¿Cómo Detectar y Reducir los Cuellos de Botella en la Línea de Producción y Envasado?

Lograr la excelencia en el proceso y la operación de envasado es el objetivo final de la implementación de equipos de envasado y EOL (Fin de línea). Sin embargo, la producción no siempre funcionaría en un estado perfecto a la velocidad más rápida, produciendo solo piezas buenas y sin tiempos de inactividad inesperados [PackIoT, 20 de diciembre de 2019, 1]: que todo el final de línea del embalaje alcance un estado operativo ideal de 100% OEE (Efectividad General del equipo).

Si bien lo que todos esperan es que el sueño se haga realidad, la dura realidad es que esta es una situación casi imposible en cualquier final de línea de empaque.

En este artículo, profundizamos en los hechos subterráneos sobre:

• ¿Cuáles son los cuellos de botella en las circunstancias de embalaje de producción?
• ¿Cómo descubrir y detectar los cuellos de botella en la producción?
• ¿Cómo evitar o mejorar los cuellos de botella?

¿Qué Significa Cuello de Botella en la Producción?

La definición literal de cuello de botella se refiere a la ruta estrecha de un camino que causa un punto de congestión.

En la escena de la producción, como la automatización, el procesamiento y la fabricación de envases, los cuellos de botella se refieren a las etapas o procesos que limitan la producción general del sistema de producción donde se impide el flujo de trabajo o materiales, lo que provoca retrasos o ineficiencias que afectan la productividad y la producción generales.

O, digamos, son puntos entre los procesos y sistemas de fabricación y producción donde ocurre que la carga de trabajo excede la capacidad de una sección, equipo, proceso y procedimiento en particular u otros dispositivos. y a veces tan bien como las personas. [Patrick Lemay 2022, 2]

Los cuellos de botella en la vida útil del embalaje no son un problema tan simple en comparación con el de un proceso manual en el que dichos cuellos de botella se pueden reducir invirtiendo en la contratación de más empleados. Por el contrario, identificar el cuello de botella en la producción y el envasado de EOL es un tema mucho más complejo y requiere cierta profesionalidad para resolver el problema. En algunos casos, los cuellos de botella no tienen que ver con el equipo, sino con los procesos operativos.

¿Cuáles son las causas de los cuellos de botella en la EOL de Producción y Envasado?

Identificar los cuellos de botella de producción es un paso crítico de BA (Análisis de cuello de botella), que es uno de los conceptos esenciales de lean manufacturing. [3]

Cuando se trata de identificar cuellos de botella con la producción, varios factores pueden ser los culpables, incluidos los equipos que se incorporan a lo largo de la vida útil del embalaje, a veces las personas que operan esas máquinas, o incluso factores relacionados con la gestión y los procesos operativos.

Causas de los Cuellos de Botella en la Producción
Crédito: ELITER Packaging Machinery

Xingjian Lai, de la Universidad de Michigan, una vez enumeró las posibles causas de los cuellos de botella en uno de sus artículos que estudia el enfoque de la red neuronal gráfica para los cuellos de botella de producción. Se pueden agrupar en 3 categorías de la siguiente manera:

• Causas del cuello de botella debido a la máquina
• Causas del cuello de botella debido a las personas
• Causas del cuello de botella debido a la gestión y al proceso operativo

Si no aborda los tipos de cuellos de botella, su productividad puede quedar constantemente por debajo de sus expectativas. Analizar los detalles y poner algunos ejemplos de cada causa potencial de los cuellos de botella mencionados anteriormente:

¿Cómo el Estado de la Máquina Puede Causar Cuellos de Botella en la Producción?

Los cuellos de botella en la EOL de producción y envasado causados por las máquinas se refieren principalmente a cómo se ha mantenido la máquina, su capacidad máxima y cómo se ha aprovechado dicha capacidad.

Pick-and-Place Station of a Top-Load Case Packing System

Las máquinas aguas abajo pueden ser un cuello de botella de la EOL para limitar su capacidad y velocidad generales. Por ejemplo, Danone, una empresa multinacional de alimentos y bebidas con sede en Francia, puede firmar con ELITER Packaging Machinery para trabajar en un envasado de yogur de final de línea que consiste en una enfundadora y luego una envasadora de cajas de carga superior. El proyecto requiere tazas de yogur soldadas entre sí en formato 2×3 para ser envueltas por una funda de cartón y luego procesadas para el empaque de cajas en formato 2×3 y 2 capas.

Si bien nuestra enfardadora envolvente es capaz de funcionar a una velocidad de 135 paquetes por minuto, una salida después de una vez dividida por el número de paquetes de yogur en cada caja de cartón corrugado sería la velocidad requerida para la mencionada enfardadora de cajas de carga superior, que es para unas 10 cajas por minuto.

