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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).

Características de un Proceso Productivo Flow Shop (Producción en Masa)

Un Proceso Productivo Flow Shop (conocido también como Producción en Masa) es similar a un proceso continuo, no obstante, está orientado al producto en líneas de fabricación exclusivas. El Flow Shop es un proceso de transformación en el cual continuas unidades de salida que fluyen en forma discreta siguen una misma secuencia de operaciones, con baja variación en el producto y a muy alta velocidad, involucrando líneas de producción. Una representación esquemática de un proceso de estas características se muestra a continuación:

Algunos ejemplos típicos de procesos tipo Flow Shop es el ensamble de electrodomésticos (donde se implementa el Plan de Requerimiento de Materiales o MRP), el envasado de vino y bebidas gaseosas, la fabricación de tarros de conserva, etc.

Las características de un proceso Flow Shop o de producción en masa son las siguientes:

Alto volumen de producto: Debido a que es un proceso con baja variedad de producto esto contribuye a un mayor volumen de producción. Esto es vital para que la empresa pueda alcanzar economías de escala.

Baja variedad de producto: Los productos suelen ser estándares y con baja variabilidad en sus características de modo que la producción sea masiva.

Equipamiento de propósito específico: En concordancia con la baja variedad de producto. Adicionalmente esta característica establece mayores barreras a la salida en caso de ser necesario vender los activos fijos.

Operadores menos capacitados: Al ser un proceso repetitivo el conocimiento de la función a desempeñar se alcanza con mayor rapidez. Luego las instrucciones de trabajo son escasas.

Bajo valor de la materia prima comparado con el valor del producto: Como también un inventario de producto en proceso (WIP) relativamente bajo en relación a la salida (output).

Make to Stock: Se fabrica para almacenar inventario de producto final y con estas unidades enfrentar la demanda del mercado lo que permite una mayor rapidez de respuesta en comparación a un proceso Job Shop. Para ello es vital realizar Pronósticos de Demanda que sean acertados.

Programación simple: Debido a la estandarización del proceso y el énfasis en el volumen de producción, se debe fijar una tasa de salida ad-hoc a los pronósticos de ventas.

Características de un Proceso Productivo Job Shop (Producción Tipo Taller)

Un sistema productivo es un conjunto de componentes cuyo fin es convertir insumos en productos. En este contexto la clasificación de procesos productivos permite ordenar el análisis y sugiere las prioridades competitivas que se deberán privilegiar. Una de dichas clasificaciones corresponde a los procesos productivos Job Shop el cual está orientado a trabajos tipo taller. El Job Shop es un proceso de transformación en el cual los productos siguen diferentes trayectorias y secuencias a través de los procesos y máquinas, las cuales se encuentran agrupadas por funciones. Una representación esquemática de un proceso tipo taller con rutas alternativas se muestra a continuación:

La producción artesanal de ropa realizado por una modista como también la fabricación de parte y repuestos para maquinaria que se realizan en maestranzas industriales son ejemplos clásicos de los procesos Job Shop.

Las características típicas de un proceso Job Shop son las siguientes:

Alta variedad de producto: La flexibilidad del proceso permite adaptarse a distintos tipos de necesidades de los clientes.

Bajo volumen de producción: A diferencia de un proceso productivo Flow Shop, en un Job Shop la producción es en volúmenes relativamente bajos dado que se enfrentan requerimientos heterogéneos por parte de los clientes.

Equipos y máquinas de propósito general: Esto permite ofrecer una alta variedad de producto. Por ejemplo, en una maestranza industrial se dispone de soldadoras, tornos, fresadoras, herramientas, etc, que permiten atender distintos tipos de pedidos de los clientes. Dado su propósito general en caso de cierre del negocio, las barreras a la salida son más bajas (en comparación a un proceso tipo Flow Shop).

Operadores ampliamente capacitados: De modo de mantener un proceso productivo flexible que se adapte a las necesidades de los clientes, se requiere de trabajadores altamente capacitados, de modo que puedan abordar las distintas necesidades de producción.

Muchas instrucciones de trabajo: Un proceso Job Shop suele no ser repetitivo en contraste a un proceso Flow Shop que es estandarizado y donde las instrucciones de trabajo son escasas.

