Los estudios de viabilidad de fabricación afectan los costes operativos a largo plazo

La fabricación rentable comienza por un buen plan

Jacek Kalemba15/06/2004
Llevar productos al mercado con la mayor rapidez posible –y al menor coste posible por pieza– es vital para mantener la competitividad. Sin embargo, hay muchos factores en el ciclo de desarrollo que se deben tener en cuenta, entre ellos el diseño del producto, el utillaje, la calidad y coherencia del proceso, el tiempo del ciclo, la automatización y, por último, los requisitos de capital. Dado el número de variables que intervienen, un estudio completo de viabilidad de fabricación es esencial a la hora de determinar la mejor línea de acción. En este artículo se esboza y describe un enfoque sistemático para la fabricación rentable.
A menudo se pasan por alto la planificación previa y el análisis exhaustivo de procesos debido a la necesidad de sacar un producto rápidamente al mercado. No obstante, esta parte del ciclo de producción puede tener el mayor impacto sobre los costes de producción y el éxito global del proyecto (véase la fig. 1). Parafraseando el refrán, “un dólar gastado en planificación puede ahorrar miles de dólares si hacen falta cambios en la producción”.
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Figura 1. Fases de desarrollo de producto e impacto sobre costes operativos a largo plazo.
Los estudios de viabilidad de fabricación constituyen un medio eficaz para abordar todas las variables, desde la crítica del diseño de piezas para moldeabilidad y la configuración eficaz de moldes hasta la manipulación de productos y la automatización. Se trata de una forma económica de identificar la viabilidad comercial y técnica del proyecto antes de invertir millones en maquinaria.

Un estudio de viabilidad de fabricación típico incluye una completa revisión del proceso de producción, que comprende:

  • Revisión de diseño de piezas para moldeabilidad, transferencia de piezas y oportunidades de ahorro de resina.
  • Opciones de diseño del utillaje para mejorar funciones y reducir costes, tiempos de proceso y mantenimiento.
  • Análisis de flujo para optimizar los puntos de inyección, la fuerza de cierre y el tiempo de enfriamiento.
  • Cálculos de tiempo de ciclo y configuraciones de células de trabajo.
  • Análisis del número de cavidades y capacidades que tomen en consideración el crecimiento del proyecto y los cambios de producto.
  • Desarrollo de conceptos de manipulación de producto y automatización.
  • Análisis de sensibilidad económica.

Un estudio típico de viabilidad de fabricación

El proceso de evaluación es un ciclo de bucle cerrado que analiza diversos pasos o bloques constructivos diferenciados e importantes (véase la fig. 2). Cada bloque debe considerar diversas opciones diferentes que juntas dan lugar a la solución preferida.
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Figura 2. Los “bloques constructivos” de un estudio de viabilidad de fabricación.
Paso 1. Evaluación del producto
  • La evaluación de piezas plantea cuestiones relacionadas con las oportunidades de ahorro de resina, las simplificaciones en el utillaje, la colocación óptima de puntos de inyección para mejorar el llenado y la reducción de la fuerza de cierre. La incorporación de guías del flujo o el rebaje de paredes no críticas puede tener un gran impacto sobre el proceso de producción, los tiempos de ciclo y el peso de las piezas. El tipo de punto/boquilla de inyección afecta la eficiencia global de moldeo. El análisis preliminar de caudales en esta etapa ayudará a calcular los parámetros clave de moldeo.

Paso 2. Evaluación del utillaje

  • El diseño del molde apilado es el componente más importante para determinar la fiabilidad del utillaje y el rendimiento del moldeo. El tipo de enfriamiento y la selección de materiales tendrán un fuerte impacto sobre el tiempo del ciclo. La identificación del diseño óptimo para moldes apilados al principio de la fase de diseño reduce al mínimo las sorpresas que pueden surgir posteriormente en el proceso de oferta y fabricación.
  • Las configuraciones y cavidades de los moldes se evalúan en función de la estandarización de máquinas y del utillaje. La orientación de las piezas afecta la manipulación posterior al moldeo. La evacuación de piezas en el molde o por robot también afecta la configuración global de la célula de trabajo y el espacio necesario.

Paso 3. Evaluación del proceso y de la célula de trabajo

  • En esta etapa se evalúa la selección de la máquina, considerando la fuerza de cierre, el espaciado entre columnas y los requisitos del proceso.
  • La selección del tamaño de la extrusora depende del rendimiento y la presión de llenado que se requiere. Es importante asegurar que la extrusora no limite tiempos de ciclo intensivos.
  • La manipulación de productos se evalúa en función de tiempos del ciclo, eficiencia y espacio necesario. Se consideran las oportunidades futuras de automatización y estandarización. También se calculan los requisitos de mano de obra, puesto que constituyen un elemento clave de una solución rentable.

Paso 4. Análisis

  • Cada uno de los pasos anteriores crea una matriz de opciones. Algunas opciones se descartan en el proceso de evaluación preliminar, y las restantes se tabulan para su análisis definitivo. El cálculo de la eficiencia total del sistema para una alternativa dada es esencial para establecer los niveles finales de productividad. Uno de los métodos cuantificables para establecer la eficiencia de la evaluación es la denominada productividad total de equipos (PTE). La PTE es un concepto que consta de tres partes: calidad, fiabilidad y tiempo de ciclo (véase la fig. 4).
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Figura 4. Los tres círculos de la PTE
La fiabilidad es las horas disponibles para producción, sin contar el mantenimiento, la configuración y el tiempo de parada programado. El tiempo de ciclo es la relación de las horas de producción reales frente al total de horas, teniendo en cuenta el tiempo de parada no programado y el tiempo de ciclo previsto. La calidad es la producción real menos la tasa de desechos.

El análisis financiero y de valoración del riesgo se lleva a cabo una vez que se especifican los parámetros y las opciones técnicas. El volumen de producción por capital es una medida directamente cuantificable del capital invertido frente al volumen producido. Análisis más detallados, como la amortización de la inversión, el flujo de caja y el coste por pieza servirán para determinar la justificación global del proyecto (véase la fig. 5).

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Figura 5. Resumen de análisis financieros detallados

Resultados finales y beneficios

El objetivo de un estudio de viabilidad de fabricación es seleccionar la mejor tecnología de moldeo y la más eficaz para mejorar la rentabilidad. Una inversión del 2-4% del coste de la célula de trabajo da lugar a los siguientes beneficios una vez completado el estudio:

  • Todos los equipos primarios se cotizan según las mismas especificaciones.
  • Se pueden hacer auténticas comparaciones entre proveedores.
  • Se simplifica la selección de los mejores métodos de fabricación.
  • Se puede alcanzar una mayor precisión en la justificación financiera.

La planificación adelantada es la clave para lograr los mejores resultados, y a menudo la mejor solución puede que no sea tan evidente al principio. Además, los proveedores deben orientarse hacia las soluciones y es imprescindible su pleno compromiso para el éxito del proyecto global.

Ejemplo de estudio particular

Los principales fabricantes de frascos de cristal para cosméticos están empezando a aprovecharse de los recipientes moldeados por inyección para sus productos.

Los frascos de plástico presentan numerosas ventajas frente al cristal: pesan menos, son más resistentes, no se fracturan o rompen con facilidad, y son más fáciles de abrir y de desechar. Los plásticos permiten también una gran variedad de personalización y ofrecen versatilidad en cuanto a diseño, forma, tamaño, acabado de la superficie y resina.

Se llevó a cabo un estudio exhaustivo de viabilidad de fabricación para un frasco de cosméticos que se moldeaba tradicionalmente a unos ciclos de 50s. El estudio se llevó a cabo usando el enfoque de “bloques constructivos”, evaluando cuidadosamente cada paso:

  • Se evaluó el diseño de las piezas para eliminar las líneas de flujo asociadas a moldeos de pared gruesa.
  • Se realizaron pruebas en laboratorio de diferentes resinas para optimizar el tipo de punto de inyección y, lo que es más importante, el tamaño del punto de inyección.
  • Se desarrollaron diseños de apilado y de molde para capacidades que pueden variar entre 8 y 48 cavidades.
  • Se consideraron diversos procesos para reducir el tiempo de ciclo, incluyendo:
  • Sistemas de cavidades convencionales, reducidas y numerosas, con automatización robótica.
  • Sistema convencional con elementos de refrigeración postmoldeo adicionales.
  • Sistema de indexación con refrigeración y acondicionamiento postmoldeo integrados.

Las máquinas convencionales de moldeo por inyección emplean platos fijos y móviles para cerrar el molde. Después de que las piezas se enfrían y solidifican, se abre el molde y se expulsan las piezas.

La máquina Index emplea una torreta giratoria que aumenta la refrigeración y reduce el tiempo del ciclo. El sistema también está equipado con un dispositivo integrado de refrigeración posterior al moldeo (PMC o post-mold cooling) situado detrás de la torreta móvil para dar una mayor refrigeración (véase la fig. 6).

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Figura 6. Dibujo de máquina Index con dispositivo PMC situado detrás del plato móvil
De forma más destacada, los sistemas Index demostraron tener la mayor efectividad en el caso de productos de pared gruesa en la reducción del tiempo de ciclo del moldeo, que era de al menos un 50 por ciento. Ello se tradujo en un mejor uso del espacio y de la mano de obra, reduciendo así el coste global del capital de inversión.

La figura 7 ilustra dos células de trabajo convencionales con robots en comparación con un sistema Index sencillo para producir volúmenes de 35 MM. Se consiguió reducir en un 50% el espacio total, tanto horizontal como vertical.

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Figura 7. Comparación de espacio de suelo entre sistema convencional y sistema Index
Se realizó la justificación financiera sobre la base de opciones seleccionadas, lo cual permitió identificar oportunidades significativas de ahorro. La fig. 8 ilustra el resumen de análisis simplificado entre las dos opciones seleccionadas.

En su conjunto, el sistema Index superó el moldeo convencional de diversas formas:

  • Reducción en 50 por ciento del tiempo del ciclo. El tiempo de enfriamiento se pasó de la máquina al PMC con la manipulación integrada del producto.
  • La reducción del 50% en espacio de suelo y mano de obra permitió una reducción del coste operativo en un 40%.
  • Reducción importante (10%) de la tasa de desechos. La ampliación del tiempo de enfriado no sólo incrementa el tiempo de ciclo, sino que también afecta la calidad de la pieza, ya que la gota fría en el punto de inyección produce manchas. También se determinó que la refrigeración continuada produce vacíos en secciones gruesas si no se aplica el recalentamiento temporal.
  • Se puede conseguir una reducción del coste de la pieza de hasta un 25%.

El objetivo principal de cualquier actividad de fabricación es el de ganar dinero y ser rentable. Para el éxito de un proyecto es preciso adoptar una planificación previa y sistemática que permita a los transformadores reducir costes y competir eficazmente.

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Jacek Kalemba, P. Eng., lleva 15 años con Husky Injection Molding Systems Ltd. Ha participado en el diseño del utillaje, en el desarrollo de canales calientes y en soluciones de sistemas de fabricación completos para la industria del plástico. Actualmente trabaja como Ingeniero de Aplicaciones en el grupo de Sistemas Automatizados de Husky, sito en Bolton, Ontario.

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