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Cálculo del Cuello de Botella de un Proceso Productivo

El término «Cuello de Botella» de un proceso productivo se refiere a una actividad (o conjunto de actividades) que limita la capacidad de producción y en consecuencia el tiempo de ciclo del proceso. Es importante recordar que no necesariamente la actividad que requiere mayor tiempo para ser ejecutada en un proceso será el cuello de botella del mismo, tal cual fue analizado en el artículo Preguntas Frecuentes sobre Procesos: Capacidad, Tiempo de Flujo y Tiempo de Ciclo. En el siguiente artículo presentamos un ejemplo de un proceso productivo simple que nos ayudará a ilustrar el concepto de cuello de botella y cómo este puede ser modificado al incorporar variaciones en el proceso.

En la cafetería de la Universidad todas las mañanas se venden cafés y sándwich a pedido. Actualmente la dueña Soledad está analizando el proceso en su local. Para vender cafés y sándwich Soledad contrató a 5 alumnos: Matilde, Ignacia, Valentina, Lorenzo y Gustavo, para realizar las siguientes etapas en forma secuencial:

Matilde: Tomar orden (1 min/orden)
Ignacia: Juntar materiales (vaso de café e ingredientes sándwich) (2 min/orden)
Valentina: Preparar el café y cortar el pan (3 min/orden)
Lorenzo: Preparar sándwich (jamón/queso) (4 min/orden)
Gustavo: Preparar bandeja con servilletas, servicio y plato (1,5 min/orden)

Confeccione un Diagrama de Flujo, indique la capacidad de cada etapa y del sistema y también el tiempo promedio de ciclo del sistema.

Con el Diagrama de Flujo anterior se procede a calcular la capacidad de cada estación de trabajo en órdenes/hora u órdenes/minuto. La elección es arbitraria y en nuestro caso calcularemos la capacidad de cada etapa y del proceso como un todo en órdenes/hora según se muestra a continuación:

Preparar sándwich es el cuello de botella (Lorenzo) por tanto la capacidad del proceso es de 15 (órdenes/hora) o equivalentemente 1/4 (orden/min). El tiempo de ciclo promedio es de 4 (min/orden). En el artículo Cómo Calcular la Capacidad y el Tiempo de Ciclo de un Proceso con una Carta Gantt se detalla el procedimiento para obtener estos indicadores. En este contexto a continuación se puede apreciar que el tiempo promedio entre órdenes consecutivas (en operación estable) es de 4 min/orden.

Consideremos ahora la siguiente pregunta adicional: Soledad quiere aumentar la capacidad de la cafetería y decide contratar a Mauricio. Mauricio puede trabajar en paralelo con cualquiera de sus colegas, demorándose lo mismo que ellos (por ejemplo si trabaja con Matilde se demora 1 min para tomar orden). Con la contratación de Mauricio, Soledad afirma que se puede doblar la capacidad del sistema. ¿Ella está en lo correcto? Si está de acuerdo, explique porque. Si no diga cuál es el menor número de funcionarios con las mismas características de Mauricio que hay que contratar para doblar la capacidad del sistema.

Soledad no está en lo correcto. Para doblar la capacidad son necesarias 2 personas: una persona adicional para preparar café y cortar pan y una persona adicional en la tarea preparar el Sándwich. La nueva capacidad subirá a 30 ordenes/hora, el doble de la original, con cuellos de botella en Juntar Materiales (Ignacia) y Preparar sándwich (Lorenzo). Con una sola persona trabajando con Lorenzo en Preparar el Sándwich el cuello de botella será Preparar café y cortar el pan (Valentina) y la capacidad subirá a solamente a 20 ordenes/hora.

Notar que en la nueva Carta Gantt que considera incorporar a Mauricio a la tarea de preparar el sándwich (cuello de botella original) el tiempo de ciclo promedio es de 3 (min/orden), corroborando que la capacidad modificada es de 20 (órdenes/hora).

Cómo calcular la Capacidad y el Tiempo de Ciclo de un Proceso con una Carta Gantt

Una forma intuitiva de obtener el tiempo de ciclo de un proceso y luego su capacidad es a través de una Carta Gantt. En el siguiente artículo mostraremos cómo calcular dichos indicadores tomando como ejemplo un proceso sencillo que consta de 3 etapas secuenciales (A, B y C, respectivamente) cuyos tiempos de flujo se detallan en el diagrama. Es importante destacar que asumimos que existe la posibilidad de almacenar inventario en proceso (o WIP por sus siglas en inglés «work in progress») entre las actividades A y B y B y C, que se denota usualmente a través de un triangulo entre cada actividad.