Alto valor de la materia prima relativa al valor del producto: Como también un inventario de producto en proceso (WIP) relativamente alto en relación al output o salida.

Flujo lento de productos: Básicamente por la necesidad de disponer de un proceso flexible.

Make to Order: Equivalente a producción a pedido donde los productos se procesas una vez que el cliente ha planteado su requerimiento. De esta forma se busca generar una oferta personalizada. No obstante para mitigar las implicancias que tiene en la rapidez de respuesta esta situación, es frecuente observar actualmente la proliferación de procesos híbridos donde se produce contra stock aquello que suele ser estándar en el producto y se termina a pedido los elementos que son más heterogéneos en cuanto a los requerimientos. De esta forma se busca rescatar la flexibilidad de un proceso Job Shop con la rapidez de respuesta que tiene un proceso Flow Shop.

Expansión de capacidad flexible: Es relativamente sencillo agregar nuevas máquinas o substituir las que se utilizan actualmente en el proceso productivo.

Programación compleja: La programación de la producción de un proceso Job Shop se caracteriza por ser compleja (en parte por las características detalladas anteriormente). En términos computacionales dicha programación de trabajos se suele considerar NP-Hard.

Estimación del Costo de Producción de un Producto bajo Control de Calidad

Estimar de forma correcta los costos de producción es vital al momento de la fijación de precios dado que de esto dependerá si se logra cubrir los costos fijos y variables asociados al Proceso Productivo, como también por cierto el cumplimiento de determinadas expectativas de rentabilidad. Dicho proceso de estimación es más complejo cuando en la fabricación de los productos se incurre en unidades defectuosas que requieren reproceso y/o simplemente son descartadas en el contexto de un control de calidad.

Consideremos por ejemplo un restaurant que tiene como política comercial generar un margen de comercialización de un 32%. Cada cliente paga $10.000 y el costo por cliente es de $6.800. Adicionalmente el 5% de los clientes se retira del restaurant sin pagar la cuenta.

¿Cuál es el margen de comercialización real?. Si atendimos 100 clientes el costo es de $680.000, no obstante dicho costo debe ser asumido por 95 clientes (dado que 5 de cada 100 clientes no paga), por tanto el costo de atender a cada uno de ellos es de $680.000/95=$7.157,89. En consecuencia el margen real es de $10.000-$7.157,89=$2.842,11, es decir, un 28,42%.

Un ejemplo con mayor detalle se presenta a continuación. Una empresa fabrica 2 productos (A y B). Cada uno de ellos requiere un pack de insumos correspondiente a la manufactura inicial de $2.00. Luego el producto se somete a un primer Test (con un costo de $0.50) donde el 10% es descartado, el 60% pasa a un ajuste de terminaciones (con un costo de $1.50) para terminar como Producto A y el 30% restante a un segundo Test (con costo de $0.20). Para aquellos productos que pasan al segundo Test, el 10% de ellos es descartado y el 90% requiere ajustes de terminaciones por un valor de $2.00 con lo cual se completa una unidad del Producto B. El diagrama de proceso a continuación representa dicha situación:

¿Cuántos packs de insumos deben ingresar al sistema si nuestra meta es obtener 1.620 productos de tipo B?
¿Cuánto cuesta producir exactamente 600 unidades de A y 540 unidades de B?
En la situación 2), ¿cuál es el costo real (costo ajustado) por unidad del producto A?

Pregunta 1: X*0,3*0,9=1.620. Despejando X se obtiene X=6.000, es decir se requieren 6.000 packs de insumos para fabricar 1.620 unidades del producto B.

Pregunta 2: Se requiere comenzar con 2.000 packs de insumos: 2.000=540/(0.9*0.3). El costo total es:

Pregunta 3: De los 2.000 packs de insumo, sólo 600 van ser usados para hacer el producto A, lo que representa el 30%. Entonces el costo real es $11.66 ($11.66=$3.50*(100/30)).

