Cómo equilibrar perfectamente una línea de fabricación

Por muy perfectamente que hayas planificado y ejecutado tu proceso de fabricación, siempre habrá limitaciones y restricciones que afectarán negativamente a la productividad de la fabricación. 

Los tiempos muertos excesivos, las configuraciones o diseños deficientes y la sobreprogramación son sólo algunos de los muchos retos que acechan a la eficacia y la productividad de la fabricación, y el equilibrado de líneas es una de las formas más eficaces de afrontarlos.

En esta guía sobre cómo equilibrar perfectamente una línea de fabricación, aprenderemos todo lo que necesitas saber sobre el equilibrado de líneas, incluyendo:

• ¿Qué es el equilibrado de líneas en la fabricación?

• Las ventajas de equilibrar tus líneas de producción

• Guía paso a paso sobre cómo aplicar el equilibrado de líneas

• Ejemplos de aplicación del equilibrado de líneas

Sin más preámbulos, empecemos ya esta guía.

¿Qué es el equilibrado de líneas?

En el contexto de la fabricación, el equilibrado de la línea, también llamado a menudo equilibrado de la carga y nivelación de la producción, se refiere a una técnica de producción para optimizar el tiempo de la máquina y el tiempo del operario para eliminar los cuellos de botella y poder ser lo más eficiente posible.

Originalmente llamado heijunka (平準化) en japonés (que significa directamente nivelación), el concepto inicial del equilibrado de líneas es reducir el mura (desnivel), lo que a su vez puede reducir el muda (despilfarro). Podemos definir el equilibrado de líneas como la técnica para alinear la demanda del cliente con el rendimiento de la producción mediante la nivelación (heijunka) de los tiempos de ciclo.

En la práctica, equilibrar las líneas significa simplemente equilibrar las líneas de producción.

Por ejemplo, supongamos que hay tres líneas de producción: las líneas A, B y C:

• La línea A puede producir 10 unidades por minuto

• La línea B puede producir 20 unidades por minuto

• La línea C puede producir 30 unidades por minuto

Las piezas fluyen de A a B a C, y como la línea A tiene una capacidad inferior, la línea B permanecerá inactiva durante el 50% de su tiempo de producción disponible y la línea C durante el 66,66% de su tiempo de producción disponible.

Obviamente, las tres líneas están desequilibradas, y el objetivo del equilibrado de líneas es distribuir las tareas uniformemente entre las máquinas para minimizar el tiempo de inactividad de las máquinas, así como de los operarios que las manejan.

El planteamiento muy básico de equilibrado de líneas consiste simplemente en tener tres máquinas de tipo A, con cada dos máquinas de tipo B y una máquina de tipo C.

Como alternativa, podemos simplemente añadir otras tareas a las máquinas B y C a lo largo de sus tiempos de inactividad para que no permanezcan inactivas. 

En la práctica, sin embargo, una línea de producción del mundo real puede enfrentarse a problemas complejos de equilibrado de líneas, y necesitaremos formas más sofisticadas de conseguir el equilibrio. Más adelante, hablaremos de los distintos métodos de equilibrado de líneas que podemos aplicar para resolver diversos problemas de equilibrado.

Sin embargo, discutamos primero por qué necesitamos hacer el equilibrado de líneas.

Ventajas del equilibrado de líneas: ¿por qué nivelar tu producción?

El equilibrado de líneas tiene muchas ventajas en lo que respecta a la mejora de la productividad de fabricación, pero el objetivo principal es garantizar que las operaciones de fabricación se ajustan correctamente a las demandas de los usuarios (o clientes).

A su vez, esta alineación puede proporcionar los siguientes beneficios:

Maximizar la capacidad

El equilibrado de líneas permite a los operarios aprovechar la capacidad no utilizada y minimizar el tiempo de inactividad de la máquinalo que, a su vez, se traducirá en una mejora de la productividad y la eficacia. El tiempo improductivo se produce cada vez que un proceso de fabricación supera el tiempo Takt (más sobre esto más adelante.)

Agilidad mejorada

En este panorama empresarial moderno, la demanda de los clientes suele cambiar rápidamente debido a cambios en los gustos, la introducción de nuevos productos, la estacionalidad u otras razones. 

Cuando se produzcan estos cambios en la demanda, también cambiará la cadencia de la línea de producción, lo que puede desvirtuar el cálculo existente. 

El equilibrado de líneas permite a la empresa y a sus directivos ajustar la línea de producción y, especialmente, ajustar su cadencia.

Reducir la producción de residuos

Cuando las líneas de producción están desequilibradas, pueden dar lugar a un aumento de los residuos, que pueden presentarse de varias formas diferentes, entre otras:

• Residuos de inventario

• Productos defectuosos

• Sobreproducción

• Exceso de procesamiento

• Residuos del transporte

• Empleados no utilizados

El equilibrado de líneas puede ayudar a minimizar los residuos en las distintas áreas del proceso de fabricación.

Mejora de la moral de los empleados

Al racionalizar y consolidar los procesos de fabricación, que de otro modo serían largos y estresantes, la empresa puede conseguir una mayor moral de los empleados, lo que se traducirá en una mejora de la productividad.

Evitar la inversión excesiva

Una línea de producción equilibrada puede ayudar a la empresa a evaluar el número adecuado de máquinas necesarias y el número de operaciones en cada puesto de trabajo. 

En resumen, las líneas de producción equilibradas pueden facilitar un flujo racionalizado del proceso de fabricación, reduciendo el tiempo de inactividad de cada máquina, lo que a su vez se traduce en una mejora del ritmo de producción y de la calidad de las unidades producidas.

Realizar el equilibrado de líneas

El problema del equilibrado de líneas

Teóricamente, el problema del equilibrado de líneas consiste en cómo organizar las tareas de montaje y el procesamiento individual de modo que el tiempo total requerido en cada puesto de trabajo sea más o menos el mismo, para minimizar el tiempo muerto.

El equilibrio perfecto se consigue cuando todos los tiempos pasados en los puestos de trabajo son exactamente iguales. Cuando los tiempos de las estaciones de trabajo son desiguales, la estación más lenta determina el ritmo de producción global de la línea.  

Terminología del equilibrado de líneas

Para explicar adecuadamente el problema del equilibrado de líneas, primero tendremos que hablar de la terminología y las relaciones del equilibrado de líneas, y lo haremos con el siguiente ejemplo:

Se ha diseñado un proceso de fabricación para montar juguetes de coche. El trabajo total de montaje del producto se ha dividido en cinco elementos de trabajo:

• Elemento de trabajo racional mínimo

Los elementos de trabajo racionales mínimos son las tareas indivisibles más pequeñas posibles en las que se puede dividir el trabajo de fabricación. Estos elementos de trabajo no pueden dividirse más.

Por ejemplo, taladrar un agujero en el material no puede dividirse más, por lo que se trata de un elemento de trabajo racional mínimo.

El tiempo necesario para realizar este elemento de trabajo racional mínimo se simboliza como Tej.

Por otro lado, Te simboliza el tiempo total necesario para terminar todos los elementos de trabajo, en el que el tiempo para realizar dos o más elementos de trabajo es la suma de los tiempos de los elementos de trabajo individuales.

• Contenido total del trabajo

Se refiere al conjunto de todos los elementos de trabajo que deben realizarse en la línea de producción. Simbolizado por Twc.

• Tiempo de proceso de la estación de trabajo

El término «puesto de trabajo» se refiere a una ubicación física a lo largo de la línea de flujo de producción donde se realiza el trabajo. Cada estación de trabajo implicará al menos un elemento de trabajo. Simbolizado por Tsi para la estación i de una línea de n estaciones.

• Requisitos de la secuencia tecnológica

Se refiere al posible orden en que pueden realizarse los elementos de trabajo. También se conoce como «restricciones de precedencia».

Por ejemplo, los soportes deben fijarse primero al bastidor antes de poder fijar los motores a los soportes.

En casi todos los trabajos de montaje, habrá requisitos de secuenciación tecnológica que restrinjan la secuencia en que pueden realizarse las tareas. 

• Diagrama de precedencia

En relación con los requisitos de secuenciación tecnológica (o restricciones de precedencia), un diagrama de precedencia es una representación gráfica en la que debe realizarse la secuencia de trabajo definida por los requisitos de secuenciación tecnológica.

Los elementos de trabajo que aparecen en los nodos de la izquierda del diagrama deben realizarse antes que los situados a la derecha.