Un cuello de botella aquí se refiere a los mecanismos de la estación de recogida y colocación de la empacadora de cajas de carga superior. Dada la velocidad de 10 cajas por minuto, el mecanismo de recogida y colocación debería poder alcanzar los 20 ciclos por minuto ahora que cada caja corrugada viene con 2 capas de yogures en su interior, que exceden el límite de velocidad de dicho sistema.

Como resultado inevitable, la enfundadora instalada aguas arriba debe configurarse entonces con una velocidad más lenta para que coincida con la capacidad máxima del sistema de empaque de cajas de carga superior.

How People May Cause Bottlenecks in Production?

Las personas capacitadas y capacitadas también son un factor esencial para reducir los cuellos de botella en la producción.

La competencia de los trabajadores con el cambio de formato y tamaño puede ser la causa del cuello de botella en la producción. La EOL de envasado se diseña con frecuencia con opciones para cubrir diferentes tamaños y formatos de productos para los que se requiere hacer cambios cuando la producción cambia entre diferentes recetas. Independientemente del hecho de que algunas máquinas de envasado avanzadas ofrecen la opción de cambio motorizado y automatizado, la mayoría de las empresas no se darían el lujo de un equipo tan flexible, sino que optarían por la intervención manual para el cambio de tamaño. En tal caso, la competencia del operador en términos de cambio cuenta significativamente para el tiempo consumido como parte del tiempo de inactividad de la producción.

Los técnicos a cargo del mantenimiento de la máquina son factores críticos para reducir los cuellos de botella en la producción. Los técnicos son responsables de las actividades de mantenimiento regulares, como la limpieza, la lubricación y la inspección de las máquinas. Este enfoque proactivo ayuda a identificar y resolver problemas menores antes de que se conviertan en averías importantes, evitando el tiempo de inactividad no planificado y los cuellos de botella en la producción.

¿Cómo el Proceso y la Gestión Pueden Causar Cuellos de Botella en la Producción?

Los cuellos de botella en los procesos de producción y gestión son factores bastante más complejos porque implican una amplia gama de revisiones, así como impactos de terceros, incluidos proveedores e incluso clientes. Los cuellos de botella de gestión se pueden definir además como cuellos de botella externos o cuellos de botella internos.

¿Cómo identificar los Cuellos de botella en la EOL de Producción y Embalaje?

BI (Identificación de cuellos de botella) es el primer paso de BA (Análisis de Cuellos de botella) para ayudar a eliminar o mejorar los retrasos en la producción y mejorar la efectividad general de la producción. [4]

Como una de las filosofías de lean manufacturing, identificar los cuellos de botella y realizar mejoras puede aumentar sustancialmente la productividad de una empresa, pero esto no es una tarea fácil, ya que los cuellos de botella en la producción, ya sean internos o externos, a menudo cambian y son difíciles de resolver. Dependiendo de las habilidades que posea el liderazgo, el proceso de BI puede llevarse a cabo mediante varios enfoques, que incluyen

• enfoque experimental,
• análisis cuantitativo,
• y aplicando herramientas teóricas y metodológicas como las que proporciona Six Sigma.

Análisis Cuantitativo y Formulado para la Identificación de Cuellos de Botella

Definir el problema y convertirlo en números para su análisis es la mentalidad crítica de la teoría y las metodologías de gestión modernas proporcionadas por lean management and manufacturing.

Hoy en día, muchas máquinas de envasado se incorporan con DSaaS e Industria 4.0 para recopilar datos a través de la operación y proporcionar información con las herramientas de análisis que el usuario puede revisar a través de la HMI inteligente.

Aquellos que están familiarizados con esa herramienta analítica pueden primero realizar un mapeo de procesos para describir la estructura de su sistema de producción en serie para representar su proceso de producción, y luego llevar a cabo la recopilación de datos con respecto a los KPI (Indicadores Clave de Rendimiento) apropiados que son óptimos para revelar el comportamiento del sistema y detectar las desviaciones. [5]

Mapeo de Procesos de una Línea de Producción
Crédito: ELITER Packaging Machinery

• Modelado y Formulación de Caja de 2 máquinas

La formulación y el modelado matemático de la secuencia de producción y el mapeo anteriores deben comenzar con la definición de las interacciones entre máquinas y tampones. Un estudio simplificado de esta secuencia de producción es un caso de 2 máquinas con 1 tampón combinadas y modeladas como una cadena de Markov simple. Antes de realizar dicho estudio, se deben denotar los siguientes conceptos a partir del modelado:

Markov Chain
Credit: Victor Powell

• Las máquinas se denotan como \( (M_1, M_2, … , M_m) \) y las memorias intermedias se denominan \( (B_1, B_2, … , B_\text{M-1})\)
  Los tiempos de ciclo de cada máquina a lo largo de la secuencia de producción son idénticos y el marco de tiempo en este modelado se limita al tiempo de ciclo
  Para cada máquina indicada en esta secuencia, cada una de ellas está sujeta a un estado de falla indicado como \(F\) o un estado de funcionamiento indicado como \(U\)
  La probabilidad de que la máquina siga funcionando o de que t esté en pausa debido a una falla después de cada ciclo se denota como \(P_k\)
  La máquina se puede arreglar después de una falla y volver a funcionar al comienzo del siguiente ciclador con probabilidad como \(R_k\)
  Todos los búferes aquí tienen una cierta capacidad limitada y al final de cada ciclo, el número de productos dentro de cada búfer cambiará
  La máquina se bloqueará si está en funcionamiento mientras los productos toman completamente el búfer al comienzo de un tiempo de ciclo
  La máquina funcionará pero sin productos alimentados si al principio de cada ciclo el búfer está vacío, lo que se denomina estado de hambre

La caja de 2 máquinas y 1 búfer se puede moldear con una cadena de Markov expresada como \(\Omega = \begin {Bmatrix} S1, n, S2 \end{Bmatrix} \) donde \(S1 \) y \(S1\) representan el estado de las dos máquinas, ya sea en funcionamiento o en pausa debido a una falla, mientras que \(n\) representa el número de productos en el búfer intermedio, denotado como \(B1\).

Defina \(PR\) como la tasa de producción de la máquina y la probabilidad a la que\(M1\) se bloquea como\(BL\), luego la máquina hambrienta \ (M2\) con la probabilidad de \(ST\), representada de la siguiente manera:

• \(PR = \mathcal P \mathcal r \begin{vmatrix} \begin{Bmatrix} m_2 \text{  operating} \end{Bmatrix} \cap \begin{Bmatrix} B_1 \text{not empty} \end{Bmatrix} \end{vmatrix}, \)
• \(ST= \mathcal P \mathcal r \begin{vmatrix} \begin{Bmatrix} m_2 \text{  operating} \end{Bmatrix} \cap \begin{Bmatrix} B_1 \text{empty} \end{Bmatrix} \end{vmatrix}, \)
• \(BL = \mathcal P \mathcal r \begin{vmatrix} \begin{Bmatrix} m_1 \text{  operating} \end{Bmatrix} \cap \begin{Bmatrix} B_1 \text{ full} \end{Bmatrix} \cap \begin{Bmatrix} m_2 \text{ down} \end{Bmatrix} \end{vmatrix}, \)

que se puede definir además como:

$$ \widehat {PR} = \frac {R_2}  {P_2 + R_2} \begin{bmatrix} 1 – \Phi (P_1, R_1, P_2, R_2, N)  \end{bmatrix} $$

$$ \widehat {ST} = \frac {R_2}  {P_2 + R_2} \cdot \Phi (P_1, R_1, P_2, R_2, N)   $$

$$ \widehat {BL} = \frac {R_1}  {P_1 + R_1} \cdot \Phi (P_2, R_2, P_1, R_1, N)   $$

donde,

$$ \Phi(P_1, R_1, P_2, R_2, N) =
\begin{cases}
\frac {P_1 \theta_2} {(R_1 + R_2 – R_1 R_2)(P_1 + R_1)}& & if \,\,N=1 \\
& & \\
\frac {P_1 \eta_1 \eta_2 \theta^2_2 (P_2 + R_2)} {D_1 + D_2 + D_3 + D_4}&  & if \,\,N \gt 1 \\
\end{cases}
$$

Las formulaciones anteriores sirven como una herramienta para medir el rendimiento del sistema y las secuencias y el estado del enlace de una sola máquina, tampones y otra para identificar los cuellos de botella.

Identificar Cuellos de Botella en la Producción con Herramientas Teóricas

Las teorías de gestión modernas como Lean Manufacturing y Six Sigma proporcionan un montón de herramientas con las que el liderazgo puede descubrir los cuellos de botella en la producción.

• DMAIC

DMAIC es una herramienta de análisis compuesto proporcionada por Six Sigma que combina pasos de (Definir, Medir, Analizar, Mejorar y Controlar) para eliminar el desperdicio, disminuir la variación en la fabricación, evitar defectos y agilizar el proceso operativo de una empresa, una hoja de ruta para la mejora continua para las empresas. DMAIC involucra la transformación de un determinado problema en una pregunta basada en datos con el propósito de medir, rastrear resultados y analizar.

DMAIC
Credit: ELITER Packaging Machinery

• Diagrama Causa-Efecto de Ishikawa

El Diagrama de Causa y Efecto de Ishikawa, también conocido como diagrama de espina de pescado o diagrama de Ishikawa, es una herramienta visual que se utiliza para identificar y categorizar las posibles causas de un problema o un efecto. Fue desarrollado por el Dr. Kaoru Ishikawa, un experto japonés en control de calidad, y se usa ampliamente en metodologías de gestión de calidad y resolución de problemas como Six Sigma.