Ejemplo del Balance de una Línea de Ensamble utilizando la Regla del Candidato Más Extenso

Una línea de ensamble consiste en un ensamble progresivo que esta asociado por algún tipo de aparato o dispositivo que maneja los materiales, donde el equipo o los procesos de trabajo están ordenados siguiendo los pasos progresivos de la fabricación del producto. Los productos que se producen parcial o totalmente en las líneas de ensamble incluye juguetes, electrodomésticos, automóviles, aviones, armas de fuego, etc. En consecuencia casi todo producto que tiene varias partes y que se producen en volúmenes importantes utiliza las líneas de ensamble en alguna medida.

Equilibrar o balancear una línea de ensamble depende básicamente de la programación, no obstante dicha programación por lo general tiene un impacto directo en la distribución o layout de la planta.

En este contexto el problema del balanceo de la línea de ensamble consiste en asignar todas las tareas a una serie de estaciones de trabajo de modo que cada una de ellas no tenga más de lo que puede hacer en el tiempo de ciclo de dicha estación y que el tiempo inactivo de todas las estaciones de trabajo sea el menor posible.

A continuación se presenta un ejemplo de un proceso que consta de 8 actividades o tareas, el cual corresponde a una línea de ensamble que opera 8 horas al día con una producción deseada de 240 unidades diarias. La siguiente tabla contiene información acerca de los tiempos de la tarea de este producto y las relaciones de precedencia:

Se requiere un dibujo que represente el diagrama de precedencia. ¿Cuál es el tiempo del ciclo de la estación de trabajo?. A continuación balancee esta línea de ensamble utilizando la tarea de tiempo más largo.

El diagrama de precedencia que representa el proceso descrito anteriormente se presenta a continuación. Se puede observar, por ejemplo, que la tarea B tiene una duración de 80 segundos y es posterior a la tarea A que dura 60 segundos.

Luego es necesario determinar el Tiempo de Ciclo (C) que requieren las estaciones de trabajo a través de la siguiente fórmula:

En el ejemplo propuesto el proceso opera 8 horas al día (equivalente a 8[horas/día]*3.600[segundos/hora]=28.800[segundos/día]) con un nivel de producción deseado de 240 unidades. Dado lo anterior el Tiempo de Ciclo (C) es:

A continuación se requiere estimar el número mínimo de estaciones de trabajo (Nt) que, en teoría, se requiere para cumplir el límite del tiempo de ciclo de la estación de trabajo a través de la siguiente fórmula (en caso de obtener un resultado fraccionario se debe redondear al entero superior más cercano).

Notar que el numerador del cálculo anterior corresponde a la sumatoria de los tiempos de las 8 tareas (60+80+20+50+90+30+30+60=420[segundos]). Con ello se espera (en teoría) que sean necesarias 4 estaciones de trabajo y se procede con la configuración de las mismas utilizando como criterio el tiempo más largo o candidato más extenso: Los resultados se resumen en la siguiente tabla:

Por ejemplo la estación 1 considera la tarea A que tiene un tiempo de 60 segundos y dado que el tiempo de ciclo es de 120 segundos el tiempo remanente no asignado también será de 60 segundos. Luego de A siguen las tareas B, C y D (según el diagrama de precedencia) no obstante se descarta B dado que su tiempo es de 80 segundos que es superior al tiempo remanente no asignado, por tanto los candidatos factibles para acompañar a la tarea A en la estación 1 son las tareas C o D. El criterio en este caso es seleccionar la tarea D dado que su tiempo es 50 segundos (mayor que los 20 segundos de C) lo que procura minimizar el tiempo inactivo de la estación de trabajo (que en este caso luego de asignar A y D a la estación de trabajo 1 es de 10 segundos).

Continuando con el procedimiento se determinan las tareas pertenecientes a la estación 2. En primer lugar se podría asignar B o C, no obstante se privilegia B por tener una mayor duración. Sin embargo, luego de asignar B la única tarea remanente viable es C así que se asigna a la estación 2 determinando que el tiempo remanente no asignado de dicha estación es de 20 segundos.

La estación 3 considera en primer lugar la asignación de la tarea E por el criterio del candidato más extenso o de mayor duración. Luego se asigna F con una duración de 30 segundos lo que permite que el tiempo inactivo de esta estación sea nulo. Finalmente la conformación de la estación 4 es trivial con G y H asignadas en ese orden. El siguiente diagrama representa el resultado final donde cada estación de trabajo se ha identificado con un color diferente para mayor claridad: