AVANCES Investigación en Ingeniería 12 (2010) 69

ResumenEn el área de punzonado de la empresa Quest International S.A. se programa la producción empí-ricamente, por lo tanto se presentan muchos alistamientos y su tiempo acumulado es elevado. En consecuencia hay incumplimientos con las fechas pactadas con los clientes. Dadas las características de esta área, y de la empresa misma, se aplica tecnología de grupos y métodos de secuenciación para resolver el problema. La implementación se hace a través de una aplicación bajo macros en Microsoft Excel®. El algoritmo desarrollado permite seleccionar los programas de CAM en su formato original, de donde se extrae la información de las herramientas necesarias y, así, se consigue la matriz de incidencia. Se plantea la solución del problema bajo el modelo de Hgaw & Co y se resuelve con Solver. A continuación secuencia los grupos según el criterio del tiempo más corto de procesamiento. Al interior de cada grupo también se secuencia bajo tiempo de procesamiento más corto. Los resultados muestran que el tiempo de alistamiento se redujo, consiguiendo que el tiempo de entrega del área se redujera en un 33%.

Palabras claveTecnología de Grupos TG, disciplinas de secuenciación, Celdas de Manufactura Flexibles

AbstractThe schedule of punching area at Quest Internacional S.A. is made empirically, therefore many setups appear and its time are elevated; consequently there are problems with lead time. Because characteristic area and company, Group Technology and scheduling theory was applied to solve the problem. The implementation becomes through an application like macros in Microsoft Excel®. Al-gorithm allows selecting the CAM programs, where tooling information is extracted and incidence matrix is made. It uses Steck and Kim model is formulated and Solver is called to solve it. Schedule orders the groups by sort process time and the Programs sequence in each group is made according to sort process time. A pilot test was carried out to compare accumulated setup times before versus after group technology. The results show a reducing those indices in 33%.

Key WordsCellular Manufacturing, scheduling theory, Group Technology

IntroducciónLas características del mundo actual - la globalización, la apertura de mercados, la competencia mundial – imponen nuevos retos para la subsistencia y la creación de valor de

Optimización de los alistamientos en el área de punzonado de quest internacional s.A. Mediante tecnología

de grupos y disciplinas de secuenciaciónQuest International S.A.'s setup Punching optimization

by Gruop Technology and Schedule

John Nelson García 1 *

Ingeniero Industrial, Magíster en Ingeniería: Materiales y Procesos – Universidad Nacional de Colombia Universidad Libre, Grupo de Investigación: INTECOM PYMES, Proyecto de Investigación: Desarrollo de los procesos

de planeación y programación de la producción de la PYME en el sector manufactura en Bogotá D.C.

Fecha de recepción del artículo: 22/04/2010 Fecha de aceptación del artículo: 22/05/2010

AVANCES Investigación en Ingeniería 12 (2010) 70

cualquier empresa. Esos retos se reducen a tres factores claves: calidad, precios y adaptabilidad; es decir, responderle a un mercado diverso, variable y exigente en el menor tiempo posible al menor costo posible. Históricamente se evidencia que la industrialización de los sistemas productivos – la producción en masa – ha sido la solución a los dos primeros retos. La historia reciente invita a la flexibilización de los mismos para lograr adaptabilidad. La industria Colombiana – igualmente convocada a superar estos retos – rezagada en estos temas debe entender y conceptualizar la industrialización y la flexibilización para aplicarla consecuentemente a sus realidades y necesidades; de tal forma que sea competitivo en la arena global. La manufactura celular ha sido la forma como se ha logrado entender la flexibilización de la industrialización [1,2]. En ese sentido el estudio y aplicación de este tema es fundamental para la industria colombiana.

La base de este tipo de sistema productivo son las celdas de manufactura. Estás últimas están compuestas por [3]:

Un conjunto de maquinas, maquinas herramientas o estaciones de trabajo con cierto grado de flexibilidad, distribuidas de una forma especifica

Un sistema de manejo de material

Un almacén para el material de entrada, en proceso y de salida; igualmente relacionados a la distribución

Los trabajos (partes, productos) que se procesan – el material mismo

Uno o varios agentes que debe cumplir las siguientes funciones:

→Dirigir la ruta y la secuencia de los trabajos a través del sistema

→ Indicar el estado de todos los trabajos en proceso

→Dar las instrucciones para cada proceso en cada operación en cada estación de trabajo

→Asegurar que las herramientas necesarias estén disponibles

→Proveer de señales a problemas que requieran atención

→Monitorizar el desempeño de las operaciones

Cada uno de estos subsistemas tiene características específicas y constituyen un sistema en si mismos; los cuatro primeros se clasifican como el subsistema físico (hard) y el último como el subsistema de control [4] “mental” (soft).