• Duración del ciclo

La velocidad teórica máxima (ideal) a la que la línea de producción fabrica sus piezas/productos. Simbolizado por Tc, el valor de Tc debe ser mayor o igual que E / Rp, en el que E es la eficiencia de la línea y Rp es la tasa de producción requerida. La eficiencia de la línea de una línea manual suele estar más cerca del 100% que la de una línea automatizada, en la que las averías mecánicas serán más frecuentes.

Por ejemplo, si la tasa de producción requerida(Rp) es de 30 unidades por hora o 0,5 unidades por minuto con una eficiencia de la línea(E) del 100%, el Tc sería de 0,5 minutos o 30 segundos. Si la eficacia de la línea es inferior al 100%, habrá que aumentar la tasa de producción ideal(Rc) para compensar el tiempo de inactividad.

Con esta ecuación, el Tc mínimo posible debe ser mayor o igual que el tiempo pasado en la estación de trabajo cuello de botella con el mayor valor de Tsi (max Tsi.) De lo contrario, si Tc = max Tsi, la línea de producción experimentará tiempos muertos en todas las estaciones de trabajo con valores de Ts mayores que Tc.

• Retraso de equilibrado

También denominado «pérdida de equilibrado», el retraso de equilibrado es la medida de la ineficacia de la línea de producción debida a los tiempos muertos como consecuencia de líneas desequilibradas.

El retardo de equilibrado se simboliza como d, que puede calcularse con la siguiente fórmula:

d = (nTc – Twc) / nTc

Mientras que n representa el número de puestos de trabajo, Tc es el tiempo de ciclo y Twc es el contenido total de trabajo (como ya se ha dicho).

El retardo de equilibrio se expresa más a menudo en porcentaje que en la fracción decimal que se utiliza en los demás cálculos aquí. Un retardo de equilibrio de 0 significa que la línea está perfectamente equilibrada.

Por ejemplo, si el contenido total de trabajo(Twc) es de 10 minutos y el tiempo de ciclo Tc es de 1 minuto, entonceses posible alcanzar el equilibrio con n= 10 puestos de trabajo, logrando un equilibrio perfecto:

d= (10 (1.0) – 10.0) / 10 (1.0) = 0

Por otra parte, si el equilibrio sólo se consigue con 11 puestos de trabajo para el ciclo de 1,0 minuto, el retraso del equilibrio sería:

d= (11(1,0) – 10,0 )/11(1,0) = 0,0909 o 9,09%.

En este segundo supuesto con 11 estaciones de trabajo, la línea de producción es menos eficiente no sólo debido a la estación de trabajo adicional -que provoca retrasos-, sino también porque requerirá un operario adicional. Para esta segunda solución, una forma viable de mejorar la eficiencia es disminuir el tiempo de ciclo(Tc.)  

En este ejemplo, la línea de producción podría equilibrarse con un tiempo de ciclo de 11,0 minutos, por lo que:

d= (11(1.0) – 11.0 )/11(1.0) = 0 

Sin embargo, al intentar encontrar el equilibrio perfecto, hay que tener en cuenta las limitaciones impuestas por los requisitos de secuenciación tecnológica (limitaciones de precedencia) y los valores permitidos por Tej. 

Debido a este problema creado por las limitaciones, en la siguiente sección, hablaremos de métodos que pueden aportar soluciones.

Métodos populares de equilibrado de líneas

Aunque existen varios métodos para resolver el problema del equilibrado de líneas, en general podemos clasificar esos métodos en dos grandes grupos: heurísticos e informatizados.

I. Métodos heurísticos

El término «heurístico» significa aquí que los métodos se basan en la lógica (sentido común) y no en pruebas matemáticas. Dicho esto, los métodos heurísticos no garantizan la solución matemática/teóricamente óptima, pero es probable que tengan buenas soluciones que se aproximen a la óptima.

Hay tres métodos heurísticos principales de equilibrado de líneas que puedes aplicar:

1. Regla del candidato más grande

2. Kilbridge y Wester

3. Pesos posicionales ordenados

A continuación, hablaremos de ellos uno por uno utilizando el siguiente ejemplo de elementos de trabajo sencillos.

