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.

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:

1. Tamaño físico: el peso y materiales del producto y sus modelos o variantes.
2. Capacidad de procesamiento tecnológico: el conjunto de procesos disponibles para la producción.
3. Capacidad de producción (capacidad de la planta): la producción máxima o cantidad que se puede hacer en un momento dado, en el supuesto de condiciones operativas.

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:

• Existen muchos de estos gráficos en la literatura.
• Usan sólo 2 factores (2 dimensiones), cuando en realidad podrían existir al menos 10 (la realidad es más compleja).
• Existen traslapes que son confusos.
• Las fronteras son difusas.

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:

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.

3.3 Tipos de layout

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:

• Los requerimientos de espacio, el layout está asociado con la propuesta de configuración o arreglo físico de los agentes del sistema de manufactura (productos, tecnologías de proceso, tecnologías de herramental, automatización, entre otros), por ello el área requerida dependerá del tipo de configuración de layout propuesto, algunas veces el layout tiene que ajustarse a los espacios existentes en las plantas de producción.
• El grado de flexibilidad, la definición del layout define si un sistema es capaz de producir un alto volumen con poca variedad de productos o gran variedad de productos con lotes moderados de producción.
• Qué tan esbelto es el sistema, el layout tiene un impacto directo en aspectos como las distancias de recorrido o los porcentajes de utilización de los equipos de producción, al igual que en el tamaño de los inventarios (de componentes, de producto en proceso y de producto terminado).
• La robustez del sistema para reaccionar de manera ágil a variaciones en los volúmenes de producción, es decir, la facilidad para escalarse en caso de un incremento de volumen o de reducir la capacidad de producción a caídas de volumen, lo anterior sin afectar a la rentabilidad del sistema de producción.
• La modularidad del sistema que tiene impacto en la flexibilidad de configuración del sistema para diferentes mercados o localidades de producción, en este aspecto el layout permite aspirar a un diseño de producción global con variantes que se ajustan de acuerdo a la localidad de producción, como puede ser ajustar el nivel de automatización con base en los costos de mano de obra de cada localidad global.
• La robustez del sistema para reaccionar a imprevistos o emergencias como paros de línea por falla en las tecnologías de proceso, en este caso el diseño de layout con múltiples líneas de bajo volumen puede resultar en un desempeño más robusto que una sola línea de alto volumen, sin embargo hay que tener en cuenta los indicadores económicos en todo momento.
• La calidad de trabajo para las personas que operan el sistema de producción, aquí se encuentran aspectos como distancias diarias recorridas por el operario, el nivel ergonómico, el nivel de seguridad (alturas de trabajo, máximo peso a manipular, confinación de humos, rayos peligrosos o nocivos, protección contra coaliciones o impactos, entre otros), también influye en el nivel de habilidades requeridas, por ejemplo la especialización o el conocimiento de múltiples procesos o tareas.
• En los niveles de consumo energético, aunque el consumo energético está directamente asociado a los consumos de las tecnologías de manufactura para realizar una tarea en particular, la influencia del layout influye más bien en la cantidad de estaciones y equipos óptimos requeridos para cumplir los niveles de producción requeridos, desde esta perspectiva un mal diseño de layout es poco eficiente desde el punto de vista energético.
• La evolución del sistema, en este aspecto el diseño del layout permite que el sistema de producción tenga o no la capacidad de adaptarse a los cambios o evolución tanto del mercado como de los productos, este es un aspecto importante para el desempeño el del horizonte de largo plazo del ciclo de vida del sistema.
• La secuencia de ensamble del producto, una u otra secuencia de ensamble permite diferentes alternativas de layout, lo cual repercute tanto en el desempeño del producto ensamblado (dimensional o de calidad) como en el desempeño del proceso mismo (eficiencia, tiempo total de proceso, control del proceso, entre otros).

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:

1. Flujos de línea rectos o con formas adaptadas (tipo U), esta condición favorece el flujo de material y resulta en una mejor identificación de los cuellos de botella, mayor posibilidad para compartir tareas o estaciones de trabajo entre operarios.


2. Evitar flujos de retorno, esta condición reduce complejidad en el manejo de materiales y permite mejorar la detección de estaciones problema.


3. Tiempo de producción predecible, en este aspecto es importante combinar estaciones manuales con tareas automáticas que permitan mantener el ritmo de producción predecible y estable, que por diseño no se tenga variabilidad en el tiempo de ciclo de la línea de ensamble, para esto es importante observar el cumplimiento del tiempo de ciclo para cada una de las estaciones de la línea de ensamble.


4. Evitar o reducir al mínimo la cantidad de producto en proceso entre estaciones de la línea de ensamble, esto además de reducir los costos por inventario le da agilidad al sistema al reducir el tiempo total de proceso.


5. Diseñar con estaciones de trabajo de fácil visualización para las personas, esto tanto por seguridad como por permitir la fácil identificación de oportunidades de mejora o problemas.


6. Implementar acciones de mejora para resolver los problemas cuellos de botella que se definen como las estaciones más lentas o con más frecuencia de paro.


7. Mantener las estaciones de trabajo lo más cercano posible, tanto por reducir las distancias de manejo o traslado como por ahorro de espacio y costos asociados por servicios y construcción de naves de producción, además que facilita la flexibilidad de asignar un operario a múltiples estaciones en caso de bajas de volumen.


8. Orden en el almacenamiento y manejo de material, en este aspecto es importante la trazabilidad del producto para identificar de forma fácil y rápida los lotes de producto sospechoso en caso de un problema de calidad.


9. Evitar el sobre manejo innecesario de los componentes y productos, esto es puramente desperdicio y sobrecosto.


10. Fácil de ajustarse a los cambios de condiciones en los mercados y productos, que el layout pueda reconfigurarse a nuevos productos o a variaciones en la demanda de producción.


11. Maximizar el porcentaje de valor agregado a través de un diseño esbelto que permita la alta utilización de los activos, algunas recomendaciones son: utilizar dispositivos de indexado para realizar trabajos de proceso y de carga/descarga de material de forma simultanea para evitar que los trabajos que no agregan valor sean parte del tiempo de ciclo, aumentar la cantidad de proceso realizado por estación de trabajo a través de incrementar la velocidad de proceso o la densidad de robots, esto para reducir al mínimo la cantidad de estaciones por línea de ensamble y los requerimientos de área de producción.


12. Diseñar con procesos más rápidos en las estaciones de inicio de la línea de ensamble como en los subensambles para con esto evitar cuellos de botella en línea de ensamble principal.

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:

1. Área requerida en m2, esto es básicamente el área ocupada por la línea de ensamble incluyendo estaciones de trabajo, almacenes y pasillos.
2. Cantidad de gente requerida para operar básicamente la cantidad de operarios directos requeridos para operar la línea de ensamble.
3. Cantidad de robots o equipos de automatización requeridos incluyendo tareas de proceso, de manejo y de indexado.
4. Cantidad de herramentales de ensamble requeridos.
5. Cantidad de estaciones de trabajo requeridas, esto tiene que ver con la cantidad de pasos requeridos para completar un producto en la línea de ensamble.
6. La distancia y tiempo de recorrido del producto desde la primera estación de ensamble hasta la última estación del ensamble final.

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.

¿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: