Cómo la automatización y la manufactura esbelta van de la mano

Durante años los fabricantes han tomado uno de dos caminos para mejorar sus operaciones. Se centran en la mejora continua y utilizan la caja de herramientas de la manufactura esbelta o invierten en tecnología avanzada para optimizar las operaciones, reducir la dependencia de la mano de obra y mejorar las competencias básicas. Los acontecimientos mundiales recientes han demostrado que los fabricantes deben encontrar una manera de combinar ambos enfoques para sobrevivir y competir.

Un panorama de fabricación cambiante

La pandemia ha revelado cambios importantes en el panorama estratégico y la demografía que afectarán para siempre la forma en que competirán los fabricantes. Primero, el capital humano es frágil. El COVID-19 y otras enfermedades afectan la capacidad de funcionamiento de una empresa. Las operaciones intensivas de mano de obra corren un riesgo mucho mayor de reducción de la producción, crecimiento restringido e interrupciones de la cadena de suministro que aquellas con una fuerza laboral más pequeña.

En segundo lugar, la mano de obra disponible se está reduciendo rápidamente. Más de 3.5 millones de trabajadores calificados abandonan la fuerza laboral cada año. La generación de la posguerra (Los baby boomers) se está jubilando y llevándose décadas de conocimiento con ellos.

En tercer lugar, los costos laborales están aumentando. Antes del brote del COVID-19, el mercado laboral aumentaba los costos de mano de obra y obligaba a las empresas a contratar personas con habilidades inferiores a las deseadas a costos más altos. Los salarios seguirán aumentando.

Finalmente, los fabricantes de otros países han estado invirtiendo. China, Japón y Corea lideran el mundo en robots instalados y tecnologías de fabricación avanzadas en muchos campos. Tienen una ventaja en tecnología que ahorra mano de obra que les da una ventaja competitiva sobre los competidores nacionales.

Todo esto ha hecho que la mejora continua sea más importante que nunca. Desafortunadamente, muchas iniciativas de mejora tienden a tener un rendimiento inferior. Encuestas recientes han revelado que centrarse en las mejoras tradicionales de la manufactura esbelta ha producido ganancias insignificantes en la productividad, solo del 1 al 2% en algunos casos, con un éxito marginal en el control del trabajo en proceso (WIP por sus siglas en inglés) y los tiempos de entrega. Sí, algunas empresas reconocidas logran mejoras de dos dígitos, pero la mayoría de las empresas luchan por lograr ganancias tangibles significativas.

Cuando la mano de obra era abundante y relativamente barata y la mayoría de los competidores fabricantes tenían tecnologías similares, un enfoque tradicional de manufactura esbelta tenía sentido. Tales operaciones tenían grandes grupos de oportunidades de mejora. Los pasos que no agregaban valor representaron más del 85% del tiempo de espera del proceso. Los costos por desperdicio incluyeron mano de obra, WIP, retrabajo, desechos y capacidad perdida. La reducción de los tiempos de configuración y la implementación de celdas de trabajo junto con 5S y el mantenimiento preventivo liberaron ganancias suficientes para permitir el crecimiento y algunas ganancias de productividad.

Históricamente, un enfoque de mejora gradual funcionó para la mayoría de las situaciones. Hoy en día muchas operaciones simplemente no tienen este tipo de tiempo. Esto no quiere decir que la manufactura esbelta no funcione. Todo lo contrario. De hecho, las disciplinas de manufactura esbelta forman la base del éxito de la mejora. Reducen el caos, minimizan los pasos y costos que no agregan valor y habilitan tecnologías avanzadas, incluida la automatización, para proporcionar el mejor retorno de la inversión. Muchas fábricas tienen islas de automatizaciones rodeadas por un océano de desechos, incluidas muchas inversiones utilizadas insuficientemente.

Los siguientes elementos fundamentales de manufactura esbelta son fundamentales para respaldar cualquier tecnología de fabricación avanzada:

• 5S. La organización del lugar de trabajo es clave desde el primer día.
• Instrucciones de trabajo visuales. Esto permite a los operadores adoptar la nueva tecnología más rápidamente.
• Entrenamiento cruzado. Asegurarse de que todos los operadores de todos los turnos sepan cómo utilizar correctamente el equipo.
• Reducción de configuración. Esto es fundamental para minimizar el tiempo y la capacidad perdidos en nuevas inversiones.
• Mantenimiento preventivo. Implementar las disciplinas para mantener adecuadamente las nuevas máquinas para asegurar una vida larga.

Fabricación inteligente

La automatización diseñada especialmente a menudo procesa productos de alto bajo volumen y baja mezcla, pero no toda la automatización es tan inflexible. Considere los cobots, dispositivos simples para recoger y colocar para que un operador puede entrenar rápidamente sin necesidad de programación.

