla da información acerca de la cantidad de ejes que produce cada lote para cada semana. Cada vez que se pulsa el botón Reset, esta tabla se copia en otra llamada Tabla de Ejecución. Esto se debe a que durante la simulación es necesario ir cambiando la cantidad del lote pero sin perder el dato inicial. La función de esta segunda tabla se explicará mejor a lo largo del desarrollo del trabajo.



Tabla de datos en FLEXIM.
Tabla de datos en FLEXIM.

Tabla de Tiempos: presenta la información de todos los tiempos de preparación y de operación que serán recogidos por parte de las máquinas para los distintos tipos de ejes.

Tabla de tiempos en FLEXIM.
Tabla de tiempos en FLEXIM.


Módulo de entrada

Módulo de entrada.
Módulo de entrada.

En este módulo tenemos los siguientes elementos:

- Entrada de Ejes: Se trata de la fuente que introduce los ejes en el modelo. Mediante la opción de Arrival Schedule se establece que los lotes de ejes lleguen al modelo al comienzo de la semana correspondiente. Además de el tipo de eje y la cantidad del lote, cada eje tiene los labels correspondientes para guardar los tiempos de entrada y salida de las máquinas y otro reservado en caso de que resulte defectuoso.

- Cola de Entrada: Se utiliza como primer almacén de ejes mientras esperan para ser introducidos en la cadena de fabricación.

- Operador 1: se encarga de trasladar los palets al primer punto de mecanizado, que en este caso siempre será uno de los dos tornos.

- Entrada Palets: fuente que introduce los palets en el combiner para llevar a cabo el transporte de los ejes al primer punto de mecanizado.

- Combiner Inicial: En este combiner se juntan todos los ejes de un mismo tipo y posteriormente se mandan al primer punto de mecanizado. Requiere un código en el trigger de entrada para realizar su función correctamente.


Código del combiner inicial.
Código del combiner inicial.


El código consta de 3 partes: primero calcula la semana en la que se encuentra mediante una comparación de tiempos, compara el tiempo transcurrido desde que se inició el programa con los distintos tiempos de cada semana. Cuando ya sabe en qué semana se encuentra, con el tipo de producto recoge de la tabla de datos la cantidad del lote. Finalmente, realiza las operaciones necesarias para llegar a la opción que modifica el número de de ejes que tiene que esperar el combiner e introduce el valor guardado anteriormente en ‘targetcomponentsum’ y ‘Target Quantity’.


Módulos de los torneados

Módulo de los torneados.
Módulo de los torneados.


Los módulos de los tornos son exactamente iguales y ambos tienen los siguientes elementos:

Separator: al separador llegan los palets con los ejes de cada lote. En él cada uno de los ejes vuelve a ser independiente del resto y se introducen en el Multiprocesor de uno en uno. El palet se retira en el sink de salida preparado para los palets.

Multiprocesor: El multiprocesor es el encargado de realizar los dos posibles torneados que tenga que hacer cada eje. El tiempo de preparación se introduce como una función normal que lleva asociada una media y una desviación típica. Por otro lado, el tiempo de mecanizado se ha metido por código ya que se le suma el tiempo de cambio de herramienta unitario. Esta operación se realiza para las dos posibles operaciones de torneado que pueda hacer un eje. Si no tuviera que realizar cualquiera de las dos, en la tabla viene indicado con un tiempo nulo, por lo que simula que no se realiza ninguna operación.

El control de calidad se realiza a la salida del Torno. En la opción del flujo se establece una opción por porcentaje, que es fijo siempre, en la que se guarda en el label de error un 1 si un eje es defectuoso, si no lo es, no se hace nada. Posteriormente, todos los ejes pasan por una cola intermedia cuyo funcionamiento se explica a continuación.

Código de los Tornos.
Código de los Tornos.


Cola intermedia: a este contenedor llegan todos los ejes mecanizados en el Torno. Los que son defectuosos se llevan a la Cola de error, mientras que los que se han mecanizado correctamente se introducen en el combiner. En la cola se actualiza la Tabla de Ejecución, si hay ejes defectuosos restan una unidad, por cada eje que se ha fabricado mal, a número de ejes que tiene el lote. De esta forma, cuando se introducen en el combiner, la tabla está actualizada y el combiner hace el palet aunque tenga menos ejes de los que debería tener el lote inicialmente.

Código de la Cola Intermedia.
Código de la Cola Intermedia.


Combiner: en este combiner se recogen y se juntan todos los ejes del lote en un nuevo palet para ser transportados a la siguiente estación de mecanizado. El código en el trigger de entrada es el mismo que para el combiner inicial. En este caso hay que introducir mediante código el flujo que debe seguir el palet. Con los datos de la Tabla de Ejecución se obtiene la información sobre dónde se tiene que llevar el palet.

Código del Combiner del Torno.
Código del Combiner del Torno.


Cola de error: este contenedor se encarga de recoger todos los ejes que han resultado defectuosos en el proceso de torneado.