En varios autores [5,6,7] se encontró una revisión de los modelos analíticos para estos sistemas de varias universidades. Iniciando advierten que un sistema de manufactura celular es extremadamente complejo, por lo tanto no es muy probable que un solo modelo pueda ser usado para describir su comportamiento completamente; en ese sentido exponen que se ha investigado tratando problemas particulares con respecto a cada subsistema. Frecuentemente para resolver problemas relacionados al ruteo y secuenciación de los trabajos se trabaja con disciplinas de asignación o heurísticas de asignación [8], teoría de líneas de espera, programación lineal en aras de minimizar el tiempo promedio que el material gasta en el sistema o minimizar el promedio de la tardanza de los trabajos respecto a su fecha de entrega. Los problemas relacionados con la distribución de las maquinas y las herramientas generalmente son atacados con flujo en redes o con tecnología de grupos. También se invoca a la simulación [9], a la inteligencia artificial [10] y las heurísticas para resolver y modelar los problemas relacionados a la manufactura celular. Este trabajo presenta una aplicación de tecnología de grupos para resolver un problema de distribución de herramientas y de secuenciación de trabajos en una celda de manufactura real en Quest International S.A.

La empresaQuest Internacional S.A. es una empresa dedicada a diseñar y fabricar productos metal mecánicos para telecomunicaciones. Entre estos se encuentran Gabinetes de piso y de pared, Bandejas, Organizadores de cables, Racks abiertos, Multitomas y, recientemente, UPSs. La figura 1 muestra una fotografía de algunos productos de la empresa.

AVANCES Investigación en Ingeniería 12 (2010) 71

Todos los productos siguen los mismos procesos de fabricación, salvo variaciones según la línea a la que pertenezcan y si llevan otros elementos adicionales. Se inicia con la materia prima que son láminas metálicas de ciertos tipos de material que son punzonadas para lograr las partes sin doblar. Estos se llevan a plegado donde se les da la forma, seguidamente se sueldan y se pulen algunas partes. Después son pintadas; posteriormente se ensam-blan, empacan y distribuyen. La figura 2 muestra el esquema de la secuencia por estos procesos.

El proceso inicia con un pedido de los clientes donde se especifica la referencia, la cantidad solic-itada y la fecha de entrega. Planeación, genera un programa de producción agregado que es enviado a CAD-CAM donde se programan las máquinas para fabricar esas partes. Las geometrías constitu-tivas de las partes son distribuidas en una lámina con el fin de minimizar el desperdicio de material, la figura 3 muestra un esquema de esto ; el pro-grama es cargado vía red interna a la máquina y se

origina un reporte con información a cerca de la dirección donde se encuentra el archivo, el nom-bre del mismo, la cantidad de láminas a procesar y un estimado del tiempo de procesamiento por cada uno; estas actividades son soportadas en el software de las máquinas: “Metalix®”.

El programa de CAM tienen toda información para procesar la lámina: el material a utilizar, el calibre, las herramientas, la posición de los sujeta-dores - “Garras” de aquí en adelante - la secuencia y recorrido de cada herramienta.

La secuenciación de esos Programas de CAM se hace empíricamente; aunque en principio se tienen “prioridades” que responden a los produc-tos con fecha de entrega más cercana. El proceso de punzonado se inicia alistando el material a utilizar, seguidamente el programa es llamado desde la dirección especificada y se carga a la máquina, esto permite visualizar que herramientas son necesarias, en que posición se prefiere que se monten y por cuales de las actualmente dispues-tas se deben cambiar. Una vez son cargadas las herramientas y el material esta listo se procede a punzonar hasta terminar con la carga programada. En ese punto un nuevo alistamiento de material y de herramental es efectuado y se repite todo el proceso. Al terminar las partes son dispuestas en sitios de almacenamiento temporal y son llevadas al siguiente proceso1.

