Optymalizacja procesu montażu i spawania na podstawie przykładowego modelu.

W tym artykule przedstawiony zostanie proces montażu i spawania przykładowej konstrukcji stalowej nazwanej modelem-023, która została wykonana ze stali grupy 1 i 3 tj. S355J2+N i S960QL.

 

Model został wymyślony do celów tego artykułu.

 

Rys. 1 Konstrukcja stalowa Model -023

 

Analizę rozpoczniemy od już przyjętego zlecenia i przekazaniu na produkcje budżetu godzin, w naszym przypadku rozpatrywać będziemy tylko proces montażu i spawania. Przyjmujemy, że zlecenie będzie długofalowe i będzie to produkcja seryjna. Aby wykonać zlecenie w terminie, powinno być produkowane z taktem 3szt. na dobę. Waga modelu 023 to masa około półtorej tony.

 

Budżet dla jednej sztuki:

  • Montaż – 9 godzin
  • Spawanie – 24 godziny
  • Takt 3szt na dobę przy zachowaniu badań nieniszczących wg Planu Spawania.

 

Technologiczne przygotowanie produkcji.

Jeżeli nie została przekazana szczegółowa kalkulacja do Działu technologicznego albo po prostu jej nie było, Technolog wykonuje ją sam opracowując proces montażu i spawania. Oczywiście musi się zmieścić w budżecie i tu zaczyna się problem, gdy brakuje godzin.

 

Jak wiadomo rynek konstrukcji jest trudny i często dochodzi do negocjacji cenowych już bez udziału wsparcia technologicznego, więc ostateczna cena za produkt jest niższa niż wstępna kalkulacja.

Należy wówczas zastanowić się nad procesem, jak go poukładać by zbliżyć się do budżetu, a w późniejszej fazie, by na nim zarobić. Należy spróbować wydzielić z konstrukcji podzespoły, które w późniejszym czasie będą tworzyły całość konstrukcji.

 

Proces spawania
Lp. Podzespół Rodzaj spoiny Ilość mb. Czas spawania w min Sumaryczny czas spawania dla wszystkich komponentów w min.
1 HY5
a7
1,8
2,8
27,0
30,0
228,00
2 HY5
a7
1,8
2,8
27,0
30,0
228,00
3 V20 1,02 90,0 90,00
4 a8 16,0 253,0 253,00
5 a8 16,0 253,0 253,00

Tabela 1Kalkulacja dla procesu spawania.

 

Proces spawania
Lp. Podzespół Rodzaj spoiny Ilość mb. Czas spawania w min Sumaryczny czas spawania dla wszystkich komponentów w min.
1 Y14
a12
Y14
1,02
3,77
2,04
60,0
185,0
120,0
365,00

Tabela 1 Kalkulacja dla procesu spawania – cd.

 

Proces montażu
Lp. Podzespół Ilość pracowników Ilość komponentów w modelu 023 Czas jednostkowy montażu w min Suma dla wszystkich komponentów w min.
1 1 4 15,0 60,00
2 1 4 15,0 60,00
3 -- 1 Rura została sczepiona w procesie walcowania ----
4 1 1 80,00 80,00
5 1 1 80,00 80,00
6 2 - 120,00 240,00

Tabela 2 Kalkulacja dla procesu montażu

 

Kolejnym krokiem jest ustalenie makroprocesu z wyszczególnieniem wszystkich kolejnych operacji dla modelu-023.

 

Makroproces dla modelu-023
Kliknij aby pobrać plik pdf

 

Po szczegółowej analizie przygotowujemy technologię montażu i spawania, oraz plan spawania.