Taladrador (operario): Los operarios dispuestos en los tornos se encargan de realizar el transporte de los ejes desde el separator hasta el separator de la siguiente estación correspondiente.


Módulos de Taladrado, Fresado y Rectificado


Módulo de Taladrado.
Módulo de Taladrado.
Módulo de Fresado.
Módulo de Fresado.


Módulo de Rectificado.
Módulo de Rectificado.


Estos módulos se comentarán conjuntamente debido a que externamente son idénticos. Los tres están compuestos por un separator, un processor, una cola intermedia y otra de error, un combiner y un operario encargado del transporte de los ejes entre cada elemento. El único módulo que presenta una pequeña diferencia es el del Rectificado, que tiene un contenedor antes del separator para evitar que se colapse la simulación mientras se espera a que se realicen las operaciones de rectificado.

Internamente, los códigos que lleva cada uno de los elementos son iguales que en los módulos de torneado:

Los tiempos de preparación (distribución normal) y de operación (fijo) son iguales salvo que cogen el dato de la columna que corresponde al Taladrado, Fresado o Rectificado.

La cola intermedia tiene la misma función, que es separar los ejes defectuosos de los que se han hecho correctamente y modificar la cantidad de ejes del lote en la tabla de Ejecución.

El único elemento que sufre una ligera variación es el combiner. Esto se debe a que a medida que pasan los ejes por el recorrido, hay una opción menos en el flujo, por lo que se tiene que quitar una opción if en el código. Para el combiner del Rectificado no es necesario introducir código ya que manda el palet directamente al contenedor final. Los dos combiners restantes quedan de la siguiente manera:

Código de los combiners de Taladrado (Izda), Fresado (Dcha).
Código de los combiners de Taladrado (Izda), Fresado (Dcha).


Módulo de Salida


Módulo de salida de la Célula de Mecanizado.
Módulo de salida de la Célula de Mecanizado.

En este módulo se recogen todos los palets que contienen ejes que ya han sido terminados. Cuando llegan al contenedor, si el separator está libre, pasan a él directamente de forma que se separa en palet de los ejes. Cuando los ejes salen por el sink se genera una fila nueva en la Tabla de tiempos con toda su información a lo largo del recorrido. El funcionamiento de esta tabla se explica a continuación.


Tablas de Tiempos

Tabla con los tiempos de mecanizado según la máquina y el tipo de eje.
Tabla con los tiempos de mecanizado según la máquina y el tipo de eje.
Tabla con los tiempos de salida de los contenedores.
Tabla con los tiempos de salida de los contenedores.


Las tablas hechas sirven para apoyar el modelo y obtener los datos así de forma más sencilla y modificable. La primera tabla a la izquierda muestra los tiempos de preparación (media y desviación típica) y mecanizado de los ejes. Estos tiempos son siempre iguales sin importar la semana, por lo que esta tabla es constante durante las 4 semanas y se recurre siempre a ella.

La segunda tabla (derecha) es una tabla de apoyo para la programación. Debido a que los labels no son asignables a un item a la salida de un combiner, el combiner guarda este tiempo en la tabla auxiliar TiemposMedidos. Cada columna se corresponde a un combiner y las filas las elige el combiner según el tipo de producto. Estos tiempos son cogidos al final y guardados en los labels de los items como el resto de tiempos, de forma que luego pasan a otra tabla.

Tabla con los tiempos de mecanizado según la máquina y el tipo de eje.
Tabla con los tiempos de mecanizado según la máquina y el tipo de eje.

Por último (arriba) vemos la tabla TiemposMedidos2, la cual contiene ya todos los datos de tiempos medidos extraídos mediante labels. La tabla se genera sola fila a fila ya que el número de productos es variable según los errores que haya en la producción. Además de todos los tiempos de entrada y salida, tanto de contenedores como de máquinas, contiene el tiempo final de salida de los productos de la fábrica, muy interesante para ver cuánto tiempo lleva hacer cada producto. Esta tabla es la que luego se usa para los cálculos de tiempo y costes posteriores.

Análisis de resultados y posibles mejoras

De el planteamiento del modelo se observa que se plantea una fábrica del tipo de lotes, fabricación flexible pero dependiente de operarios. Aunque las máquinas están automatizadas y no precisan de ayuda en el mecanizado, estos cumplen las funciones de preparación y carga y descarga de los lotes, de forma que todo el transporte se realiza de forma manual.

Modelo final de la fábrica.
Modelo final de la fábrica.

El modelo planteado sigue las indicaciones dadas en el guión. Para reducir los tiempos de transporte se han juntado las parejas combiner-separator de forma que el operario pierda un tiempo mínimo. No obstante a pesar de ello todavía hay un espacio de dos bloques (2 metros) entre los más cercanos para representar esa distancia mínima de seguridad exigida para permitir el paso. Esto se ve en el Dashboard de abajo, donde vemos en el State Pie que el porcentaje de los operarios es en su mayoría mecanizado y pierden muy poco en transporte. Cabe destacar que este porcentaje de mecanizado es algo más alto en la realidad, ya que FlexSim da el porcentaje con el tiempo total de simulación y los operarios no están realizando ninguna actividad cuando no han llegado todavía piezas.

Dashboard del modelo original.
Dashboard del modelo original.

Podemos apreciar también que, debido al bajo número de ejes que necesitan un taladrado, el tiempo de mecanizado y el Output per Hour del taladro son más bajos comparados con los de otras máquinas. Todo lo contrario ocurre en la fresadora, la cual mecaniza casi todos los ejes de la fábrica y por lo tanto es la que genera un cuello de botella. No obstante, en términos relativos genera un número un poco mayor que el de las máquinas de torneado, las cuales son dos, por lo que este proceso sigue siendo el más importante y un posible punto de mejora. Más información que nos da el Dashboard es el Item Trace Grant, lo cual indica que hay un no despreciable porcentaje del tiempo que los objetos están esperando a otros objetos, debido a que estos se fabrican por lotes. No obstante reducir el tamaño de lote con el objetivo de reducir ese porcentaje, conlleva también un aumento de tiempos de transporte y problemas logísticos más complicados, por lo que se ha escogido no modificar los tamaños establecidos.

La primera mejora propuesta es la más sencilla, añadir una tercera máquina de torneado para distribuir más la carga y ser más rápidos. Para no incrementar más todavía el coste, se ha cargado esta máquina sobre un operario de los tornos, ya que estos no son necesarios para el mecanizado del eje, solo para su preparación.

Mejora y Dashboard con 3 tornos
Mejora y Dashboard con 3 tornos

A la izquierda podemos ver como quedaría el modelo. El resultado altera poco el tamaño de la planta y solo tiene un sobrecoste de la máquina extra de torneado ( los combiner y separators, contenedores en la realidad tienen un coste muy pequeño y despreciable) Como vemos en el Dashboard, el torneado 1 todavía tiene un Output per Hour alto, pero la carga de trabajo sobre su operario se ha reducido. El otro operario ha visto su carga de trabajo aumentada, aunque todavía vemos que es inferior al 60%, por lo que es asumible. El Output per Hour de el resto de maquinaria ha aumentado como consecuencia de tener este torno extra y si vemos arriba el tiempo final, observamos que es menor que el del modelo original en unas 2 horas aprox. Sin embargo, con los datos actuales que no tienen en cuenta lo que cuesta mantener la fábrica abierta cada hora, esta mejora no supone ningún ahorro y solo un gasto mayor en favor de una mayor productividad. Si tenemos en cuenta que en ese tiempo extra se podrían mecanizar más ejes, es probable que esto llevará un aumento de la productividad.

Otra mejora propuesta es la de meter cintas automatizadas para el transporte. Esta opción se ha hecho solo, como ya se ha explicado antes, para demostrar si efectivamente los tiempos de transporte son poco influyentes y si mejorando el transporte se obtiene alguna mejora. Tal y como se puede observar en el Dashboard adjunto abajo, esta mejora es prácticamente nula y los cambios son inapreciables a efectos de trabajo de operario o Output per Hour.

Modelo mejorado con transporte por cintas
Modelo mejorado con transporte por cintas

El Dashboard es muy similar al anterior, por lo que esta solución aporta poco a efectos prácticos sobre el modelo. Sería útil su estudio en caso de mecanizar lotes muy grandes o pesados, los cuales pueden ser difíciles de transportar para los operarios.

Modelo mejorado con transporte por cintas
Modelo mejorado con transporte por cintas

Otra opción planteada es la de usar robots que controlen la producción de forma automatizada. Debido a su elevado coste y la distribución en planta, se ha planteado usar dos para 4 máquinas y la 5 máquina de rectificado puede estar cubierta por un operario que cumple además la función de supervisar todo el sistema y encargarse de los transportes. Aunque los transportes no suponen en el operario una carga muy elevada, si vemos que los robots están muy solicitados al tener que atender dos máquinas y debido a su tipología, el tiempo que pierden en transportar los productos es mayor que el de un operario. Debido a esto, el tiempo de producción es considerablemente mayor, más del doble, con una inversión muy alta, por lo que está opción no plantea mucha rentabilidad.

Modelo mejorado con Robots
Modelo mejorado con Robots

La última mejora propuesta consiste en combinar las dos anteriores, usando robots para mecanizar los ejes y cintas para transportarlos. Esto ahorra tiempo a los robots de transporte y manutención, además de que elimina la labor del supervisor anterior y lo sustituye por otro robot más sencillo que no necesita tanta capacidad de producción. Esta opción reduce el tiempo final de fabricación respecto a la anterior, pero todavía da un tiempo dos veces superior al del modelo original. No obstante la opción que plantea es la de una fábrica totalmente automatizada y operativa sin necesidad de personal, por lo que da la capacidad de producir mucho más y sin problemas derivados de mantener un personal físico. Sin embargo, como en la opción anterior, debido a que los costes de tiempo no se tienen en cuenta y la inversión inicial de los robots es alta, esta opción no se plantea muy viable.

En caso de querer aumentar la producción de manera alta y querer trabajar todos los días de la semana, es una posibilidad que mantiene la flexibilidad de la fábrica y gana en automatización e innovación. Para esto sería recomendable un estudio de mercado previo eso sí, para saber si es posible vender todas esas piezas extra que se están fabricando. Además en contra de esta opción está el hecho de que en ninguna semana se alcanzan las 40 horas semanales, por lo que el modelo actual todavía permite una pequeña ampliación de la producción.

Modelo mejorado con transporte por cintas y robots
Modelo mejorado con transporte por cintas y robots

Como vemos en el Dashboard, el Output per Hour ha disminuido hasta la mitad más o menos, mientras que el State Pie de los robots se mantiene elevado. Esto indica que no se puede aumentar la producción a menos que se compren más robots, los cuales requieren de una inversión inicial mayor que un empleado.

Como conclusión general, la mejora que más viable y rentable se plantea es la primera de añadir un torno extra. Esto permitiría producir en menos tiempo o producir más ejes en el mismo tiempo, dado que la mayoría de costes de la fábrica son fijos. Si es posible vender más ejes entonces, dato que se comprobaría con un estudio de mercado, sería beneficioso como objetivo a futuro ampliar la fábrica con un tercer torno. La opción de las cintas se plantea poco ventajosa a priori pero no requiere de una inversión muy alta, siendo esta una opción a considerar si existen problemas en el transporte manual o , como se ha planteado en la última mejora, si se usan en combinación para una producción puramente automatizada, opción solo recomendable si se quiere aumentar de forma masiva la producción de ejes.

El modelo planteado originalmente es muy completo y su planteamiento es ya muy bueno en cuanto a logística y organización se trata. Otras vías a considerar, como mejorar la maquinaria o fabricar otros ejes, serían planteables pero no son evaluables con los datos actuales.

Análisis de costes

Distinguiremos en primera instancia del análisis la tipología de costes a los que nos enfrentamos. Estos han sido clasificados en costes fijos y costes variables. Los costes fijos están compuestos por el coste anual del salario de los operarios y la amortización de las máquinas. El coste variable a su vez esta compuesto por el consumo horario de herramientas del mecanizado de las piezas.

Para realizar un primer análisis global de costes necesitamos estimar la cantidad total de horas de cada tipo de mecanizado anual. Gracias a la tabla de costes generada por Flexim y tras un tratamiento en Excel somos capaces de hallar esta estimación. A partir de esta estimación somos capaces de estimar el coste variable así como el coste fijo de Operario.

  • Cabe destacar que como las horas de funcionamiento por semana de cada máquina es inferior a 40 horas, un solo turno de operarios será necesario para cubrir la demanda de horas de mecanizado. Por ello solo tendremos contratados 5 operarios, un turno de operarios por máquina (dos tornos, una fresadora, una taladradora, 1 rectificadora).
Estimación de tiempos de mecanizado
Estimación de tiempos de mecanizado


Con esta primer estimación somos capaces de calcular el coste total anual de producción de la célula.

Realizaremos a continuación un segundo análisis de costes más incisivo. En él, vamos a estimar el coste de producción de cada tipo de eje en su semana de producción. Cabe destacar, que aunque se produce el mecanizado de los mismo ejes en distintas semanas de producción su coste difiere levemente. Esto es principalmente debido a dos variables. Por un lado, la variabilidad de los tiempos de preparación. Por otro lado, la escala de producción semanal, esto afecta al reparto de la amortización de los costes fijos por número de piezas producidas esa semana.

Coste de producción por tipo de eje y semana de producción
Coste de producción por tipo de eje y semana de producción

Archivos de FLEXIM

A continuación se encuentran los archivos en flexim, de los modelos que se han explicado a lo largo del trabajo.

Media:G23_Trabajo Final.rar

Media:G23_Trabajo Final_Mejoras.rar

Trabajos Parciales

Caso Práctico sobre Fabricación de Tubos

Se tiene una sección de conformado de tubos metálicos formado por dos puestos de trabajo atendidos por dos operarios.

En el primer puesto de trabajo se va a realizar el prensado de los extremos de los tubos para formar una superficie plana que permita su soldadura al resto de una estructura metálica. El producto procesado se descarga a un contenedor que está al lado de la prensa.

Este contenedor se desplaza al puesto siguiente que se encuentra a 2m con una carretilla.

En el segundo puesto se punzonan los agujeros que servirán para la unión por atornillado con otros elementos de esa estructura. La descarga se hace sobre un contenedor. Una vez que el contenedor se ha llenado se expide a la sección siguiente.

Los tubos en la longitud especificada se suministran en un contenedor con una capacidad de 20 unidades a la sección de conformado cada 10 minutos.

A continuación se muestra el mapa de flujo del proceso (VSM) detallado, con las tablas de tiempos de cada uno de los dos puestos de trabajo.


Mapa de flujo de valor del proceso.
Mapa de flujo de valor del proceso.




En este apartado se encuentran las capturas y explicación del proceso anteriormente descrito, el cual ha sido simulado en FlexSim v7 para su trabajo académico.

En primer lugar la simulación se ha hecho guardando los datos y las proporciones establecidas por el enunciado. Los procesos de prensado y punzado se han hecho cada uno en un procesador diferente, gestionados individualmente por un operario que se encarga además de las operaciones de carga y descarga. Las líneas en el suelo definen la ruta que debe seguir el operario para cargar y descargar piezas y así hacer la simulación más realista.

Los contenedores cuyos valores máximos de carga no estaban especificados se han supuesto también como 20, por la lógica y simpleza del proceso. La carretilla utilizada también para el movimiento entre contenedores se ha fijado con una carga máxima de 20 piezas.


Captura de la simulación del proceso.
Captura de la simulación del proceso.


Los tiempos de carga y descarga se han asignado a cada operario según el proceso que hace, utilizando la suma del resto de tiempos como tiempo de procesado en máquina. Para una simulación más realista los tiempos de carga y descarga se han introducido divididos por 2, ya que en la simulación el operario hace 2 cargas y descargas. Coger la pieza del contenedor y ponerla sobre la máquina son dos operaciones, una carga y una descarga en FlexSim.

En las gráficas del Dashboard se han representado diferentes datos considerados de utilidad y relevantes para la simulación. En la primera gráfica de "Output per Hour" podemos ver como el prensado tiene lógicamente más piezas por hora, ya que el proceso de prensado es más corto que el de punzonado. En la gráfica de "Average Staytime" se refleja esa diferencia que aunque no es muy grande es significativa a la hora de simular.


Dashboard con gráficos relevantes de la simulación.
Dashboard con gráficos relevantes de la simulación.


De especial interés son los gráficos del "State Pie" donde se ve porcentualmente que ocupa el tiempo de las máquinas y los operarios. Aquí podemos ver que los operarios invierten buena parte de su tiempo en cargar, descargar y viajar hasta los contenedores. Aunque los tiempos sean casi iguales se ve que en Gerardo, que trabaja en el punzado, pierde menos tiempo porcentual en esto debido a que está mas tiempo en máquina. Si se quisiera mejorar el proceso estos serían buenos puntos a mejorar para aumentar la productividad.

Las máquinas funcionan a alta capacidad usando casi el 90% de su tiempo en fabricar productos. Esto quiere decir que a pesar de que los gráficos de operario muestren un porcentaje significativo del operario cargando y descargando, las máquinas están en su gran mayoría funcionando, lo que se ve reflejado en el gráfico de "Work in Progress vs Time".

Por último, si nos fijamos en el gráfico de "Content vs Time" veremos que los contenedores funcionan de manera síncrona como es lógica, llenandose uno cuando se vacía otro y viceversa.


Dashboard con tiempo  de estancia en el contenedor 2.
Dashboard con tiempo de estancia en el contenedor 2.


Se ha añadido además al gráfico de "Average Staytime" el tiempo en un contenedor, como prueba de que en esta fabricación por lotes las piezas están la mayor parte del tiempo "esperando" a otras piezas. Cabe destacar que cuando se tiene en cuenta este tiempo de pieza en contenedor la diferencia de tiempo de fabricación entre el prensado y el punzado es muy poco significativa.

Por último se adjunta un gif del proceso a alta velocidad para que se vea el funcionamiento en planta (Hacer dos veces click para verlo en movimiento)


Grabación del proceso (hacer click dos vices para ver).
Grabación del proceso (hacer click dos vices para ver).



Caso práctico sobre fabricación de bastidores tubulares

El proceso se inicia con el suministro de tubos que tienen una longitud de 6m. Los tubos se pasan por una tronzadora que corta cada uno de ellos a la dimensión que en cada momento se solicite. Los tubos a obtener en esta fase tienen unas longitudes de 470 mm y 500 mm. El contenedor de alimentación contiene 10 tubos.

En el tronzado de cada tubo se invierte un tiempo de 6s ± 1,5 que sigue una distribución normal comprende el posicionamiento del tubo en la máquina, su corte y su retirada.

Los tubos cortados se descargan a dos contenedores según el tipo. Una vez se ha llenado el contenedor con los tubos de 500 mm se pasa al puesto final de soldadura. El contenedor con los tubos de 470 mm pasa a las prensas para conformar los extremos y los agujeros, idénticas a las del trabajo anterior. Con la excepción de que el producto prensado se descarga a un contenedor-rampa desde la que se toman los tubos para ser punzados.

La descarga se hace sobre un contenedor. Una vez que el contenedor se ha llenado se desplaza al puesto de soldadura. En el puesto de soldadura se montan 4 tubos en un utillaje y se suelda sobre él. A continuación se muestra la tabla de tiempos del proceso:


Tabla de tiempos en el puesto de soldadura.
Tabla de tiempos en el puesto de soldadura.