FIGURA 1. Los pedidos de este gabinete de chapa común pueden tardar semanas en procesarse con técnicas tradicionales, pero solo horas con la tecnología adecuada, respaldada por la caja de herramientas de la manufactura esbelta.

Hoy en día, las máquinas llamadas "inteligentes" pueden compensar automáticamente las variaciones en las características del material e incorporar sofisticados sistemas de visión para seleccionar, colocar e inspeccionar características de forma rápida y precisa. Por ejemplo, un fabricante integró un sistema automatizado de carga y descarga de una celda de doblado de tubos. El problema era que la máquina dobladora de tubos no podía tener en cuenta la variabilidad del material y, debido a la naturaleza del proceso y otras circunstancias, reducir la variabilidad de los tubos simplemente no era una opción. Por eso, la empresa invirtió en un avanzado sistema de doblado CNC que se adaptaba automáticamente a la variabilidad del material.

Cómo la automatización se basa en la esbeltez

Imagine un taller de chapa metálica de la vieja escuela sin corte láser, ni siquiera una punzonadora de torreta CNC, solo una colección de cizallas, estaciones de punzonado de una sola estación y algunas prensas dobladoras envejecidas. Ahora considere el gabinete de metal fabricado común en la Figura 1. Con la tecnología de fabricación antigua, la pieza requiere siete pasos de fabricación separados con configuraciones separadas, manejo de material extenso, desechos de configuración y tiempos de entrega prolongados (consulte la Figura 2). Cada pedido de 100 piezas tarda 14 días en completarse.

Las mejoras lógicas de la esbeltez incluyen 5S, reducción de configuración y corrección de errores. Un enfoque agresivo acorta las configuraciones en un 75%, reduce significativamente los desechos de configuración y acorta los tiempos de entrega (consulte la Figura 3). El plazo de entrega se reduce a 13 días.

El siguiente paso involucra las celdas de trabajo. La creación de celdas de trabajo puede ser un desafío en los entornos de fabricación debido a las limitaciones de diseño, el costo de mover maquinaria y servicios públicos, y capacitar a los operadores para realizar múltiples tareas dentro de una celda. Y sí, el flujo de una sola pieza dentro de una celda puede no ser práctico debido a la combinación de productos, el contenido de mano de obra y los conjuntos de habilidades requeridos. Pero para la aplicación correcta, las celdas de trabajo en fabricación, especialmente las dedicadas a un determinado producto o familia de productos, pueden funcionar bastante bien.

Considere nuevamente el gabinete de metal en la Figura 1. En lugar de fluir a través de un proceso de siete pasos, podría fluir a través de solo tres celdas de trabajo. En la primera celda, un operador se ocupa tanto del corte plano como del punzonado, todo sin perder rendimiento. Las otras dos celdas de trabajo tienen la misma mano de obra y contenido que en el proceso anterior de siete pasos, pero están organizadas para que las piezas fluyan más rápido, lo que reduce el tiempo de espera y WIP (consulte la Figura 4). El plazo de entrega se reduce a 10 días.

En este punto, la tienda ha acortado el tiempo de entrega del gabinete en casi un 30% (de 14 a 10 días). Pero, ¿qué sucede si el taller invierte en una máquina de corte por láser que podría cortar la pieza en bruto, la apertura y todos los orificios piloto (consulte la Figura 5)? Desde el láser, el producto fluye a dos prensas dobladoras CNC, cada una de las cuales realiza dos operaciones de conformado. No es de extrañar que el tiempo de entrega se reduce a solo dos días, una reducción del 68%.

Yendo un paso más allá, digamos que el fabricante instala una celda de flexión robótica adyacente al láser. Ahora, el láser corta completamente el patrón plano y la prensa dobladora robótica completa todo el doblado gracias a los cambios automáticos de herramientas (ver Figura 6). El nivel de desechos cae en picada y el tiempo de espera vuelve a bajar otro 50%, a solo un día.

Conclusiones clave

Si compara cada escenario (consulte la Figura 7) algunos indicadores de desempeño resaltan. El tiempo de entrega se reduce entre un 80% y un 90%, lo que resulta en una reducción de WIP y activo circulante. El nivel de desechos se reduce en un 72%. La calidad y la repetibilidad también se mejoran, y la tecnología más nueva proporciona capacidades que los equipos más antiguos no tienen.

