Contexto
Dentro del proceso de desarrollo de los sistemas de manufactura discreta, la etapa de diseño conceptual es particularmente importante, porque lo que resulte de esta etapa tiene repercusiones en todas las etapas de desarrollo posteriores.
Por ejemplo, un sistema de ensamble automotriz que es desarrollado bajo el requerimiento de producir sólo un tipo de vehículo, pero resulta que la demanda esperada del producto disminuye, obligando al fabricante de automóviles a considerar otro nuevo producto, es casi imposible que estos ajustes de producción puedan ser realizados en el sistema de producción original si desde el diseño del sistema de ensamble no se consideró dotarle con la propiedades que permitan la adaptación del sistema a estos cambios en el mercado. Lo anterior tiene consecuencias de muy alto costo, ya que impacta en pérdidas por tener equipos de producción subutilizados como consecuencia de las bajas en ventas del producto.
La realidad industrial actual muestra a la etapa del diseño como una actividad realizada de forma heurística; es decir, basada en la experiencia, y con un enfoque principalmente orientado a conseguir las metas funcionales de corto plazo, sin tomar en cuenta las propiedades que el sistema va a requerir para el largo plazo. Esto, lo anterior es la causa de que muchos de los sistemas de producción industriales queden obsoletos en un corto tiempo, reduciendo su ciclo de vida y en consecuencia impactando los costos de producción negativamente.
Para dar respuesta a la necesidad anterior se propone el uso del método de diseño axiomático básico, teniendo como objetivo el proveer un método científico que permita generar alternativas de diseño que posteriormente puedan ser evaluadas para seleccionar aquel diseño que mejor cumpla con los requerimientos del cliente/mercado.Explicación
3.1 Diseño heurístico
En la actualidad, no existe un método general aceptado para el diseño de los sistemas de manufactura, debido a la complejidad sociotécnica. Sólo se tiene en cuenta que las necesidades del cliente referente al producto o estrategias de producción tienen una influencia directa en el diseño; sin embargo, no hay un procedimiento que guie el proceso del diseño de un sistema de manufactura.
El método heurístico reconoce tres dimensiones que influyen en la capacidad y diseño del sistema de manufactura:
Dentro de las herramientas heurísticas existentes para guiar el diseño de los sistemas de manufactura están los gráficos en dos dimensiones que relacionan la variedad del producto con el volumen de producción, asociándoles un tipo de layout recomendable para cada una de las combinaciones (figura 1).
Figura 1. Grafico que relaciona la variedad del producto con el volumen de producción y el layout
Mikell P. Groover (2007). Automation, Production Systems, and Computer-Integrated Manufacturing (3rd Ed.). USA: Prentice Hall.
Sin embargo, estos gráficos presentan algunas restricciones:
Estos gráficos pueden ser considerados como apoyo para guiar el proceso de diseño, pero será necesario recurrir a herramientas con mayor soporte científico y con capacidad de poder manipular la complejidad asociada con el diseño de los sistemas de manufactura, una de estas herramientas es el diseño axiomático.
3.2 Diseño axiomático
Diseño Axiomático (AD) —propuesto por Suh en 1978— se desarrolló para apoyar a los diseñadores con una herramienta para estructurar su proceso de pensamiento en la fase de diseño conceptual. El objetivo principal del AD es establecer un marco científico para la tarea de diseño que proporcione al diseñador los fundamentos teóricos basados en el proceso de pensamiento lógico y racional.
La creencia de fondo en el diseño axiomático es que hay axiomas fundamentales que rigen el diseño, originalmente varios axiomas fueron propuestos por Suh, pero posteriormente los axiomas redundantes fueron eliminados o integrados, finalmente los 2 axiomas fundamentales siguen siendo de la siguiente manera:
Un axioma es una premisa que, por considerarse evidente, se acepta sin demostración, como punto de partida para demostrar otras fórmulas.
Axioma 1. El axioma de la Independencia |
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Mantener la independencia de los requisitos funcionales (FR´s) del sistema de manufactura, que significa que las decisiones de diseño se deben hacer sin romper la independencia de cada requisito funcional con respecto a otro requisito funcional. |
Axioma 2. El axioma de información |
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Se dicta para minimizar el contenido de información del diseño, diseño axiomático define el contenido de información como el logaritmo inverso de la probabilidad de éxito para satisfacer los requerimientos funcionales del sistema de manufactura. El número de (FR´s) debe reducirse al mínimo y ser suficiente para caracterizar el diseño. |
Diseño axiomático ve el mundo del diseño como un conjunto de cuatro dominios:
→ Dominio del cliente (atributos cliente CA´s)
→ Dominio funcional (requisitos funcionales FR´s)
→ Dominio físico (DP´s)
→ Dominio de proceso (PV´s)
La figura 2 ilustra estos cuatro dominios. El dominio en la izquierda con relación al dominio de la derecha representa los objetivos a alcanzar, y el dominio de la derecha indica el camino para lograr los objetivos.
Figura 2. Los Diferentes dominio en el diseño axiomático
Nam P. Suh (1998) Axiomatic design theory for systems. Springer-Verlag.
AD propone que para un buen diseño hay que aplicar las dos reglas para que rijan el proceso de mapeo, el primero es seguir los dos axiomas de diseño durante el proceso de mapeo y la segunda es hacer zigzagueantes cruzados durante el proceso de descomposición de mayor a menor nivel; la zigzagueante se produce entre los dominios durante el proceso de diseño.