 

Kliknij aby pobrać technologię montażu i spawania

 

Plan Spawania
MODEL-023
Numer spoiny Rodzaj spoiny Dop.poz. niez.** Numer pWPS/WPS* Zakres badań NDT Uwagi Podpis Spawacza
1 HY5 C 1/135 VT-100% spoina obwodowa  
2 a7 C 2/135 VT-100% spoina obwodowa  
3 HY5 C 1/135 VT-100% spoina obwodowa  
4 a7 C 2/135 VT-100% spoina obwodowa  
5 V20 B 3/135 VT-100%
MT-100%
UT-30%
MT-po 24h  
6 a8 B 4/135 VT-100%
MT-100%
MT-po 48h  
7 a8 B 4/135 VT-100%
MT-100%
MT-po 48h  
8 a8 B 4/135 VT-100%
MT-100%
MT-po 48h  
9 a8 B 4/135 VT-100%
MT-100%
MT-po 48h  
6' a8 B 4/135 VT-100%
MT-100%
MT-po 48h  
7' a8 B 4/135 VT-100%
MT-100%
MT-po 48h  
8' a8 B 4/135 VT-100%
MT-100%
MT-po 48h  
9' a8 B 4/135 VT-100%
MT-100%
MT-po 48h  

* - pWPS (WPS w opracowaniu)
** - Dopuszczalny poziom niezgodności wg DIN EN ISO 5817 poziom jakości C,B

 

Plan Spawania
MODEL-023
Numer spoiny Rodzaj spoiny Dop.poz. niez.** Numer pWPS/WPS* Zakres badań NDT Uwagi Podpis Spawacza
10 a8 B 4/135 VT-100%
MT-100%
MT-po 48h  
11 a8 B 4/135 VT-100%
MT-100%
MT-po 48h  
12 a8 B 4/135 VT-100%
MT-100%
MT-po 48h  
13 a8 B 4/135 VT-100%
MT-100%
MT-po 48h  
10' a8 B 4/135 VT-100%
MT-100%
MT-po 48h  
11' a8 B 4/135 VT-100%
MT-100%
MT-po 48h  
12' a8 B 4/135 VT-100%
MT-100%
MT-po 48h  
13' a8 B 4/135 VT-100%
MT-100%
MT-po 48h  
14 Y14 B 5/135 VT-100%
MT-100%
MT-po 24h  
14' Y14 B 5/135 VT-100%
MT-100%
MT-po 24h  
15 a12 B 6/135 VT-100%
MT-100%
MT-po 24h  
15' a12 B 6/135 VT-100%
MT-100%
MT-po 24h  
16 Y14 B 5/135 VT-100%
MT-100%
MT-po 48h  
17 Y14 B 5/135 VT-100%
MT-100%
MT-po 48h  

* - pWPS (WPS w opracowaniu)
** - Dopuszczalny poziom niezgodności wg DIN EN ISO 5817 poziom jakości C,B

 

Po przekazaniu dokumentacji rysunkowej i WPS na warsztat, rozpoczyna się produkcja, która jak się okazuje z różnych przyczyn daleko odbiega od godzin technologicznych. Po wykonaniu kilku sztuk proces powinien się ustabilizować. Ilość sztuk uzależniona jest od złożoności konstrukcji, jej wielkości tj. ilości części itd. Należy jak najszybciej przeanalizować proces by zminimalizować straty produkcyjne. W takim wypadku można skorzystać z narzędzi Lean Manufacturing, co stało się dziś ważnym elementem strategii biznesowej wielu organizacji.

Na podstawie modelu-023 zasymulujemy kolejne działania, z wykorzystaniem narzędzi linowskich. W tym przypadku wykorzystamy jedno z narzędzi jakim jest chronometraż. Po jego wykonaniu ustandaryzujemy produkcje i przedstawimy ją na wykresie balansowania linii produkcyjnej.

 

Chronometraż

jest to ustalenie czasu potrzebnego na wykonanie pracy w określonych warunkach techniczno-organizacyjnych na podstawie określonej liczby pomiarów czasu. Służyć może do ustalania norm pracy, w warunkach pracy cyklicznie powtarzającej określone czynności lub o dłuższych cyklach pracy nieregularnej. Obserwuje się za pomocą zegarka przebieg pracy na danym stanowisku w ciągu dnia roboczego i rejestrowaniu następujących po sobie elementów. Obserwacji podlegają zarówno czynności jak i przerwy pomiędzy nimi. Czas końcowy danej czynności jest jednocześnie czasem początkowym następnej. Przydatna przy badaniu struktury dnia pracy (ile czasu zajmują czynności wartościowe a ile pomocnicze i straty). Im bardziej różnorodna praca, im rzadziej powtarzają się czynności, tym dłuższy okres czasu obejmuje fotografia dnia – np. tydzień a nawet miesiąc.

Chronometraż z udziałem grupy złożonej zarówno z osób zaangażowanych jak i nie pracujących na badanych stanowiskach (np. można włączyć handlowca) pozwala spojrzeć na sprawę 'świeżym okiem'.

 

Rezultatem chronometrażu będzie:

  • Dokładna analiza wskazanych obszarów pod względem wartości określonych jako interesujące, ale także pod względem wartości czy zdarzeń, które z punktu widzenia doświadczenia są istotne przy procesie redukcji kosztów, zwiększenia wydajności procesów produkcyjnych i około produkcyjnych.
  • To obiektywny obraz stanu w jakim znajdują się wskazane obszary, sektory.
  • Wskazanie osób, miejsc, maszyn które są tzw. 'wąskim gardłem' badanych procesów.
  • Oszacowanie wartości pracy wykonywanej przez pracowników, ustalenie rzeczywistego czasu poświęcanego na rzetelną 'wartościową' pracę, oraz na co jest przeznaczona reszta czasu, i ile to kosztuje.
  • Wskazanie realnej liczby osób niezbędnej dla prawidłowego funkcjonowania procesów.
  • Dzięki tego rodzaju analizie można ocenić jaki pozostaje w firmie potencjał do ulepszeń, czyli możliwości oszczędności/ zysku.
  • Tego rodzaju analiza jest niezbędną podstawą do przeprowadzania jakichkolwiek działań naprawczych w przyszłości.
  • Na tym etapie można podjąć działania naprawcze i optymalizacyjne, a z czasem w drodze kolejnych przybliżeń tylko ta prosta metoda może doprowadzić do zaskakujących efektów.

Atrybutem tej metody jest to, że posługując się nią można na tym początkowym etapie rozwiązać wiele problemów i zauważalne są pierwsze konkretne efekty. A poza tym znajomość tej metody jest niezwykle użyteczna w wielu innych obszarach przedsiębiorstwa.

 

Przed przystąpieniem do chronometrażu ustalamy ilość stanowisk, które będą podlegać obserwacji oraz ilość obserwacji (3x) na jednym stanowisku. Jest to ważne by wybrać średni czas pracy. Czyli odrzucamy czas najszybszy i najwolniejszy.

 

Kody stanowisk dla produkcji modelu-023

  1. Stanowisko podmontażu przepon górnej i dolnej pMP
  2. Stanowisko spawania przepon SP
  3. Stanowisko spawania rury SR
  4. Stanowisko montażu pierwszego M1
  5. Stanowisko spawania montażu I SM1
  6. Stanowisko Kontroli Jakości Q1
  7. Stanowisko montażu drugiego (scalenie) M2
  8. Stanowisko spawania montażu II SM2
  9. Stanowisko Kontroli Jakości – Odbiór ostateczny Q

Arkusze pomiaru czasu

Pobierz arkusz pomiaru czasu 1

Pobierz arkusz pomiaru czasu 2

Pobierz arkusz pomiaru czasu 3

Pobierz arkusz pomiaru czasu 4

 

Opis oznaczeń w arkuszu pomiarowym:

  • Nazwa procesu – informacja o wykonywanej czynności w produkcji
  • Nazwa elementu pracy – Operacja, która jest składową procesu, kolejność wykonywanej pracy
  • Punkt początkowy procesu – sytuacja lub czynność, od której zaczynamy mierzyć czas.
  • Punkt końcowy-sytuacja lub czynność, przy której kończymy mierzyć czas.
  • Współczynnik tempa pracy – określamy go sami w zakresie od 0,8 do 1, np. dla '1' ustalamy czynności ważne dla procesu, bez których nie można byłoby wykonać produktu na danym stanowisku pracy-są to czynności dodające wartość, a nie np. szukanie pilota do suwnicy, naprawianie narzędzi na stanowisku pracy, niepotrzebne rozmowy, braki pracownika na stanowisku pracy, nie znajomość rysunku technicznego (to niektóre czynności obniżające współczynnik).
  • VA – czas dodający wartość, za który My jako klienci jesteśmy wstanie zapłacić.
  • NVA – czas niedodający wartości, strata.
  • Czas cyklu – to czas VA+NVA

 

Balansowanie linii produkcyjnej

Poniższy wykres pokazuje, jak są obciążone poszczególne stanowiska pracy, na których będzie wykonywany proces montażu i spawania modelu-023. Jak wcześniej ustalone zostało, że co dobę ma być wyprodukowane 3szt.

Linia ma produkować 1szt na 8 godzin pracy. W 8 godzinnym okresie czasu odjęto 15min na przerwę śniadaniową i 15 min na uporządkowanie stanowiska po zakończeniu pracy, czyli 450[min]. Nazwany kalkulowanym czasem taktu, który mnożymy przez zakładany poziom sprawności produkcji, czyli 90%, co daje nam rzeczywisty czas taktu 405[min]. Jest to czas, do którego powinniśmy dążyć przy ustaleniu pracochłonności na poszczególnych stanowiskach pracy. Jak zauważymy jedne stanowiska są przeciążone, gdyż pracochłonność przekracza ustalony czas, oznaczone ciągłą czerwoną kreską, inne nie dociążone. Oczywiście każda firma ma inną sprawność produkcji, a na potrzeby naszego modelu ustalono 90% sprawność produkcji.

Pod wykresem są opisane kody stanowisk tj. pMP, SP, SR itd. Poniżej przypisane są wartości z chronometraży to są VA i NVA. Kolumny są dwukolorowe. Zielony kolor odpowiada czynnością wartościowym VA, czerwony stratom NVA.

NVA należy maksymalnie zminimalizować, poprzez np. odpowiednie ustawienie stanowisk i dostaw materiałów do stanowisk pracy.

 

Balansowanie linii produkcyjnej wg wykonanego chronometrażu
Wykres 1         Balansowanie linii produkcyjnej wg wykonanego chronometrażu.

 

 

Podsumowanie danych po chronometrażu wykonanym w procesach montażu i spawania modelu-023.

 

L.p Kod stanowiska Opis stanowiska Wizualizacja szt. Budżet w [min] Chronometraż w [min] Różnica w [min]
1 pMP Podmontaż przepony górnej i dolnej 4+4 120 192 -72
2 SP Spawanie przepon 4+4 456 664 -208
3 SR Spawanie rur 1 90 160 -70
4 M1 Montaż 1 1+1 160 184 -24
5 SM1 Spawanie montażu 1 1+1 506 516 -10
6 M2 Montaż 2 1 240 326 -86
7 SM2 Spawanie montażu 2 1 365 410 -45
SUMA MONTAŻ 8,66 h 520 702 -182
SUMA SPAWANIE 23,61 h 1417 1750 -333

Tabela 2 Wizualizacja strat w procesie produkcji modelu-023.

 

Według przeprowadzonej analizy produkcja modelu -023 jest nierentowna. Należy wprowadzić środki zaradcze by zminimalizować straty i zarobić na te, które już zostały poniesione.

Pamiętamy z chronometraży, że przepony na montażu zbrojenia wanny na stanowisku M1, były dopasowywane, gdzie stracono wiele czasu, w prawidłowo zaplanowanym procesie ta sytuacja nie powinna mieć miejsca.

 

Proponowana zmiana organizacji pracy w procesie.

  1. Przeprowadzić FAI (First article inspection) czyli kontrola pierwszej sztuki.

Przez FAI fizycznie sprawdzamy wykonanie każdej sztuki w procesie, która wchodzi w skład pozycji modelu -023. I wykonywane są tak długo, aż będą zgodne z ustaloną normą i wymaganiami klienta. FAI ustala się dla kilku pierwszych konstrukcjach modelu-023, np. dla 5szt. Źle wykonane detale są odrzucane i nie mogą pojawić się w procesie.

 

  1. Przeprowadzić FAR, czyli kontrolujemy cały przebieg procesu w naszym przypadku montażu i spawania. Sprawdzamy i ustalamy najdrobniejsze aspekty wykonania kolejnych operacji i modyfikujemy 'Technologię kolejności procesu montażu i spawania'.
  2. Opracowujemy layout stanowisk produkcyjnych (mogą być potrzebne inwestycje).
  3. Wyeliminować niepotrzebne przestoje na wymianę butli z gazem technicznym, np. zainwestować w sieć zakładową z gazem technicznym lub postawić 'baterie' 16 butli na stanowiskach spawania SM1 i SM2. Wyeliminować butle, na które zakłada się reduktory gazowe na te, które maja je zabudowane np. firmy AirLiquid.
  4. Zaprojektować kosze transportowe, w których będą ustawiane przepony po skończonym procesie montażu ich na stanowisku pMP.
  5. Zaprojektować zmiany konstrukcyjne detali, oczywiście w ustaleniu z Klientem. W naszym przypadku dotyczy tu wyeliminowanie spoiny HY5, przy połączeniu poz.6 z poz4 lub poz.3. Służy ona wyłącznie po to by spoina pachwinowa a7 nie podniosła nam pierścienia do góry, przez co zrobi się szczelina w miejscu styku na średnicy otworu 144[mm], która jest niedopuszczalna. Spoina ciągła HY5 będzie zastąpiona spoinami sczepnymi HY5 o długości 10-15[mm] w trzech miejscach na obwodzie otworu 144[mm], co 120°.
  6. Zaprojektować szablon do montażu przepon na stanowisku M1, który umożliwi nam rezygnacje z trasowania wanny do zbrojenia przeponami i pozwoli uniknąć błędów wymiarowych po między nimi.
  7. Wprowadzić zmianę procesu spawania ze zwarciowego przenoszenia metalu w łuku na strumieniowe przenoszenie metalu w łuku, czyli spawanie prądem pulsacyjnym. Firma LORCH posiada w swoich urządzeniach program o nazwie SpeedPuls, który swoją prędkością spawania dorównuje zwykłej 'zwarciówce', przy jednoczesnym zmniejszeniu parametrów spawania. Pozwala to na zmniejszeniu energii liniowej procesu, zwiększeniu udarności złącza i brakiem czyszczenia spoin co jest żmudne i długotrwałe.
  8. Jeżeli w firmie jest uznany proces spawania łukiem krytym, można zmienić również proces spawania rury poz.5 o ściance 20[mm]. Obecnie ukosowana była na V z podpawką. Proces dla potrzeb artykułu odbywał się metodą MAG (135), zmienimy go na ŁK (121). Dla tej metody zmienimy kąt ukosowania na Y z progiem 5[mm] – należy przeprowadzić próby robocze i ustabilizować parametry spawania. Lub można zamówić rury walcowane spawane i kalibrowane w kooperacji na odpowiednią długość. Lub sprowadzić rury o długościach handlowych i ciąć na pile. Możliwości jest wiele, więc trzeba wybrać najkorzystniejszą.
  9. Jeżeli w firmie są pozycjonery spawalnicze można wykorzystać je by ograniczyć obracanie podzespołów lub scalonej konstrukcji za pomocą suwnicy. Należy tylko zaprojektować uchwyt i dobrać masę konstrukcji do nośności pozycjonera.
Loyaut stanowiskowy produkcji Model-023
Rys. 1 Loyaut stanowiskowy produkcji Model-023

