¿Cuánta potencia de corte por láser necesita un fabricante de metales?

Determinar qué potencia de corte por láser se adapta mejor a las necesidades de un taller de fabricación de metales depende de cuatro áreas de una empresa de fabricación: sus clientes, recursos, capacidades y costos operativos. Cincinnati incorporada

Nota del editor:El contenido de este artículo se basa en “Cómo poner toda esta potencia del láser a su servicio”, presentado en FABTECH 2021, Chicago, por Troy Wilson, gerente de productos de automatización y láser de Cincinnati Incorporated.

La carrera de kilovatios por corte por láser ha vuelto. Sucedió con las máquinas de CO2 en las décadas de 1990 y 2000, y está sucediendo nuevamente ahora con los láseres de fibra. Hay un lugar para los sistemas de potencia ultraalta de hoy, pero los de menor potencia también tienen su lugar. Entonces, ¿qué potencia de láser se adapta a su operación?

Puede comenzar profundizando en el espesor del material, la calidad y las geometrías de las piezas que corta. Pero antes de sumergirse en la maleza, aléjese y observe el panorama general. Considere su negocio en general en relación con cuatro áreas: sus clientes, recursos, capacidades y costos operativos. La primera área, la combinación de clientes, determina la dirección de las tres restantes, pero las cuatro pueden influir en qué tipo de láser de fibra será mejor para su negocio.

La combinación de clientes de un taller da forma a su modelo de negocio, que en la fabricación de metales generalmente se divide en una o alguna combinación de tres áreas: fabricante de equipos originales (OEM, o fabricante de líneas de productos), fabricación por contrato y taller de trabajo.

Los OEM desarrollan procesos internos en torno a las necesidades de sus productos. Los equipos se adaptan y la producción se ajusta y sincroniza a un ritmo que produzca un rendimiento fluido y predecible con el menor desperdicio posible. La demanda del producto dicta el ritmo de producción.

Los fabricantes por contrato vienen en uno o una combinación de dos sabores. Un tipo describe a los fabricantes que construyen subconjuntos para una variedad de clientes. Es posible que se especialicen en ciertas capacidades que se centran en rangos específicos de tipos de materiales, espesores y precisión de procesamiento, pero en última instancia atienden a un amplio espectro de mercados.

La otra variante de la fabricación por contrato centra todo el negocio en uno o varios mercados relacionados. Los proveedores automotrices de nivel superior entran en esta categoría, pero muchas otras empresas también lo hacen. Un ejemplo menos conocido serían los fabricantes contratados dedicados a la industria de las máquinas tragamonedas.

El último y más omnipresente modelo de negocio es el taller de fabricación de metales. Son la navaja suiza de la industria. Sus principales preocupaciones son una respuesta rápida y acortar el ciclo de pedido a envío.

Medir el tiempo total de fabricación, desde el muelle de recepción hasta el muelle de envío, es útil para cualquier fabricante, pero puede ser especialmente crítico para el taller. Supongamos que adjunta un trozo de papel a una hoja de papel en bruto cuando entra por la puerta. El papel sigue esa hoja mientras se corta, dobla, suelda, termina, empaqueta y envía. Cuanto menos tiempo le lleve a ese papel pasar por el taller, más receptiva será la empresa y más competitivo podrá ser el taller.

Ahora imagine el mismo ejercicio en un OEM. El papel se corta, se dobla y se suelda, y luego se envía a un almacén de productos terminados. Cuando los clientes compran el producto, el producto terminado sale del almacén, lo que completa el ciclo. Ahora imagine que el OEM aumenta su capacidad de fabricación y, sin embargo, la demanda del producto por parte de los clientes no cambia. El material viaja más rápido a través de la planta y luego se deposita en los productos terminados. A pesar de esa mayor capacidad de fabricación, el ciclo de fabricación general no ha cambiado.

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Esto no significa que los OEM nunca tengan que aumentar la capacidad de fabricación. Sin embargo, cualquier decisión de compra que tomen para una máquina de corte por láser (u otro equipo) se basa en los productos que fabrican o podrían fabricar en el futuro. Dicho de otra manera, sus productos generan ingresos, no la capacidad de fabricación.