• Diagrama SIPOC

Un diagrama SIPOC es una herramienta visual utilizada en la mejora de procesos y metodologías Six Sigma para comprender y definir los elementos de proceso de alto nivel. SIPOC significa Proveedores, Insumos, Procesos, Productos y Clientes.

Al aplicar el diagrama SIPOC para la identificación de cuellos de botella, la empresa puede obtener una visión general de los procesos internos o externos y descubrir al culpable del problema, ya sea debido a su propio procedimiento o por culpa de sus partes interesadas externas.

• OEE (Efectividad General del Equipo)

OEE es una métrica comúnmente utilizada en la fabricación para medir la eficiencia y la productividad de un equipo o una línea de producción. La OEE tiene en cuenta tres factores clave: disponibilidad, rendimiento y calidad. Al analizar los datos de OEE e identificar áreas con puntajes bajos o bajo rendimiento constante, los fabricantes pueden identificar posibles cuellos de botella en la producción e implementar medidas de mejora específicas.

¿Cómo Mitigar y Eliminar los Cuellos de Botella en la EOL de Producción y Embalaje?

Después de la identificación del cuello de botella, viene el paso de medir y elaborar acciones para reducir y eliminar los cuellos de botella detectados.

Esto se parece más a un problema caso por caso, ya que cada instalación de producción o fabricación tiene su propio plan de sitio, implementación de EOL y estructura organizativa, y la causa raíz puede variar y, por lo tanto, se pueden adoptar diferentes estrategias. En general, las acciones para eliminar los cuellos de botella pueden incluir:

• Agilice los procesos: Analice y optimice el flujo de trabajo dentro del área del cuello de botella. Busque pasos innecesarios o redundantes que puedan eliminarse, reorganice las estaciones de trabajo o los diseños de los equipos para mejorar la eficiencia y estandarice los procesos para reducir la variabilidad y los errores.
• Capacite y capacite a los empleados: Proporcione la capacitación adecuada y capacite a su fuerza laboral para abordar los cuellos de botella. Equipar a los empleados con las habilidades y los conocimientos necesarios para identificar y resolver problemas en tiempo real. Fomentar la comunicación abierta y la colaboración entre los miembros del equipo para fomentar una mentalidad de mejora continua.
• Implementar principios de manufactura esbelta: Adopte principios y técnicas de manufactura esbelta, como la gestión de inventario Justo a tiempo (JIT), la metodología 5S y el mapeo de la cadena de valor. Estas metodologías pueden ayudar a identificar y eliminar residuos, mejorar el flujo y optimizar los procesos de producción, reduciendo los cuellos de botella.
• Adopte la tecnología de la industria 4.0 para facilitar la operación diaria: Las empresas de tecnología ahora ofrecen muchas opciones para incorporar máquinas y equipos con sistemas de seguimiento y recopilación de datos, así como herramientas de análisis con las que el liderazgo de la fabricación y la producción puede mantener un control estricto sobre su secuencia de producción, proceso y resultados.
• Trabajar con un fabricante profesional para ofrecer mejoras constantes a la máquina de envasado instalada: Para una empresa como ELITER Packaging Machinery que ofrece máquinas de envasado para el cliente, es un compromiso a largo plazo que deben cooperar estrechamente con el usuario para descubrir cuellos de botella durante el ciclo de vida de la máquina o línea y realizar mejoras constantes.

Bibliografía

• [1] How to identify bottlenecks in a packaging production line, PackIot, December 20, 2019, https://packiot.com/bottlenecks-in-a-packaging-production-line/
• [2] Overcoming Manufacturing Bottlenecks: Tips for Improving the Flow of Production Patrick Lemay Dec 12, 2022, https://tulip.co/blog/overcoming-manufacturing-bottlenecks/
• [3] The impact of Industry 4.0 on bottleneck analysis in production and manufacturing: Current trends and future perspectives, Computers & Industrial Engineering, Volume 174, 2022, 108801, ISSN 0360-8352, https://doi.org/10.1016/j.cie.2022.108801
• [4] How to conduct a bottleneck analysis, Dave Westrom, MachineMetrics, Process Optimization, July 15, 2021, https://www.machinemetrics.com/blog/bottleneck-analysis
• [5] Constantin Hofmann, Tom Staehr, Samuel Cohen, Nicole Stricker, Benjamin Haefner, Gisela Lanza, Augmented Go & See: An approach for improved bottleneck identification in production lines, Procedia Manufacturing, Volume 31, 2019, Pages 148-154, ISSN 2351-9789