Ejemplo de elementos de trabajo

1. Regla del candidato más grande

El método heurístico de equilibrado de líneas más básico y, normalmente, el más fácil de comprender. 

La base de la regla del mayor candidato es elegir las asignaciones a los puestos de trabajo en función del tamaño de los valores Te de los puestos de trabajo. Se da prioridad al mayor Te, de ahí el nombre.  

Los pasos utilizados en este método son

1. Enumera todos los elementos de trabajo. El más grande Te al principio de la lista, en orden descendente de Te valor.

2. Asigna elementos de trabajo a la primera estación de trabajo, empezando por la parte superior de la lista y trabajando hacia abajo, prestando atención también a los requisitos de secuenciación tecnológica (restricciones de precedencia). Te en cada puesto de trabajo no debe superar el tiempo de ciclo Tc.

3. Continúa asignando elementos de trabajo a la estación de trabajo como en el paso 2 hasta que no se puedan añadir más elementos de trabajo sin superar el tiempo de ciclo Tc.

4. Repite los pasos 2 y 3 para los demás puestos de trabajo de la línea de producción hasta alinear todos los elementos.

Ejemplo:

2. Kilbridge y Wester                                               

El método de Killbridge y Wester se introdujo en 1961 para equilibrar un proceso en un sistema de fabricación. 

Es un método iterativo que utiliza el método de ensayo y error para equilibrar la línea de producción ajustando los tiempos de ciclo de las distintas operaciones. El objetivo es conseguir una línea equilibrada, en la que todas las estaciones tengan tiempos de ciclo iguales y, por tanto, ritmos de producción similares, al tiempo que se minimiza el tiempo de ciclo total de la línea. Es uno de los métodos más utilizados para equilibrar un proceso de fabricación.   

Para utilizar el método de Kilbridge y Wester, sigue estos pasos:

1. Identifica la línea de producción: Determina la secuencia de operaciones que componen la línea de producción y el tiempo de ciclo de cada operación.

2. Determina la ruta crítica: La ruta crítica es la secuencia de operaciones que tarda más tiempo en completarse. Es la ruta que determina el tiempo de ciclo global de la línea.

3. Determina el tiempo de ciclo ideal: Divide el tiempo de ciclo de la ruta crítica por el número de estaciones de la línea para determinar el tiempo de ciclo ideal.

4. Asigna tiempos de ciclo: Asigna el tiempo de ciclo ideal a las operaciones de la ruta crítica, y luego asigna iterativamente tiempos de ciclo más cortos a las operaciones no críticas.

5. Comprueba el equilibrio: Comprueba si todas las estaciones tienen ahora tiempos de ciclo iguales y si se minimiza el tiempo de ciclo total.

6. Repite los pasos 2 a 5, ajustando los tiempos de ciclo según sea necesario, hasta que todas las estaciones estén equilibradas y se minimice el tiempo total del ciclo.

7. Implementa los nuevos tiempos de ciclo: Una vez determinados los tiempos de ciclo, implántalos en la línea de producción y controla el rendimiento para asegurarte de que la línea está realmente equilibrada.

Es importante tener en cuenta que el método de Kilbridge y Wester es un proceso iterativo, y pueden ser necesarios varios ciclos para alcanzar el equilibrio. También es importante tener en cuenta que puede haber otros factores que afecten al equilibrio de la línea, como la disponibilidad de recursos o los cambios en la demanda, por lo que puede ser necesario repetir el proceso periódicamente.  

2. Pesos posicionales ordenados

Los pesos posicionales ordenados son un método utilizado para asignar un peso o valor a diferentes posiciones en una línea de fabricación. El objetivo de este método es optimizar el rendimiento de la línea asignando pesos más altos a las posiciones más críticas y pesos más bajos a las posiciones menos críticas.

El proceso de clasificación de los pesos posicionales suele implicar los siguientes pasos:

1. Identifica los puestos: En primer lugar, identifica todos los puestos que componen la línea de fabricación.

2. Asigna pesos: A continuación, asigna un peso o valor a cada puesto en función de su importancia o criticidad para el rendimiento global de la línea. El peso puede asignarse en función de factores como el nivel de destreza requerido, la complejidad de la tarea o el impacto en el rendimiento global de la línea.