Figura 3. Distribución de partes en lámina

Actualmente la empresa cuenta con cuatro máqui-nas punzonadoras Trumpf®, cada máquina tiene capacidad para montar al mismo tiempo 21 her-ramientas, en otras palabras tiene 21 posiciones

1 Sólo se describe el proceso para punzonado en virtud a que es el área de interés.

Figura 1. Algunas referencias de productos de Quest International

Figura 2. Ruta de Manufactura de Quest International S.A.

Planificación de

producciónCAD/CAM

Almacén de

Material

Punzonado

Plegado

Pintura

MRP

Ensamble

Materials PrimasCAM

Soldadura

Pulido

Empaque

Reports

AVANCES Investigación en Ingeniería 12 (2010) 72

(slot) para carga de herramental; dos de esos slots obligatoriamente deben estar ocupadas por los sujetadores del material, por las garras. Se cuenta con cerca de 70 tipos de herramientas que manejan 4 tolerancias distintas; hay herramientas redundantes, por lo tanto actualmente se cuenta casi con 130 herramientas. Por último, se procesan aproximadamente 450 productos lo que conlleva a 3000 partes que se traduce en alrededor de 3000 programas de CAM.

Planteamiento del problemaLa empresa tiene como objetivo reducir los tiempos de entrega un 50% del tiempo actual, por que el mercado así lo impone. Como se observó en la descripción de la empresa, en proceso que inicia la producción es el proceso de punzonado, en ese sentido mejorar los tiempos y los métodos de esta área afectarán a todas las demás y se espera que mejore el resultado final.

El proceso de punzonado consiste en perforar y conformar una chapa mediante herramientas de diversas geometrías soportado en una máquina de control numérico diseñada para eso; en ese orden el tiempo de procesamiento en esa área depende básicamente de 4 factores: la administración del material, la administración de los parámetros de la máquina, la administración del herramental y la administración de los programas de CAM. Dada la tecnología tanto dura como blanda soportada por la máquina no es crítica la optimización de

los parámetros de la máquina – el software tiene opciones para minimizar el recorrido del herra-mental al momento de punzonar y de minimizar el desperdicio –; el manejo de material se hace mediante MRP (Plan Maestro de Recursos) desde planeación de manera que tampoco es critico – salvo que se presenten incumplimientos por parte de los proveedores, evento que no es competencia de este proyecto.

Análisis y planteamiento de la soluciónComo la secuenciación de los programas de CAM se hace de manera empírica, la empresa estima que se tiene una cantidad de alistamientos alta y a su vez que su tiempo es elevado, en consecuencia la administración de los programas de CAM si es crítico para este proceso y susceptible de optimizar. Por otra parte, se evidencia que la empresa desconoce sus necesidades de herramental en medida que se han presentado paradas de máquina por falta del mismo, el manejo del herramental también es un factor crítico para este proceso. La administración de los programas de CAM y del herramental concurren en el alistamientos de las máquinas, por lo tanto el problema radica en minimizar la cantidad y el tiempo de alistamientos de maquina restringido a no perder los logros alcanzados para los otros dos factores.

El problema se divide en dos fases. La primera trata el problema de minimizar los alistamientos teniendo en cuenta los programas y las herramientas necesarias. La segunda fase pretende tomar lo anterior e incluir el problema de la secuenciación y de la carga de máquina. Para la primer fase se toma el modelo de Stecke & Kim por que se ajusta a las características de este caso; para la segunda fase se toma como disciplina de asignación Sort Process Time en medida que es la disciplina de trabajo que asegura minimizar el tiempo promedio de flujo [11].

Primera fase: minimizar los alistamientos

Sean:

Ni ,...,2,1= Número de programas de CAM

Cc ,...,2,1= Número de tipos de herramientasFigura. 4: Fotografía del tipo de maquina y de her-

ramental y sus características

AVANCES Investigación en Ingeniería 12 (2010) 73

t Capacidad del magazín de herramientas

=01

icb ; 1 Si el programa de CAM i requiere la herramienta c ; 0 en otro caso

cd Número de caseteras (slot) requeridos para mantener la herramienta c en el magazín de la máquina

=01

iz ; 1 Si el programa de CAM i es seleccionado en el grupo; 0 en otro caso

=01

cy ; 1 Si la herramienta c es cargada en la máquina; 0 en otro caso

Maximizar ( )∑ ∑N

i iC

c cic zdb

Sujeto a ∑ ≤C

c cc tyd

ciic yzb ≤ para todo ci,

10orzi = para todo i

10orcik = para todo k

Es decir maximizar la cantidad de programas de CAM en el grupo, la primera restricción indica que si un programa es seleccionado se debe asegurar que todas las herramientas están disponibles. Las otras restricciones indican que las variables son binarias.

Segunda fase

Paso 1. Generar una tabla donde se secuencia al interior de cada grupo bajo el tiempo de procesamiento más corto; hasta que todos los grupos tengan su secuencia optima interna.

Paso 2. Teniendo los resultados del paso 1 y tomando como tiempo de proceso por grupo, el Make Span de cada grupo, generar la secuencia de cada máquina bajo el tiempo de procesamiento más corto.

Porque Tecnología de Grupos (TG)Se invoca la tecnología de grupos por que, en general, Quest International S.A. tiene las características precisas para su aplicación. TG se aplica más a industrias que trabajan en pequeñas series (para trabajar con lotes grandes se prefiere la producción en masa) donde existe un gran

numero de referencias que tienen similitudes entre si o cuyas variaciones son leves, que posee tecnología dura con cierto grado de flexibilidad y que tiene (o que facilita la implementación de) un sistema de codificación.

La empresa trabaja bajo pedido por lo cual los lotes dependen de la cantidad solicitada por el cliente y la fecha de entrega de ese pedido, además la demanda extrañamente tienen algún comportamiento predecible por lo cual no se maneja inventario de soporte (stock); esto se traduce para el proceso de punzonado como lotes variables en tamaño de diversas partes que deben ser transformadas en el menor tiempo posible. Como ya se menciono la empresa tiene alrededor de 450 productos que se clasifican en 7 líneas; las variaciones al interior de cada línea respectan a tamaños distintos del mismo diseño, a modulaciones del mismo diseño (por ejemplo una caja que solo se puede abrir por arriba y otra que se puede abrir por arriba y por un lado) o al mismo diseño pero con alguna parte que se diferencia (por ejemplo que la tapa tenga un cuadrado y otra que tenga un circulo); entre cada línea de productos si hay grandes diferencias geométricas pero los materiales son muy similares, lo que para el proceso significa que las herramientas y las tolerancias manejadas también son muy similares. Todos los productos tienen un código de 6 dígitos que combina caracteres alfanuméricos donde los dos primeros son letras correspondientes a las iniciales de la línea y los dos siguientes relacionados a la sublínea y los últimos, al producto específico; las partes siguen la misma concepción. Por ultimo la tecnología de la empresa se presta para aprovechar toda su capacidad y versatilidad queriendo usufructuar la flexibilidad de la misma. Además de lo anteriormente expuesto sobre la empresa, la máquina también tiene un sistema de codificación de los programas y de las herramientas que facilita la implementación de TG.

Porque Tiempo de Procesamiento más Corto (SPT)

La disciplina de asignación o secuenciación denominada Tiempo de Procesamiento más corto (Shortest Processing Time) asegura el mínimo

AVANCES Investigación en Ingeniería 12 (2010) 74

tiempo de flujo promedio que en la empresa se traduce como la forma más rápida de liberar la máquina para continuar con otro pedido. Es decir, es la forma más eficiente para que los trabajos se evacuen.

Metodología e implementación

La implementación de la solución inicia por un diagnóstico para evidenciar y tener medidas sobre la situación actual del problema, en ese sentido se genera un formato de toma de tiempos para los alistamientos que es distribuido y explicado entre los operadores de las máquinas teniendo el soporte del área de Ingeniería de planta para su validación.

Se genera una aplicación computacional permite abrir el programa de CAM (aprovechando que este es un archivo plano transformable al formato de Microsoft Excel®) donde se obtiene la información de las partes-herramientas genera la matriz de incidencia (matriz que contiene como encabezados de las partes y las herramientas y en su interior un 1 si la parte utiliza esa herramienta y un 0 en otro caso). En la primer fase se plantea el modelo de Kim & Stecke y se resuelve iterativamente mediante Solver hasta que no quedan programas para agrupar. Para la segunda fase llama a otra macro que ordena cada grupo según tiempo de procesamiento más corto y luego hace lo mismo para secuenciar los grupos. La Figura 5 presenta una serie de imágenes del aplicativo.