 

Na przedstawionym przykładzie wizualizacji stanowisk można zaobserwować, że proces rozpoczyna się od dostarczenia detali na stanowisko podmontaży, czyli pMP.  Centralnie w środku czterech stanowisk są ustawione dwa żurawie o nośności 3ton. Po zakończeniu montażu przepon składowane są one pionowo dłuższym bokiem w stojakach na stanowisku SP. Badania wizualne przeprowadzone na spoinach pachwinowych odbywają się na tym samym stanowisku przez kontrolera jakości po ostygnięciu złącza. Dalszy proces wskazują czerwone strzałki.

 

Spawanie rur poz.5 został w całości wykonany w kooperacji. Na stanowisko M2 zostaje dostarczona jako gotowa pozycja ze wszystkimi odbiorami wykonana metodą 121.

 

Bateria 16 butli i reduktor zintegrowany z butlą firmy Air Liquide
Foto 1  Bateria 16 butli i reduktor zintegrowany z butlą firmy Air Liquide.


Po wprowadzonych zmianach w procesie produkcji modelu-023 i wyeliminowaniu strat można zaobserwować następujące korzyści:

 

Balansowanie linii produkcyjnej po wprowadzonych zmianach w procesie
Wykres 2 Balansowanie linii produkcyjnej po wprowadzonych zmianach w procesie.

 

Podsumowanie

Jak można zaobserwować na wykresie nr 2, zmiana procesu spowodowała obniżenie się czasów wykonania poszczególnych operacji na stanowiskach produkcyjnych. Niektóre operacje zostały całkowicie usunięte. Obecnie niektóre stanowiska są niedociążone. Można je pozostawić i wykonywać większą liczbę podzespołów lub je ze sobą połączyć, by zmniejszyć ilość miejsca dla tego zlecenia. Można połączyć podmontaż przepon z ich spawaniem, co pozwoli zbliżyć się znacznie do rzeczywistego czasu taktu. Spawanie rur poz.5 usuwamy całkowicie z tego stanowiska, bo produkcja tej pozycji będzie odbywała się w całkiem innym obszarze produkcji. Czas wykonania rury diametralnie się zmniejszył z kilkunastu ściegów w metodzie MAG na cztery ściegi w metodzie łuku krytego. Można również połączyć stanowiska montażu drugiego M2 ze spawaniem montażu drugiego SM2. Jak pamiętamy na stanowisku M2 mieliśmy dwóch pracowników, w tym rozwiązaniu jednym z nich może być spawacz. Po zakończeniu montażu, a rozpoczęciu spawania, monter może wykonywać prace na stanowisku M1.

 

Oczywiście trzeba to dokładnie poukładać by wszystkie operacje się zazębiały. Należy pamiętać, że w procesie powinno zostać jedno stanowisko buforowe na ewentualne sytuacje, gdzie będzie trzeba 'coś' naprawić. W naszym przypadku można było zmniejszyć pracochłonność o 30%.

 

Jak wiadomo to tylko przykład jak można postępować z procesem produkcji.  Narzędzia linowskie pokazują nowe podejście do wytwarzania, oparte na elastyczności, wysokiej jakości, eliminowaniu marnotrawstwa i ciągłym doskonaleniu.

 

 

Literatura:

[1] – Normatywy Technologiczne - Spawanie stali niestopowych i niskostopowych metodą MAG – Instytut Spawalnictwa 2001

[2]- Badania Migawkowe materiały WSE– Grażyna Potwora

[3]- https://przemysl.air-liquide.pl/

[4] – Doświadczenie merytoryczne i praktyczne autora artykułu.