Los bastidores se descargan sobre una banda de rodillos que se desplaza por gravedad y que desemboca en un contenedor que tiene una capacidad de 10 unidades. Sobre esta banda también se descargan productos desde otras líneas. Una vez completados los contenedores se manda a la sección de ensamblado.


Mapa de flujo de valor del proceso.
Mapa de flujo de valor del proceso.

La simulación se ha realizado en acorde a los datos proporcionados por el enunciado. Los cilindros de 6 metros entran por el primer almacén y son cortados en el primer Separator en 12 piezas, siguiendo un orden de uno en uno, primero saliendo tubos de 470mm y luego los de 500mm. Los cilindros de 470mm que precisan un mecanizado se llevan por un proceso de prensado y punzonado similar al descrito en el ejercicio anterior, pero usando cintas en lugar de una carretilla. Los cilindros de 500mm son transportados directamente por lotes en carretilla al contenedor de entrada para las soldadoras( combiner en el modelo ).

Como se puede ver en la tabla de datos el tiempo de soldadura es muy alto comparado con el tiempo que tardan los tubos en ser mecanizados y llevados, incluso cuando se usan dos soldadoras y cada una usa dos tubos de cada tipo. Además se puede ver que a nivel teórico de planteamiento ya existe el fallo de que los cilindros de 500mm no necesitan mecanizado y por lo tanto el cuello de botella lo van a generar los cilindros de 470mm que necesitan de un mecanizado adicional.


Captura de pantalla del proceso del enunciado.
Captura de pantalla del proceso del enunciado.

Por ello se ha añadido un brazo robot que se encarga de abastecer las dos soldadoras, encargándose los operarios únicamente de la tarea de procesado y descarga, agilizando así el proceso de soldadura y dando más tiempo a los operarios, ya que mientras estos descargan el producto final el robot carga los nuevos cilindros.

A pesar de esta mejora, como podemos observar todoavía persiste el fallo de los tubos de 500mm estando mucho tiempo en el contenedor de entrada a soldadura (Cont 500) y los tubos de 470mm se acumulan para ser mecanizados ( Entrada 470). Esto se puede apreciar en el gráfico de la imagen anterior a la derecha, donde vemos que el "Average Staytime" de los tubos en estos contenedores es más del doble que en los otros.

Para solucionar este problema, se ha añadido una segunda cola de mecanizado de tubos de 470mm, que también los prensa y punzonda, descargándolos a la salida en el mismo contenedor. Igual que en las soldadoras, para mayor eficiencia y por problemas de simulación con dos operarios, se ha usado un brazo robot para abastecer las dos máquinas de prensado. Este caso es para el supuesto que dada una capacidad de producción la empresa es capaz de vender más tubos y por lo tanto asumir los costes extra por más maquinaria y operarios. En caso contrario esta solución no sería necesaria y se podría omitir.

Captura de pantalla del proceso mejorado.
Captura de pantalla del proceso mejorado.

Como se puede ver en la imagen, añadir una segunda cola mejora los tiempos de producción y evita que los tubos de 470mm (verdes en el modelo) sean cuello de botella a la hora de mecanizar. Al usar el brazo robótico la velocidad de producción de estos ha aumentado y en el contenedor de entrada prácticamente no hay tubos. Cabe destacar que en el momento de la captura, cuando el contenedor de Entrada de 470mm está vacío, se produce una pequeña acumulación en la cinta transportadora, pero esta disminuye antes de que salgan nuevos tubos para la primera máquina de prensado, por lo que no hay ningún problema de acumulación.

Dashboard del nuevo proceso mejorado.
Dashboard del nuevo proceso mejorado.

El nuevo "Dashboard" refleja esa mejora realizada en la gráfica de "Average Staytime", donde vemos que los tiempos para Entrada 470 y Entrada 500 han disminuido y ya no bloquean el resto del proceso. Los tiempos de los contenedores de entrada a las soldadoras permanecen iguales ya que no se ha hecho ningún cambio en ese aspecto. Los gráficos de "Output per hour" indican claramente que aunque se haya mejorado el mecanizado de tubos, las soldadoras apenas han subido su producción, por lo que siguen siendo un factor limitante. Una solución a mejorar sería entonces añadir más soldadoras en caso de querer vender más, o ya que ahora se genera la misma cantidad de cilindros de 470mm que de 500mm, generar Stock para unos días de cilindros y parar las máquinas de mecanizado, solo usando las soldadoras el resto de días.

La opción de añadir más soldadoras es factible usando el brazo robótico ya existente, ya que como vemos en el "State Pie" del robot, el brazo está solo un 36% de su tiempo operativo, teniendo por lo tanto tiempo de sobra para abastecer dos soldadoras más. Viendo los "State Pie" de las máquinas de mecanizado de 470mm vemos que trabajan como corresponde a la mitad de su tiempo, lo cual indica que están muy cerca de su máximo. Esto es porque a la entrada la mitad de los tubos se mecanizan para 470mm y la otra mitad para 500mm, por lo que más de un 50% no es alcanzable para los dos prensados, aunque debido a diferencias de tiempo de procesado es ligeramente mayor en los punzonados. Por lo tanto, ninguna mejora se puede realizar en este ámbito y la opción más lógica de ampliación de fábrica sería nuevas soldadoras.


Caso práctico sobre fabricación de productos con procesos distintos

Enunciado

En este ejercicio vamos a realizar el modelo de una sección de fabrica compuesta por cuatro máquinas, cuatro operarios y una carretilla. Se va a simular la producción correspondiente a una semana de trabajo para posteriormente realizar una estimación de costes. En última instancia comentaremos algunos elementos de mejora que hemos puesto en marcha buscando la disminución de los costes.

Mapa VSM de nuestra propuesta.
Mapa VSM de nuestra propuesta.

Este último ejercicio presenta algunas particularidades frente a los dos anteriores. Estas particularidades elevan tanto el grado de dificultad de la simulación como la sofisticación y el realismo de nuestros modelos de fabricación.

Tendremos en cuenta entonces en este tercer ejercicio:

-Unos procesos de fabricación diferentes para cada tipo de producto.

-La fabricación en lotes

-La aparición del proceso de inspección y discriminación de piezas defectuosas


Procesados

Nuestra sección de fabrica va a procesar hasta tres tipos de productos. Cada tipo de producto va a seguir un proceso distinto siguiendo unos tiempos de preparación y procesado definidos por la tabla que sigue a continuación:


Tabla de procesos por producto.
Tabla de procesos por producto.


Esto impacta en nuestro modelo a dos niveles:

-Primero a nivel de los tiempos de procesado, cada máquina va a tener que diferenciar cual es el tipo de producto que le llega para poder dedicarle el tiempo de preparación y procesado que le corresponde. Integrando código somos capaces de hacer que la máquina lea un label del producto que diferencie su tipo. Sabiendo su tipo y habiendo introducido la tabla de tiempos que acabamos de ver en una tabla auxiliar podemos indicar a la máquina que tiempo (linea y columna) debe aplicar a ese producto.

-El segundo nivel que se ve afectado en nuestro modelo es el recorrido de los productos por nuestra fabrica o "Flow". Al no seguir todos los producto los mismos procesos, los operarios van a tener que transferir las piezas de una maquina a otra teniendo en cuenta el tipo de producto que transportan. Existen 4 tipos de producto y 4 trayectorias distintas.

Para conocer exactamente la trayectoria de las piezas hemos tenido que añadir una etiqueta o label que contenga codificado, el recorrido de cada producto. Usando el código binario hemos codificado el recorrido de cada tipo de producto en un numero de 3 cifras. Cada cifra corresponde a una máquina y puede tomar los valores 0 o 1. EL valor 1 corresponde al paso por esa máquina; por el contrario, el valor 0 corresponde al salto de esa máquina sin mecanizado. Así pues, como ejemplo, una etiqueta 011 corresponde a saltarse el mecanizado en la máquina 1 pasando directamente al mecanizado en la máquina 2 y posteriormente al mecanizado en la maquina 3.

Tabla de explicativa de código de proceso.
Tabla de explicativa de código de proceso.

Una vez definida la etiqueta, solo nos queda escribir el código en cada "combiner" de salida de cada maquina y en el "combiner" de la fuente para definir exactamente cual es el siguiente paso del producto en su procesado. Os dejamos a continuación un ejemplo del código utilizado en el combiner de salida de la máquina 1 que indica claramente la lectura de la etiqueta (label) que contiene el proceso del producto recibido y el destino especificado en función de su lectura.

Código para la gestión del recorrido de procesado por producto.
Código para la gestión del recorrido de procesado por producto.



La fabricación en lotes

La producción en lotes es una realidad en los procesos de fabricación actuales. Hasta este ejercicio no lo habíamos tenido en cuenta en nuestros modelos.

Esto nos va a impactar nuestro modelo en dos niveles:

-En un primer nivel y a nivel operativo, vamos a tener que crear estos lotes antes de transportarlos de una maquina a otra. Para ello utilizaremos los "combiner". Estos combiner van a tener que tener acceso al numero de productos por lote en función del tipo de producto. Por otro lado, las máquinas no son capaces de procesar lotes enteros, procesan producto a producto. Por ello, después de cada transporte y antes de cada máquina vamos a tener que colocar unos separadores. Estos separadores nos van a permitir extraer cada producto del lote e introducirlos en la maquina para su procesado.

Tabla de unidades en lote por producto.
Tabla de unidades en lote por producto.

Vamos a especificar ahora como hemos conseguido que los combiners sean capaces de realizar los lotes en función del tipo de productos que les llegaba. A través de la declaración de Labels hemos dejado indicado el numero de productos por lote. Solo quedaría dejar codificado en los combiners como leer esos labels. Os dejamos a continuación el código utilizado en los combiners.

Código de creación de lote en función del producto.
Código de creación de lote en función del producto.