Los grupos generados son distribuidos a cada máquina según la tolerancia necesaria para las herramientas y se secuencian mediante SPT como se muestra a continuación:

Primero se genera una tabla resumen con los gru-pos, los programas pertenecientes y el tiempo de procesamiento de cada uno.

Tabla 1. Ejemplo de Grupos y Programas pertenecientes para secuenciar

Nombre del Programa y Grupo

Tiempo de Procesamiento (Min)

Grupo AGP1-7201-22-59-06-16 126:27BV1-5066-20 89:26BF1-5205-06-15 118:30BA1-5104(12)-16 135:20

Grupo BGR7841(1)7888(1)7889(2) -12 62:36

Grupo CGB1-7214-20 202:32BD1-5151b(20)-10 179:57

El siguiente paso es hacer la secuenciación ordenando de cada programa de menor a mayo tiempo de procesamiento.

Tabla 2. Secuenciación al interior de los grupos según SPT

Nombre del Programa y Grupo Tp (Min) Secuencia

Grupo AGP1-7201-22-59-06-16 126:27 3BV1-5066-20 89:26 1BF1-5205-06-15 118:30 2BA1-5104(12)-16 135:20 4

Total 469:44Grupo BGR7841(1)7888(1)7889(2) -12 62:36 1

Total 62:36Grupo CGB1-7214-20 202:32 2BD1-5151b(20)-10 179:57 1

Total 382:30

Finalmente se tiene la secuencia de los grupos y al interior de los mismos.

Figura 5. Imágenes de aplicativo generado

Herramientas

Programasde CAM

Variablesdel Modelo

Restriccionesdel Modelo

Matriz deIncidencia

Solver resolviendoel Modelo

Figura 5. Imágenes de aplicativo generado

AVANCES Investigación en Ingeniería 12 (2010) 75

Tabla 3. Secuenciación de los grupos según SPT

Nombre del Programa y Grupo Tp (Min) SecuenciaGrupo B 1GR7841(1)7888(1)7889(2) -12 62:36 1.1

Total 62:36Grupo C 2BD1-5151b(20)-10 179:57 2.1GB1-7214-20 202:32 2.2

Total 382:30Grupo A 3BV1-5066-20 89:26 3.1BF1-5205-06-15 118:30 3.2GP1-7201-22-59-06-16 126:27 3.3BA1-5104(12)-16 135:20 3.4

Total 469:44

Con la aplicación en funcionamiento, se hacen pruebas de escritorio junto a los programadores de CAM para su validación. Se analizan datos bajo tres estados: Cuando no hay se aplicaba la aplicación, cuando la aplicación estaba en desarrollo y cuando la aplicación esta terminada. Es un diseño de experimentos a un factor bajo tres niveles.

ResultadosEl tiempo de respuesta del área se mejoró cerca de un 30%. La implementación de esta aplicación computacional permite resolver el problema de alistamiento en el área de punzonado de una forma excepcional en medida que permite seleccionar cualquier archivo de CAM, sigue la dinámica de la empresa de trabajar bajo pedido, procesa matrices de incidencia de aproximadamente 20 filas por 200 columnas y es flexible a esos requerimientos; es decir, procesa entre 1 y 50 programas de CAM sin cambiar ningún parámetro del código de programación; si se requiere que sean más de 20 filas (más programas de CAM) o más de 200 columnas (más herramientas) el programa funcionará sin inconvenientes. También, almacena un historial de los reportes de forma que se puede hacer seguimiento semanal y mensual del área, genera mejoras en los procedimientos administrativos de programación y de descargue de material del inventario.

La tabla ANOVA es presentada a continuación. Se hizo un experimento completamente aleatorio donde la variable dependiente era el tiempo

consumido en alistamientos durante 15 días y la variable independiente era el nivel de información suministrada por tecnología de grupos, factor que tenía 3 niveles definidos. Los resultados muestran que no hay información estadística, a un nivel de confiabilidad del 95%, para rechazar la hipótesis nula: que el nivel de información suministrada por tecnología de grupos afecta el tiempo consumido en alistamientos.