La flexibilidad también aumenta. Esto es particularmente importante ya que el tamaño de los lotes se reduce para satisfacer las necesidades únicas del cliente. De hecho, la flexibilidad en la automatización moderna a menudo no se aprecia del todo. Hace años, por ejemplo, una celda robótica de doblado habría requerido tamaños de lote mucho más grandes. Sin embargo, hoy en día, la simulación de doblado y los cambios automáticos de herramientas han hecho realidad el doblado automatizado de lotes pequeños e incluso basados en kits.

Tenga en cuenta el papel que juega la manufactura esbelta aquí. Puede observar los números y notar que la mejora inicial acortó el tiempo de entrega en solo un día, mientras que la automatización redujo el tiempo de entrega (y, por lo tanto, aumentó la capacidad) en un factor de 10. Entonces, ¿por qué no olvidarse de las 5S y otras herramientas ajustadas y simplemente invertir en la automatización?

FIGURA 2. Utilizando técnicas tradicionales, un taller de fabricación lleva un gabinete por siete pasos de fabricación separados.

Una vez más, la manufactura esbelta es la base. Si la operación no hubiera invertido en la esbeltez, la costosa automatización probablemente quedaría inactiva. Los operadores pueden tardar una eternidad en identificar y cargar material en el láser. La descarga de piezas del láser no se coordinaría, por lo que una prensa dobladora automática se quedaría inactiva. Las piezas formadas se descargarían y empujarían corriente abajo incluso si esas operaciones no tuvieran la capacidad para manejar el trabajo.

La manufactura esbelta proporciona la base que permite a un fabricante obtener ganancias de productividad verdaderamente masivas a través de la automatización. Sin embargo, a menudo los fabricantes dudan en hacer la inversión en automatización. Por ejemplo, muchos fabricantes con corte láser mantienen sus operaciones de formado manual. Después de todo, la naturaleza de alta mezcla de la operación no justifica la inversión, ¿verdad?

No necesariamente. Una vez más, la automatización moderna es flexible. Y si puede identificar familias de productos (que se describen más adelante), es posible que pueda mantener el flujo a través de la automatización y, en última instancia, beneficiarse de enormes ganancias en el rendimiento.

Para poner todo esto en perspectiva, las técnicas de esbeltez antes de la inversión en tecnología acortaron los plazos de entrega en cuatro días, una reducción del 28%. Agregar un láser redujo el tiempo de entrega en un 80% (de 10 días a dos). Una vez más, muchas tiendas fabulosas podrían detenerse allí, pero al hacerlo, se perderían otra reducción del 50% en el tiempo de entrega (dos días a uno) que la automatización del doblado podría proporcionar.

Por supuesto, el éxito no está garantizado. De hecho, invertir en la automatización incorrecta puede resultar extraordinariamente costoso. Para evitar esto, se requiere la estrategia correcta.

Evite las trampas de la automatización

Invertir en tecnología de fabricación avanzada puede ser un asunto arriesgado. Muchas empresas luchan con la selección de proyectos, cometen errores durante la implementación y dudan en invertir más. Algunas de las razones clave del fracaso del proyecto incluyen:

• Falta de una estrategia de automatización. Los fabricantes necesitan un plan coherente para implementar la automatización y lograr un impacto óptimo.
• Habilidades de automatización limitadas. Muchos pequeños y medianos fabricantes no cuentan con las habilidades técnicas en su personal para seleccionar los proyectos y el alcance, y administrarlos hasta su finalización con éxito. Los ingenieros jóvenes e inexpertos tienden a pasar por alto los riesgos, lo que resulta en retrasos o fallas en el proyecto.
• Gestión deficiente del alcance del proyecto. Los gerentes incluyen demasiadas partes en el alcance del proyecto, lo que puede hacer que un proyecto sea bastante difícil de implementar.
• Alta variabilidad del proceso. Los sistemas automatizados funcionan mejor con poca variación de parte a parte en las características clave.
• Poca o ninguna mitigación de riesgos. Todo proyecto tiene riesgos. Identificar y mitigar los riesgos a lo largo del proyecto es fundamental y, a menudo, se pasa por alto.

Para evitar estos errores, debe abordar los proyectos de una manera que optimice su impacto y minimice los riesgos.

Paso 1: Establecer metas y objetivos. Tener objetivos y metas de mejora claros. La motivación para la automatización debe estar clara en la mente de los propietarios, en todos los niveles de liderazgo de la planta y todos los colaboradores de producción y soporte.

Es posible que deba aumentar la productividad y reducir el contenido de mano de obra para grupos de productos específicos, mejorar la seguridad, ampliar la capacidad, mejorar la calidad o agregar una capacidad tecnológica. Su estrategia puede tener múltiples objetivos. Sin embargo, independientemente de cuántos objetivos tenga, asegúrese de que su estrategia de automatización esté firmemente arraigada en esos objetivos.