-En un segundo nivel mas relacionado con la gestión, va a tener un impacto en el registro de los tiempos de procesados. Esto es debido a que cuando se crea un lote la información que queremos guardar (en este caso el tiempo) queda registrada en el lote y no en todo los productos que contiene el lote. Al hacer y deshacer los lotes antes y después de cada máquina hay que registrar los tiempos para todos los productos contenidos en los lotes y para ello hay que añadir unas lineas de código. Con estos códigos que dejamos a continuación nos aseguramos que los tiempos se registren correctamente aunque hayan sido transportados en lotes.

Código de guardado de datos de tiempos
Código de guardado de datos de tiempos
Código de guardado de datos de tiempos
Código de guardado de datos de tiempos



Proceso de inspección

Otra particularidad de este trabajo es la inclusión de un último proceso de inspección por el cual todos los productos deben pasar. Hay que tener en cuenta que para cada tipo de producto existe un a tasa de productos defectuosos que hay que retirar de la linea antes de su entrega. Este porcentaje viene definido por la tabla que viene a continuación:

Tabla de productos defectuosos.
Tabla de productos defectuosos.


Hemos modelado esta etapa a partir de un procesado que descarta por porcentaje los productos defectuosos. Os dejamos continuación las parametrización necesaria para el modelado de esta criba usando un procesador.

Codigo de cribado.
Codigo de cribado.



Análisis de costes

Este análisis ha sido posible gracias a la toma de tiempos de cada pieza producida con su paso en las diferentes etapas del procesado. Os dejamos a continuación una captura de pantalla del código que refleja la cantidad de tomas de tiempos que ha sido necesario tomar:

Captura de código de toma de tiempos
Captura de código de toma de tiempos

Gracias a la declaración de los numerosos lables en la source de productos hemos podido guardar en una tabla los tiempos de entrada y salida de cada máquina. restando el tiempo de entrada al tiempo de salida de cada maquina obtenemos el tiempo de procesado de cada máquina por cada producto. Además, conocemos el coste horario de funcionamiento de cada máquina. multiplicando por tanto el coste horario de cada máquina por la suma de los tiempos de procesados de todos los productos que han pasado por cada máquina obtenemos el coste del proceso de mecanizado de todas las piezas.

A continuación podréis obtener de la tabla los costes horarios de cada máquina, el tiempo de fabricación de cada máquina, y el coste total en funcionamiento de las maquinas por semana:

Costes funcionamiento de maquinas
Costes funcionamiento de maquinas

A esto le tenemos que sumar el coste del personal y de la carretilla. Primero debemos saber el número de obreros necesarios, carretilleros necesarios e inspectores necesarios para suplir la demanda de horas de fabricación. Para calcular dicha demanda, obteniendo e tiempo de salida de la última pieza producida sabemos cuantas horas estará nuestra planta operativa y por tanto cuantas horas de operarios en las máquinas necesitamos, cuantos horas de obreros de inspección necesitamos y cuantas horas de obrero en la carretilla necesitamos. Dividiremos esa demanda de horas de cada tipo de personal por el numero máximo de horas que puede trabajar un obrero en una semana (35h aproximadamente) obtendremos el numero de personal necesario. Finalmente al multiplicar el numero de personal por su coste horario hallaremos el coste en personal y carretilla. Os dejamos a continuación las tablas que definen los resultados de nuestros cálculos para estimar la demanda de horas a suplir por operarios, inspectores y carretilleros, el calculo de las horas de trabajo semanales del obrero y finalmente el calculo de personal necesario y su coste:

Costes funcionamiento de maquinas
Costes funcionamiento de maquinas

Finalmente solo nos queda sumar el coste de personal al coste de carretilla y al coste de mecanizado para obtener el coste total de nuestra planta:

Costes totales
Costes totales

Mejoras Propuestas

Nuestra propuesta de mejora se basa en la optimización de los trayectos de traspaso de los lotes de una máquina a otra. La disposición con las tres máquinas en paralelo en y la maquina de inspección en serie no nos parece la más optima.

Creemos que el proceso de fabricación de los 4 tipos de producto se realiza en dos etapas. Nos hemos dado cuenta que todos los productos pasan primero por la máquina 1 o la 2, niguno va directamente a la máquina 3. Por tanto, no tendría sentido poner la maquina 3 en paralelo con la máquina 1 y 2. Sería más lógico ponerla en serie con la máquina 1 y 2. Por ello hemos decidido poner la máquina 1y 2 en paralelo y estas en serie con la máquina 3 y la maquina de inspección puestas en paralelo. De esta manera, hemos puesto al mismo nivel la entrada de la maquina 3 con la salida de la máquina 1 y la entrada de la máquina de inspección con la salida de la máquina 2. No tenia sentido hacerlo al revés porque ningún producto que salga de la máquina 1 va directamente a la máquina de inspección. Sin embargo si que existen productos que salen de la maquina 1 y van directamente a la maquina3. A continuación dejamos una captura del modelo optimizado que proponemos:

Imagen global de planta
Imagen global de planta
Resultados de nuestra propuesta
Resultados de nuestra propuesta
Herramientas personales