Los fabricantes por contrato (es decir, los fabricantes por contrato) no venden productos, pero tampoco venden capacidad pura de fabricación de metales. Venden asociaciones de fabricación confiables, y las expectativas que respaldan esas asociaciones definen de qué sabor es el fabricante por contrato. Algunos fabricantes por contrato podrían evolucionar para atender a uno o un grupo reducido de clientes similares (nuevamente, como el fabricante por contrato dedicado al negocio de las máquinas tragamonedas). Otro fabricante por contrato podría atender a una variedad de mercados. Tendrá algunos flujos de valor dedicados a sus clientes más importantes, pero otras áreas de la planta podrían manejar una amplia variedad de pedidos repetidos según el tipo de material, el nivel de calidad o alguna otra métrica.

Imagine medir el tiempo total de fabricación en un entorno de fabricación por contrato. Adjuntas una hoja de papel al material en bruto, que luego fluye a través de la tienda y luego se envía al cliente. Alternativamente, el trabajo podría permanecer durante un tiempo en el almacén de productos terminados del fabricante, del que los clientes obtienen en forma Kanban. Un cliente que retira existencias de productos terminados hace que el fabricante reponga las existencias.

Ahora imagine que el fabricante por contrato aumenta la capacidad de fabricación. Esto acorta el tiempo que el papel pasa en el taller y abre la puerta para que los vendedores vendan las capacidades de fabricación de metales de la empresa a otros clientes que (esperan) se convertirán en futuros socios de fabricación. Impulsar la capacidad de fabricación para respaldar una respuesta rápida y confiable también podría significar que, para los clientes existentes, el fabricante contratado necesite menos inventario de productos terminados.

Por lo tanto, para el fabricante por contrato, aumentar la capacidad puede generar ingresos, pero sólo si esa capacidad ayuda a la empresa a atender a una gama definida de clientes. Cuanto mejor se adapte a un cliente, más probabilidades habrá de que se convierta en socio de fabricación.

Piense en estos tipos de fabricantes (OEM, fabricantes por contrato y talleres) como tres ingredientes que conforman la “receta” del modelo de negocio de un fabricante. Algunos fabricantes utilizan sólo un ingrediente; otros usan dos o tres. Esto es especialmente cierto en el caso de talleres y fabricantes por contrato. Después de todo, un taller exitoso a menudo crece hasta convertirse en un fabricante por contrato, y ciertas áreas del negocio del fabricante por contrato (un prototipo o una celda de giro rápido, por ejemplo) aún pueden operar como el taller que solía ser.

Además, un taller podría desarrollar su propia línea de productos, mientras que un OEM podría vender el exceso de capacidad de fabricación como un taller. Ambos pueden ser buenos movimientos, siempre y cuando estén impulsados ​​por una estrategia planificada.

Por ejemplo, un taller de trabajo podría lanzar una línea de productos para suavizar una demanda altamente variable. Si, por ejemplo, un nido de corte por láser no puede llenarse con los trabajos actuales, un taller puede utilizar piezas de relleno para reponer el stock de sus propios productos. De hecho, a medida que la maquinaria se vuelve más productiva, ese modelo híbrido de línea de productos y taller de trabajo se vuelve aún más viable. Es posible que un fabricante con un láser de potencia ultraalta no tenga que preocuparse de que el taller y las áreas de la línea de productos de la empresa peleen por la capacidad de corte por láser, incluso durante las horas de mayor actividad.

De manera similar, un OEM podría lanzar una división de talleres para vender el exceso de capacidad de fabricación. En este caso, sin embargo, lo ideal es que el lanzamiento del taller sea parte de la estrategia planificada del OEM, no sólo una reacción a una mala inversión en la máquina. Comprar un láser de fibra de 15 kW podría darles a ciertos fabricantes de equipos originales más capacidad de corte por láser de la que necesitarán, por lo que comienzan a vender ese exceso de capacidad. Desafortunadamente, toda la planta de fabricación está diseñada para producir una gama limitada de productos. Agregar trabajos de taller altamente variables a este entorno podría generar algunas ineficiencias importantes.

Un fabricante tiene cinco categorías de recursos disponibles a su disposición. El primero son sus instalaciones, que incluyen el tamaño de la tienda, el espacio disponible no utilizado y la eficiencia con la que se utiliza todo el espacio. También tenga en cuenta que uno de los aspectos que más se pasa por alto aquí es el manejo de materiales. ¿Se puede manejar el flujo de materias primas y productos con los equipos existentes?