Paso 2: analizar productos y crear familias de productos. Las familias de productos o grupos de piezas o conjuntos deben compartir características físicas específicas y pasos de proceso. Prácticamente todos los talleres, incluso aquellos con cientos o miles de números de parte individuales tienen grupos de productos.

FIGURA 3. Las mejoras básicas que utilizan 5S, la reducción de la configuración y la prueba de errores reducen el tiempo de espera a 13 días.

Si no ha identificado familias de productos intente imprimir los dibujos de todas las partes activas y haga pilas de impresiones que compartan configuraciones similares. Esto suena muy de la vieja escuela, pero es una forma eficaz de identificar familias de productos. Asegúrese también de involucrar al personal clave de manufactura.

Paso 3: crear una matriz de proceso de producto. Cree una matriz de proceso de producto para cada familia de productos (consulte la Figura 8). Utilice las partes de mayor volumen para capturar los pasos de enrutamiento. Este es el mismo proceso que se utiliza para identificar las corrientes de valor mediante técnicas de manufactura esbelta.

Paso 4: identificar posibles oportunidades. ¡Ahora empieza la diversión! No existe una forma correcta de identificar posibles oportunidades. Puede enfocar su estrategia de automatización en un grupo de productos. Esto puede reducir los costos de mano de obra, mejorar la calidad y hacer que una operación sea competitiva a nivel mundial. Algunos fabricantes asiáticos de electrodomésticos han adoptado este enfoque y ahora obtienen altos márgenes que dominan el mercado de pequeños electrodomésticos de cocina.

También puede seleccionar solo una operación para automatizar. Este enfoque abarca varias familias de productos y presenta algunos desafíos, pero puede ser eficaz. Por ejemplo, las máquinas combinadas de punzonado y láser automatizan múltiples pasos de fabricación para muchas piezas y son muy flexibles.

Alternativamente, puede concentrarse en una operación problemática. Algunas operaciones manuales que requieren habilidades significativas, que son difíciles de realizar o que tienen altas tasas de desechos pueden ser objetivos principales para proyectos enfocados en automatización. Un ejemplo es el corte de agujeros en piezas abovedadas para recipientes a presión. El corte manual requiere una gran cantidad de arreglo, una configuración tediosa y mucha reparación de esmerilado, mientras que un robot simple, una fijación adecuada y un buen cortador de plasma pueden producir resultados de alta calidad de forma rápida y segura.

Paso 5: Evaluar soluciones alternativas. Revise el flujo de valor y la operación en detalle. Considere nuevamente el gabinete en la Figura 1. La solución final pasó a involucrar un láser y una prensa dobladora robótica con cambio automático de herramientas. Pero, ¿podrían hacerse algunas formas en una punzonadora CNC o en una máquina combinada de punzonado y láser? Y si es así, ¿cómo cambiaría eso la situación de formación? ¿Sería una celda de doblado robótica la más efectiva, o una dobladora independiente con cambio de herramienta automatizado ofrecería más flexibilidad, o quizás una dobladora de paneles automatizada o semiautomatizada? Póngase en contacto con varios proveedores de servicios y explore sus opciones. ¡No se enamore de una sola solución!

Paso 6: Integrarse a un ambiente esbelto. Finalmente, planee integrar la nueva tecnología con todo el flujo de valor. Incluya disciplinas clave desde el primer día para que sea un éxito y que garantice la sustentabilidad. Algunas consideraciones importantes incluyen:

• 5S. Organice y etiquete todas las herramientas, punzones, puntas de corte y accesorios junto con las herramientas de inspección. Cree un entorno esbelto con una lista de verificación de auditoría y programas.
• Establezca estándares de trabajo visual. Escriba instrucciones de trabajo claras y nítidas para configurar, operar y mantener los centros de trabajo.
• Adopte el mantenimiento preventivo. Capacite al personal de mantenimiento interno y cree un programa de mantenimiento regular.
• Actualice las corrientes de valor. La nueva automatización es ahora un centro de trabajo como todos los demás. Adáptelo a su marco de flujo de valor y vea dónde existen otras oportunidades.

El camino a seguir

La automatización llegó para quedarse. Las empresas exitosas adoptan las mejoras en el flujo, la consistencia del proceso, la simplificación del proceso y la seguridad que brindan estas inversiones.

La automatización no solo es compatible con la manufactura esbelta, sino que también es necesaria para competir en la economía moderna. Los fabricantes de otros países han demostrado cómo la automatización y las prácticas de esbeltez van de la mano. Es posible encontrar la sinergia con las habilidades, el enfoque y el compromiso adecuados.

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