3. Clasifica las posiciones: Una vez asignados los pesos, clasifica las posiciones en función de su peso. La posición con la ponderación más alta se considera la más crítica y se le asigna el rango más alto. La posición con la ponderación más baja se considera la menos crítica y se le asigna el rango más bajo.

4. Optimiza el rendimiento: Utiliza los puestos clasificados para optimizar el rendimiento de la línea. Por ejemplo, asigna a los trabajadores más cualificados o experimentados a los puestos mejor clasificados, y céntrate en mejorar el rendimiento de los puestos peor clasificados.

Este método permite a la empresa optimizar el rendimiento de la línea centrándose en los puestos críticos y asegurándose de que se utilizan los recursos adecuados en los lugares adecuados. Además, también puede utilizarse para identificar posibles cuellos de botella en el proceso de producción, que pueden abordarse para mejorar la eficacia general de la línea.

II. Métodos informatizados

El método de equilibrado de líneas informatizado es una técnica para equilibrar una línea de fabricación que utiliza programas informáticos para analizar y optimizar el proceso de producción. Este método suele implicar los siguientes pasos:

1. Recogida de datos: El primer paso es recopilar datos sobre el proceso de producción, incluido el tiempo necesario para completar cada tarea, el número de trabajadores necesarios y el número de productos fabricados por hora.
2. Modelización de la línea: A continuación, los datos se utilizan para crear un modelo informático de la línea de producción. Este modelo incluye información sobre las tareas, los trabajadores y las máquinas que intervienen en el proceso.
3. Optimización: El modelo informático se utiliza entonces para analizar el proceso de producción e identificar posibles cuellos de botella e ineficiencias. El software puede utilizarse entonces para optimizar la línea ajustando la secuencia de tareas, el número de trabajadores o la velocidad de las máquinas.
4. Simulación: El modelo informático también puede utilizarse para simular el proceso de producción en diferentes escenarios, como cambios en la demanda o la introducción de nuevos equipos. Esto permite a los fabricantes probar diferentes escenarios y determinar el mejor curso de acción.
5. Implantación: Una vez identificada la configuración óptima para la línea, los cambios pueden aplicarse en el proceso de producción real.

Este método permite a los fabricantes equilibrar con rapidez y precisión la línea de producción, y puede utilizarse para identificar y resolver problemas con mayor rapidez y eficacia que los métodos tradicionales. Además, el método informatizado permite una mayor flexibilidad a la hora de probar diferentes escenarios y evaluar los resultados.

Otros métodos de equilibrado de líneas a tener en cuenta

Otros métodos para equilibrar una línea de fabricación son

1. Heijunka: Es un término japonés que se refiere a nivelar el ritmo de producción para ajustarlo a la demanda de los clientes. El objetivo es producir una cantidad constante de productos a un ritmo constante, en lugar de producir en grandes lotes.

2. Tambor-Tampón-Cuerda (DBR): Este método utiliza un «tambor» (el ritmo al que el mercado demanda el producto), un «amortiguador» (un stock de seguridad de inventario de trabajo en curso) y una «cuerda» (el ritmo de producción) para equilibrar la línea de producción.

3. Teoría de las Restricciones (TOC): Este método se centra en identificar y gestionar las restricciones que limitan el rendimiento de la línea de producción. Una vez identificadas las limitaciones, la TOC pretende optimizar el rendimiento de todo el sistema, en lugar de las estaciones individuales.

4. Fabricación ajustada: Este método se centra en eliminar los residuos, reducir la variabilidad y aumentar la eficacia del proceso de fabricación. Es un enfoque que hace hincapié en la mejora continua y se centra en crear un sistema «pull» en el que la producción se basa en la demanda real del cliente.

5. Seis Sigma: Este método es un enfoque basado en datos para mejorar la calidad del proceso de producción. Utiliza el análisis estadístico para identificar y eliminar defectos, reducir la variabilidad y mejorar el rendimiento global.

Ésta es una lista no exhaustiva, y hay otros métodos disponibles que puedes aplicar, como la fabricación de flujo continuo, la fabricación celular, etc. 

En última instancia, debes experimentar con distintos métodos de equilibrado y encontrar el más idóneo según el tipo de producto que fabriques, la cultura de la empresa, el proceso de producción y el objetivo general de tu empresa. 

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