Matemáticamente, la relación entre las FR´s y DP´s se describen por la matriz de diseño [DM] como:
{FR} = [DM] {DP}
Donde:
{FR} es el vector de los requerimientos funcionales
{DP} es el vector de los parámetros de diseño
[DM] es la matriz de diseño que caracteriza el diseño, los elementos de la matriz de diseño muestran los efectos de los cambios de los DP´s en losFR´s
Las diferentes configuraciones de la matriz de diseño presentan las diferentes alternativas del diseño listadas a continuación:
Haz clic en cada elemento para ver su descripción.
Las X's de la matriz de diseño indican la presencia de una relación entre la FR y la DP correspondiente; mientras que el O's significa que no hay relación entre ellos. En la DM, X's están siempre presentes a lo largo de los elementos de la diagonal, ya que cada DP se selecciona para satisfacer su FR correspondiente (figura 3).
Figura 3. Representación matemática de un diseño desacoplado
"Cuando está en la parte baja fuera de la diagonal X, muestra que DP1 afecta no sólo FR1, sino también FR2; sin embargo, FR1 y FR2 se pueden satisfacer de forma independiente desde que DP2 afecta a FR2 solamente. En otras palabras, DP1 se puede determinar primero y luego DP2 se puede ajustar para satisfacer FR2 (Figura 4).
Figura 4 Representación matemática de un diseño parcialmente acoplado
Si la parte superior fuera de la diagonal del diseño es X, el diseño se convierte acoplado, por lo tanto FR1 y FR2 no pueden ser independientemente satisfechas mediante el ajuste de DP1 y DP2. Se puede sólo optimizar mediante el ajuste de DP1 y DP2 con un método de ensayo y error (Figura 5). Para el caso anterior, la matriz de diseño indica que el primer axioma de diseño es violado. Para mantener el axioma de independencia, la matriz de diseño debe ser diagonal (desacoplado) o triangular (parcialmente acoplado).
Diseño axiomático será el método empleado en este curso para la generación de los diseños conceptuales de los sistemas de manufactura, y su comprensión y dominio estará soportado con el desarrollo de ejercicios y actividades complementarias.
Figura 5. Representación matemática de un diseño acoplado
3.3 Tipos de layout
El agente asociado a la organización física, el esqueleto o a la forma adoptada por el sistema de manufactura para cumplir con sus funciones y objetivos de producción específicas.
Por tanto, la funciones del layout son las mismas que las que se pretende conseguir con el sistema de manufactura, en otras palabras se busca tener un sistema de manufactura flexible o un sistema de manufactura esbelto, se tiene que desarrollar un layout que permita conseguir estos objetivos de producción.
Entender la función del layout en los sistemas de manufactura resulta más fácil de explicar a partir de la influencia que el layout tiene en las propiedades del sistema de manufactura, a continuación se enlistan las principales propiedades o variables de influencia del layout en los sistemas de ensamble:
Proponer un diseño de layout exige una visión holística y al mismo tiempo creativa porque es uno de los agentes más importantes, pero al mismo tiempo más abstractos del sistema de manufactura, a continuación se muestra una propuesta para clasificar los diferentes tipos de layout, sin embargo es tan solo una referencia para el ingeniero de diseño, ya que existen muchas más alternativas que podrían ser propuestas para cualquier requerimiento de producción específico:
Haz clic para revisar el detalle
3.4 Criterios de selección del layout de producción
El layout es muy importante para el diseño y operación de un sistema de manufactura, un buen diseño de layout es una ventaja competitiva por facilitar el flujo de material e información, mejorar las condiciones de trabajo de las personas, mejorar el desempeño de un producto ensamblado y el desempeño de los procesos de ensamble.
A continuación se formula algunos principios o criterios que nos permiten evaluar un layout de forma cualitativa y que hay que tener en cuenta al momento de desarrollar o seleccionar un diseño de layout:
Puedes observar que la figura 7 compara diferentes alternativas de layout con sus ventajas y desventajas de manera cualitativa.
Figura 7. Criterios cualitativos para el diseño de layout
Fuente: Chase, R., Jacobs, F. y Aquilano, N. (2011). Administración de operaciones. Producción y cadena de suministros (13a ed.). EE.UU.: McGraw Hill/Irwin.
Existen otras dimensiones o criterios que nos permiten evaluar diferentes alternativas de layout de forma cualitativa y que a continuación se enlistan:
Puedes observar que la figura 8 compara diferentes alternativas de layout con sus ventajas y desventajas de manera cuantitativa (localización de áreas de trabajo que permita distancias recorridas óptimas que aseguran costos de manejo mínimos).
Figura 8. Tabla con cantidad de movimiento del material/producto entre los diferentes departamentos de una fábrica de juguetes de bajo volumen, incluyendo layout propuesto para reducir costos por manejo
Fuente: Chase, R., Jacobs, F. y Aquilano, N. (2011). Administración de operaciones. Producción y cadena de suministros (13a ed.). EE.UU.: McGraw Hill/Irwin.
Cierre
¿Sabías que un sistema de ensamble para la fabricación de estructuras automotrices tiene un tiempo de desarrollo promedio de 12 a 24 meses? Estos tiempos están continuamente optimizándose para poder conseguir lanzamientos de nuevos productos en periodos de tiempo más cortos; una vez en producción, un sistema de ensamble tiene una vida promedio de 5 a 7 años, que es regularmente la vida de producción de un vehículo automotriz. Con la nueva tendencia de desarrollar procesos flexibles capaces de evolucionar con el desarrollo de un producto se pretende extender la vida de estos sistemas a un tiempo mayor a los 7 años.
En resumen un buen diseño de sistemas de manufactura y el mejor layout facilita el proceso y aseguran la alineación de los requerimientos del cliente con las funciones del sistema así como con sus elementos físicos y no físicos.
Revisa a continuación el Checkpoint:
Asegúrate de comprender:
Referencias