Una Carta Gantt que representa la configuración y evolución del proceso descrito anteriormente corresponde a:

Para una mayor claridad se han considerado distintos colores para las unidades que pasan por el proceso. Por ejemplo, la primera unidad (color amarillo) requiere 5 minutos en la etapa A y luego pasa inmediatamente por 15 minutos adicionales (es decir hasta el minuto 20) a la etapa B, para finalmente terminar en la etapa C (10 minutos adicionales) al cabo de 30 minutos desde que se inició su procesamiento (es decir, el tiempo de flujo de la primera unidad es de 30 minutos). En cuanto a la segunda unidad (color azul), ésta comienza en la etapa A tan pronto termina la primera unidad (comienza en el minuto 5 y termina en el minuto 10), sin embargo, para que sea procesada en la etapa B requiere que dicha etapa haya completado previamente la primera unidad (lo que retrasa el inicio de la segunda unidad al minuto 20 en la etapa B y terminando por tanto en el minuto 35). Finalmente la segunda unidad pasa a la etapa C concluyendo su operación en el minuto 45 (se puede apreciar que el tiempo de flujo de la segunda unidad sería en este caso 40 minutos que corresponde al tiempo trascurrido desde que se inician las operaciones para la segunda unidad en la etapa A (minuto 5) hasta que se concluye la etapa C para dicha unidad (minuto 45).

Es importante observar, por ejemplo, que la segunda unidad debe esperar 10 minutos (en el inventario en proceso) para pasar de la etapa A a la etapa B. Adicionalmente se puede concluir que el tiempo mínimo que requiere una unidad en pasar por el sistema (etapas A, B y C) es de 30 minutos (tiempo de flujo).

Repitiendo el procedimiento anterior se concluye que el tiempo que transcurre entre la primera y segunda unidad es de 15 minutos, patrón que se repite entre los tiempos de termino de la segunda y tercera unidad, tercera y cuarta unidad (y así sucesivamente). En consecuencia el tiempo de ciclo (tiempo promedio para la producción de dos unidades consecutivas es de 15[min/u]. Luego la capacidad del proceso es el recíproco del tiempo de ciclo, es decir, 1/15[u/min] o equivalentemente 4[u/hora] (que se obtiene de multiplicar 1/15[u/min] por 60[min/hora]). La actividad «cuello de botella» en este caso sería la etapa B.

Notar sin embargo que en la primera hora de trabajo no se han completado 4 unidades (en particular se han terminado sólo 3 unidades) lo cual no contradice la definición de capacidad de un proceso, dado que 4[u/hora] es lo máximo que puede generar el proceso bajo un régimen estable de operación, es decir, cuando se reconoce que las unidades consecutivas terminan el proceso en un intervalo de tiempo fijo (que en el ejemplo corresponde a 15 minutos lo cual representa el tiempo de ciclo).

Análisis Cuantitativo de un Proceso Productivo y su relación con la Ley de Little

Existe una estrecha relación teórica y práctica entre el análisis cuantitativo de un Proceso Productivo (donde se calculan frecuentemente indicadores de gestión como capacidad, tiempo de ciclo, tiempo de flujo, utilización, entre otros) y las Líneas de Espera.

Lo anterior generalmente suele ser materia de estudios de cursos de Gestión de Operaciones e Investigación Operativa. En el siguiente artículo ilustraremos dicha relación a través de un ejemplo sencillo que fue compartido por uno de nuestros lectores.

En el taller ABC se dedican a la reparar carrocerías de autos, en particular desabollan y pintan. En la entrada del taller atienden las recepcionistas Mónica y Silvana quienes reciben a los clientes y revisan si viene con los papeles apropiados (documentos del auto, ven si el trabajo se puede hacer en el taller, presupuesto valido, etc). Si todo se encuentra en orden se genera una ficha para el automóvil y es ingresado al taller. Si no Mónica o Silvana, según corresponda, le informan al dueño del vehículo qué debe hacer, ya sea ir a otro taller o volver otro día.

En la entrada del taller esperando para ser atendidos hay, en promedio, 1 automóvil esperando además de los que están revisando Mónica y Silvana.

(a) Si los autos llegan al taller a una tasa promedio de 2 autos por hora, ¿cuánto tiempo en promedio espera un cliente para saber si su auto será ingresado al taller o no?

Para responder lo anterior aplicamos la ecuación de la Ley de Little donde nos interesa calcular el tiempo que en promedio permanece un cliente en el sistema (Ws), dado que recién luego de la entrevista con una recepcionista el cliente sabrá si su auto se ingresará al taller o no.

Continuando con el análisis consideraremos la siguiente información adicional: En el interior del taller el trabajo en los automóviles se divide en 4 etapas:

Desabolladura, en esta etapa hay un sólo trabajador (A).
Pintado, en esta etapa de pintado hay 4 trabajadores (B1, B2, B3, B4).
Secado, no necesita trabajadores, puede asumir que hay tantos espacio como autos se necesiten secar (D).
Entrega, en esta etapa hay un sólo trabajador (E).

En la siguiente figura puede ver como se organiza el taller y el tiempo promedio que toma cada tarea:

(b) Encuentre el cuello de botella del proceso, la capacidad de cada estación y la capacidad total.

La capacidad de cada estación de trabajo se detalla a continuación. Notar que los trabajadores de la etapa de pintado trabajan en paralelo, por tanto se suman sus respectivas capacidades. Adicionalmente como la etapa D (secado) no tiene restricciones en cuanto al número de vehículos que simultáneamente pueden pasar por dicha actividad, se considera en consecuencia que su capacidad es infinita.

El cuello de botella son los trabajadores de las actividades de Pintado, siendo la capacidad del taller de 19/12[autos/hora].

(c) Suponga que, de los 2 autos por hora que en promedio llegan al taller, entran a desabollarse efectivamente el 70%. ¿Cuál es la utilización de las etapas A y E?

La tasa de entrada (λ) efectiva de autos al taller es λ=0,7*2[autos/hora]=1,4[autos/hora] y representa la demanda del sistema. Por tanto la utilización de los trabajadores de las etapas A y E son:

Claramente la tasa de llegada tiene un impacto directo en la utilización de los trabajadores, más aun en un contexto de una empresa de servicios como el descrito en el ejemplo que hemos propuesto en este artículo, donde el taller responde a la demanda de los clientes y por supuesto no puede anticiparse a la demanda (como el enfoque de los procesos productivos de fabricación contra stock conocidos comúnmente como «make to stock»).

Preguntas Frecuentes (Procesos): Capacidad, Tiempo de Flujo, Tiempo de Ciclo

Para desarrollar un análisis cuantitativo de procesos productivos (proceso de transformación de insumos en productos o servicios) generalmente se hace referencia a indicadores de gestión que permiten evaluar el desempeño y eficiencia de dicho proceso en el tiempo. Algunos de los indicadores más utilizados son capacidad, tiempo de flujo y tiempo de ciclo. A continuación los definimos brevemente para luego aplicarlos a un ejemplo tipo:

Capacidad de un Proceso: corresponde a la tasa máxima de producción, es decir, cuántas unidades en un intervalo de tiempo un proceso (sistema) puede producir.
Tiempo de Flujo: es el tiempo de producción, es decir, es el tiempo mínimo total que una unidad se demora en pasar por el sistema.
Tiempo de Ciclo: es el tiempo promedio entre la producción de dos unidades consecutivas.

A continuación presentaremos un proceso de producción sencillo de fabricación de muebles.

La Capacidad del Proceso es de 10 [u/hora]
El Tiempo de Flujo (para la primera unidad) es de 19 [min] (5+8+6)
El Tiempo de Ciclo del proceso es de 6 [min] (si se producen 10[u/hora] en promedio se produce una cada 6[min])

Las siguientes preguntas frecuentes nos permitirán entender mejor los conceptos relacionados con los procesos productivos:

1. ¿Si se dobla la capacidad de la actividad cuello de botella entonces se doblará la capacidad del proceso?.

Falso. Esto no es cierto en todos los casos. En nuestro ejemplo la actividad cuello de botella es Pintar y su capacidad es de 10[u/hora] (recordar que la capacidad conjunto de las etapas Ensamblar es de 13,5[u/hora]). Si doblamos la capacidad de Pintar su nueva capacidad será ahora 20[u/hora] y ahora el cuello de botella es Pulir. La nueva capacidad del proceso es de 12[u/hora] lo que no es el doble de la capacidad original.

2. ¿En una hora de trabajo se producirán exactamente las unidades que indica la capacidad del proceso?.

Falso. De otra forma en la primera hora de trabajo no se alcanzan a producir las 10[u/hora] que indica la capacidad del proceso. ¿Por qué?. La razón es que la(s) primera(s) unidad(es) se demoran más que las unidades cuando el proceso se encuentra estabilizado. Por ejemplo, la primera unidad sale del sistema a los 19[min] (tiempo de flujo), la segunda unidad sale a los 26[min] (7 minutos después de la primera), la tercera, cuarta, quinta, etc, unidades salen cada 6[min] (tiempo de ciclo) lo que permite anticipar que las unidades que sigan saldrán en promedio cada 6[min]. La Carta Gantt a continuación permite visualizar el proceso en su primera hora donde queda de manifiesto que no se alcanzan a procesar en forma completa las 10 unidades.

3. ¿Cómo determinar entonces cuántas unidades completas se alcanzan a procesar en la primera hora de trabajo?.

Para ello utilizamos la siguiente fórmula:

T(N)=TF+(1/Cap)*(N-1)

En nuestro ejemplo: 60[min]=19[min]+6[min/u]*(N-1) ==> N=7,833[u] ~ 7[u]

Es decir, se alcanzan a producir en forma completa 7 unidades en la primera hora. Notar que esto no contradice la capacidad del proceso. Si tomamos un horizonte de tiempo más amplio (2 horas, 3 horas, etc) la cantidad de unidades que se puedan procesar en promedio en una hora convergerá a la capacidad del proceso que es de 10[u/hora]. El motivo de lo anterior es que cada vez el efecto de las primeras unidades (hasta la estabilización del proceso) es menor.

Cómo calcular la Capacidad de un Proceso con Actividades en Paralelo

En un Proceso Productivo con actividades en paralelo el cálculo de su capacidad, es decir, cuántas unidades se fabrican en promedio en un determinado período de tiempo ( se puede definir arbitrariamente en unidades fabricadas por segundos, minutos, horas, etc) depende, entre otros aspectos, de la configuración del proceso, la duración de cada actividad y los recursos involucrados en cada una (personal, maquinaria, etc).

Para una mejor comprensión de los conceptos consideremos un ejemplo sencillo que corresponde a un proceso productivo para la fabricación de un mueble. Asumamos que en cada actividad trabaja un trabajador:

Capacidad de un Proceso con Actividades en Paralelo

Un mueble se termina en la medida que pasa por las actividades de Pulir, Ensamblar y Pintar (en ese orden) y resulta evidente que existen 2 caminos que permiten cumplir esa secuencia.

Las actividades Ensamblar están en paralelo, es decir, los trabajadores de estas actividades puedes estar operando en forma simultanea en un mismo instante en el tiempo. Dicho de otra forma, el trabajador que Ensambla en la línea de abajo no necesita esperar a que el trabajador que Ensambla en la línea de arriba se desocupe para comenzar a trabajar (y viceversa).

Para calcular la capacidad del proceso de producción de muebles debemos calcular la capacidad de cada uno de las actividades en forma individual.

La etapa Pulir tiene una capacidad de 12[u/hora] (también es correcto decir que la capacidad de Pulir es de 1/5[u/min]); la etapa Ensamblar de la línea de arriba tiene una capacidad de 7,5[u/hora] y la etapa Ensamblar de la línea de abajo tiene una capacidad de 6[u/hora]. Finalmente el trabajador de la etapa Pintar tiene una capacidad de 10[u/hora].

Los 2 trabajadores de las etapas Ensamblar tienen una capacidad conjunta de 13,5[u/hora] (es la suma de la capacidad individual de cada uno, es decir, 7,5+6[u/hora]). Luego la capacidad del proceso es de 10[u/hora] y el Cuello de Botella es la actividad Pintar.

¿Cuál sería la capacidad ahora si el trabajador de la etapa Ensamblar de la primera línea en vez de demorar 8 min ahora demora 20 min?.

En este caso la capacidad de las etapas Ensamblar en paralelo sería 9[u/hora] (3+6[u/hora]) y por tanto las actividades en paralelo ahora serían el cuello de botella, teniendo el proceso una capacidad de 9[u/hora].

Recomendamos revisar el artículo Cálculo de la Capacidad de Producción en un Proceso Flexible con una Carta Gantt donde a través de esta herramienta frecuentemente utilizada en la Gestión de Proyectos se puede corroborar de forma intuitiva el cálculo de la capacidad de un proceso productivo.