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El segundo es el personal. ¿Cuáles son sus habilidades? ¿Cómo se les capacita y qué tan bien se documentan sus conocimientos? ¿Quién se jubilará pronto? ¿Con qué eficacia puede la organización cubrir vacantes y contratar y desarrollar talentos? ¿Qué experiencia tienen en el corte por láser en comparación con procesos relacionados como el punzonado? No importa lo potentes que sean, las buenas máquinas de corte por láser requieren buenas personas para manejarlas.

El tercer recurso, muy relacionado con el segundo, son las horas de disponibilidad. ¿Cuántos turnos trabaja la gente? ¿Puede el taller agregar más turnos si es necesario? Por el contrario, ¿podría una empresa que aumente su capacidad producir lo que necesita en un solo turno y eliminar la necesidad de un segundo turno?

El cuarto recurso son los equipos, que incluyen cómo una empresa mide su eficiencia y sus costos de mantenimiento. El quinto involucra recursos externos. Esto incluye la relación del taller con otros fabricantes que podrían manejar el trabajo excedente (lo que afecta la forma en que una operación puede manejar los picos de demanda), así como con proveedores de servicios externos como recubrimientos en polvo y chapeadores. El aumento de la capacidad de corte por láser sólo puede ser efectivo si la mayor parte del trabajo debe realizarse a proveedores de servicios externos que no tienen la capacidad para manejar el mayor volumen.

Piense en cada una de estas cinco áreas de recursos como botones para “sintonizarse” con las demandas de la combinación de clientes. Un taller sin mucho espacio pero con mano de obra disponible para operaciones de desapilado y posteriores podría invertir en un puñado de láseres de potencia ultraalta para alimentar operaciones de conformado, soldadura y ensamblaje final que pueden expandirse a múltiples turnos durante los momentos de máxima demanda. Si los turnos adicionales no son una opción, esos láseres de alta potencia podrían tener sentido si el taller tiene una buena dosis de trabajo de corte por láser "solo plano". Con una inversión complementaria en automatización, los láseres podrían funcionar sin supervisión durante el fin de semana y enviar las piezas a los clientes a primera hora del lunes por la mañana. Por otro lado, si la demanda requiere recursos posteriores que simplemente no están disponibles, simplemente agregar más potencia de corte por láser no sería un uso eficiente de los recursos.

Aun así, la definición de “uso eficiente de los recursos” depende de la combinación de clientes y del modelo de negocio del fabricante. Un fabricante por contrato que corta principalmente calibre 10. El material y el diluyente podrían utilizar un láser de fibra de 15 kW el lunes por la mañana y terminar el trabajo de una semana entera a la hora del almuerzo. Ese no es un uso muy eficiente de los recursos, al menos para un fabricante por contrato.

Alternativamente, esta misma situación podría abrir una gran oportunidad para un taller de trabajo. El éxito de un taller depende más de la capacidad inmediatamente disponible y menos de la utilización de la capacidad. Es posible que un láser de 15 kW no funcione continuamente en un taller. Pero mientras la capacidad siga disponible (es decir, el sistema pueda entrar en acción y producir piezas en un abrir y cerrar de ojos), ese láser de alta potencia puede ayudar al taller a responder rápidamente. Esto aumenta el flujo de caja y al mismo tiempo hace que el taller sea más competitivo.

Estos incluyen la cadena de pasos de fabricación desde el pedido hasta el envío (cotización, ingeniería, corte, plegado, soldadura, pintura, ensamblaje y envío) junto con la naturaleza de las piezas y ensamblajes que fluyen a través de esos pasos. Adoptar una visión holística aquí ayuda. ¿Cómo llegan los pedidos a la puerta? ¿Cómo los presenta el sistema de planificación de recursos empresariales (ERP) y qué pasos se siguen para enviar esos pedidos al piso? Lo último que quiere un fabricante es un punto de estrangulamiento operativo en el procesamiento y la ingeniería de pedidos, antes de que las piezas lleguen a la operación de corte principal.

Los procesos posteriores también son importantes. Supongamos que un fabricante mejora su capacidad de corte por láser y luego envía piezas posteriormente. Todo parece ir bien hasta que llegan a un proceso de recubrimiento en polvo por lotes, un recurso compartido y un punto de estrangulamiento demasiado frecuente. Para aumentar verdaderamente el rendimiento y aprovechar al máximo el corte por láser y otras inversiones en equipos en sentido ascendente, las operaciones deben abordar los cuellos de botella en sentido descendente. En el ejemplo actual, una línea continua de pintura en polvo con pretratamiento podría ser una buena inversión si elimina el punto de estrangulamiento.

Aun así, los puntos críticos no deberían analizarse sin considerar el panorama más amplio. Aquí es donde entran en juego las rutas de trabajo y los diagramas espagueti. Digamos que un fabricante por contrato tiene un área de producción principal con cinco láseres que alimentan 20 plegadoras y 25 estaciones de soldadura. Esto les da a los trabajos múltiples carriles para viajar hacia la línea de meta. En un área separada, tiene un flujo de valor dedicado a un cliente que exige que los productos se fabriquen y manipulen de cierta manera. Cada área tiene distintas necesidades de supresión. El flujo de valor dedicado al cliente funciona perfectamente bien con dos centros de corte por láser de baja potencia. La línea está equilibrada y el fabricante contratado puede mantener una entrega confiable. Aumentar la potencia de corte por láser sería un desperdicio.

Pero ¿qué pasa con la principal zona de producción? Un láser de potencia ultraalta podría darle a la operación suficiente exceso de capacidad para garantizar que el resto de la planta nunca se quede sin trabajo. Alternativamente, la operación (teniendo en cuenta los recursos de mantenimiento disponibles) podría optar por reducir el número de centros de corte por láser que tiene de cinco a cuatro.

En otro escenario, invertir en una potencia láser más baja podría adaptarse mejor a la operación, dependiendo de la combinación de productos, especialmente si se consideran los recursos necesarios para desapilar las hojas. De hecho, resulta útil pensar en el corte por láser y el desapilado como un solo proceso. Después de todo, el corte por láser no está realmente completo hasta que está disponible y se presenta a las operaciones posteriores.

Considere una hoja delgada encajada con solo unas pocas piezas rectangulares grandes, demasiado grandes para que las personas las manejen cómodamente. En este caso, un láser de baja potencia puede cortar con la suficiente rapidez como para seguir el ritmo de un clasificador de piezas automatizado. Es posible que aumentar la potencia del láser en esta disposición no ayude, ya que la automatización no podría seguir el ritmo. Lo mismo sería cierto incluso si el taller dependiera del desapilado manual. Y sí, como parte de un sistema de fabricación flexible, esas piezas podrían transportarse de regreso a una torre de almacenamiento, pero eventualmente alguien tendría que desalojarlas.

Una mezcla de piezas diferente cambia la situación por completo. Considere una operación en la que la mayoría de los nidos constan de piezas medianas a pequeñas. En este caso, un láser de menor potencia podría tardar mucho en cortar todos esos perímetros de la pieza. Los desapiladores tienen tiempo más que suficiente para clasificar las piezas. Sin embargo, un láser de potencia ultraalta puede reducir significativamente el tiempo de procesamiento, como en el caso del acero al carbono de entre 0,25 y 0,5 pulgadas. Los clasificadores de piezas manuales seguramente se mantendrán ocupados, y el área podría requerir algunas personas adicionales, pero probablemente ganaron. No te sientas abrumado.

Aquí, por fin, es donde entran en juego la calidad y el espesor del material. Digamos que el 80% del trabajo de un taller implica cortar calibre 16. aluminio. Encuentran que la diferencia de velocidad entre un sistema de 8 kW y un sistema de 15 kW es insignificante, entonces, ¿por qué invertir en un sistema de 15 kW?

Aun así, evite considerar la velocidad de corte de forma aislada. El gas de asistencia también es importante. Considere una operación que corta una gran cantidad de 0,5 pulgadas. acero carbono. Tradicionalmente, esto se habría cortado con láser utilizando oxígeno como gas auxiliar, lo que significaba que las piezas probablemente tendrían que enviarse a través de un proceso secundario para eliminar la capa de óxido. Hoy en día, sin embargo, los láseres de alta potencia pueden cortar dichas piezas con nitrógeno puro o incluso con aire ultraseco, produciendo piezas en bruto con un borde libre de óxido. Cortar unos cuantos centímetros más por minuto es bueno, pero eliminar una operación secundaria completa es aún mejor.

Cuando se trata de cortar material muy grueso, de 1 a 1,25 pulgadas, considere el mercado para dichas piezas. Las placas gruesas cortadas con láser pueden lucir extraordinariamente atractivas en el piso de una feria, pero hay que tener en cuenta que dicho corte de placas es un nicho especializado. Existen operaciones de corte por láser de placas pesadas, pero tienen éxito al acceder a mercados que nunca consideraron el corte por láser como una opción. En primer lugar, es necesario diseñar la mesa de un láser para soportar placas tan pesadas. En segundo lugar, la operación en su mayor parte competirá con el corte por plasma de alta definición, un proceso menos costoso y, a menudo, más adecuado.

Estos incluyen los sospechosos habituales como costos de instalaciones, mantenimiento de equipos, costos de personal y costos de servicios externos. ¿Tiene sentido la integración vertical, como incorporar internamente el recubrimiento en polvo u otros procesos previamente subcontratados?

Aquí también entran en escena sospechosos menos habituales, incluido el consumo de energía. Un taller en una zona con electricidad cara podría tener una estrategia de inversión en equipos diferente, especialmente cuando se trata de gas auxiliar. En áreas de bajo costo energético, los sistemas de generación de nitrógeno pueden tener mucho sentido, pero a medida que aumenta el costo por kilovatio-hora, el nitrógeno a granel comienza a parecer mucho más atractivo.

Considere un taller en San José, California, y otro en Spokane, Washington. En San José, el costo total de las instalaciones por pie cuadrado es tan alto que el taller no agrega equipos; reemplaza el equipo. Ampliar el edificio es demasiado caro. La operación necesita exprimir todo el valor posible de cada pie cuadrado que tiene y sacar más provecho de cada vatio que consume la instalación. Mientras tanto, el taller de Spokane tiene el espacio y puede permitirse el lujo de agregar algunos láseres, lo que a su vez determinará qué tipo de láseres se adaptan mejor a la operación.

Después de analizar el panorama general (sus clientes, recursos, capacidades y costos operativos), estará listo para descubrir qué sistema láser se adapta mejor a su operación. Esto incluye no sólo el nivel de potencia, sino también el nivel de automatización.

Sin embargo, un desafío es que los modelos de negocio evolucionan, las demandas de los clientes cambian y la tecnología avanza más rápido que nunca. El láser de fibra ha dado a la industria un enorme motor; ahora, los avances en transmisiones, servomotores, cabezales de corte y boquillas encontrarán nuevas formas de aprovechar al máximo ese motor.

La modularidad será cada vez más importante. Los fabricantes no sólo podrán agregar torres y automatización a los láseres existentes, sino que también podrán cambiar las fuentes de luz láser y no toda la máquina. El intercambio puede realizarse en un solo turno, no en varios días o semanas.

Digamos que un fabricante necesita reemplazar varios láseres de CO2 viejos. Sigue siendo principalmente un taller de trabajo, por lo que elige el láser de fibra de 10 kW, tipo navaja suiza, que lo hace todo. La operación crece y, para cubrir capacidad, suma una torre al láser de 10 kW. A medida que el negocio evoluciona, sus necesidades cambian. El taller descubre que se centra cada vez más en el calibre 10. y material más delgado. De hecho, realmente es necesario separar ese calibre 10. trabajar del resto para cumplir con los requisitos de tiempo del ciclo.

Por lo tanto, invierte en un láser de fibra de 5 kW, lo suficientemente potente como para procesar nidos de piezas de tamaño mediano de calibre 10, la mayoría sin características internas que requieran mucho tiempo ni contornos intrincados. La cuestión es que la mezcla de 10-ga. y las piezas más delgadas están maduras para la automatización. Mientras tanto, el láser automatizado de 10 kW, siempre la navaja suiza, se ha vuelto más adecuado para procesar nidos dinámicos para una variedad de trabajos de bajo volumen: la “cola larga” de la combinación de productos del taller.

¿Cual es la solución? Aquí es donde entra en juego la modularidad. La automatización se retira del láser de 10 kW y se coloca en el sistema de 5 kW. El sistema de 5 kW ahora gestiona las piezas principales del taller, encargadas repetidamente. Mientras tanto, la máquina de 10 kW se convierte en la máquina de respuesta rápida del fabricante, donde se puede cargar, cortar, desapilar y enviar un pedido en cuestión de horas.

Esta modularidad será cada vez más crítica en los próximos años. La tecnología evolucionará a medida que los fabricantes evolucionen, a medida que crezcan de un taller de trabajo a un fabricante por contrato, a medida que lancen líneas de productos, a medida que reorienten su negocio para aprovechar nuevas oportunidades. A medida que cambie el negocio de fabricación de metales de precisión, el corte por láser, una tecnología central que ha dado forma a la industria moderna de chapa de precisión, cambiará con él.