Tabla 4. Anova para la implementación de Tecnología de Grupos en Quest International S.A.

Origen de las

variaciones

Suma de cuadrados

Grados de

libertad

Promedio de los

cuadradosF

Valor crítico para F

Entre grupos 17685,59 2 8842,79 7,49 2,3149

Dentro de los grupos 507545,15 430 1180,33

Total 525230,74 432

Histogramas de los 3 niveles de información son mostrados en la figura exponen que la frecuencia de tiempo de alistamientos largos fue decreciendo con la implementación de tecnología de grupos, mientras al mismo tiempo la frecuencia de alistamientos cortos fue creciendo; eso demuestra que los alistamientos se hacen ahora de una manera pensada y ordenada con lo cuál se ahorra tiempo de producción.

Histogram for setup time in february 2007

0%

10%

20%

30%

40%

0-10 11-20 21-30 31-40 41-50 51-60 61 and more

Range of setup time (min)

Histogram for setup time in June 2007

0%

10%

20%

30%

40%

0-10 11-20 21-30 31-40 41-50 51-60 61 and moreRange of setup time (min)

Histogram for setup time in November 2007

0%

10%

20%

30%

40%

0-10 11-20 21-30 31-40 41-50 51-60 61 and moreRange fo setup time (min)

Rel

ativ

e fr

ecuen

cyR

elat

ive

frec

uen

cyR

elat

ive

frec

uen

cy

Figura 6. (Izq) Histograma para el primer nivel. (Cen) Histograma para el segundo nivel. (Der)

Histograma para el tercer nivel

AVANCES Investigación en Ingeniería 12 (2010) 76

ConclusionesCon el desarrollo del presente proyecto se constató que el nivel de información sistematizada mediante tecnología de grupos y disciplinas de secuenciación afecta el tiempo de alistamiento del área de punzonado de Quest International S.A. El desarrollo del proyecto logró una reducción en los tiempos de entrega del área de punzonado de Quest International S.A. del orden de 30%.

El reporte de desperdicio generado impulso la creación de un informe mensual que sirve como base de la política salarial para los programadores. Se logró un control digital sobre el trabajo de CAM que no requiere la captura humana sino que se realiza automáticamente. El análisis de la utilización del tiempo contribuyó a que el área de ingeniería planteara indicadores en punzonado y en otras áreas.

Durante el análisis del problema y de la solución se intentó la aplicación y la evaluación cualitativa y, en ocasiones, cuantitativa de varios métodos de modelamiento y/o resolución del problema de máquinas-herramientas y secuenciación, esto diversifico el conociendo experimental sobre esos métodos evidenciando las dificultades y bondades de su implementación en una empresa real.

Referencias(1) Colciencias. Plan Estratégico del Programa Nacional de Desarrollo Tecnológico Industrial y Calidad, 2000–2010. Bogotá, Colombia diciembre de 2000.

(2) Cordoba, E. “Manufactura y automatización”. Revista ingeniería e investigación. Vol 26, No 3, universidad Nacional de Colombia, diciembre de 2006.(3) Singh, N. Systems approach to computer-integrated design and manufacturing. USA, CRC Press LLC, 1996. pág. 536(4) Luggen, W. Flexible Manufacturing Cells and Systems. 2002. Pág. (5) Buzacott, J. and YAO, D.; “Flexible manufacturing systems: a review of analytical models”. Management science: Vol. 32, No 7, 1986, Pag 594 – 614. (6) Subba, S. Gunasekaran, A. Goyal, S.K. Martikainen, T. “Waiting line model applications in manufacturing”. International journal of production economics Vol 54. 1998. pp 1 – 28. (7) Selim, H; Askin, R. and Vakharia, A. “cell formation in group technology: review, evaluation and directions for future research”. Computers ind. Engng Vol 34 No 1. 1998, pp 3-20 (8) Namhias, S. Análisis de la producción y las operaciones. Compañía Editorial Continental. México, 2005.(9) Mclean, C. and Leong, S. “The expanding role of simulation in future manufacturing”. Proceedings of the 2001 winter simulation conference. (10) Onwubolu, G.C. and Mutingi, m. “A genetic algorithm approach to cellular manufacturing systems”. Computers& industrial engineering 39, 2001. Pág. 125 – 144.