Lean Manufacturing

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  1. 1. Lean Manufacturing La lean manufacturing è una filosofia industriale ispirata al Toyota Production System che mira a minimizzare ed annullare gli sprechi in modo globale lungo il processo produttivo in modo da diminuire la complessità della produzione e cercando di massimizzarne la flessibilità. All’interno del concetto lean si trova un legame diretto tra l’abbattimento del costo sostenuto durante il processo e i lead time di evasione degli ordini. I principi della filosofia lean possono essere espressi: Focus sul flusso del valore: cos’è valore e quali attività creano effettivamente valore. Eliminazione degli sprechi: fluidificazione del flusso eliminandone gli sprechi. Miglioramento continuo: affinamento costante del ciclo. Dapprima è quindi richiesta la mappatura del flusso del valore. Strumento in cui si integrano i singoli processi in una visione macro, che evidenzia il flusso dei materiali, delle informazioni e delle persone e che facilita l’individuazione degli sprechi attraverso il confronto tra il flusso attuale e la mappa futura del flusso (orientata ad una produzione snella in cui ogni singolo processo riesca effettivamente a produrre solo ciò di cui il processo a valle necessita). In quest’ottica entra l’idea Pull del Just in Time per la quale si produce solo quando necessario nella misura necessaria, perché richiesto dal cliente a valle lungo il processo. Si evitano così sovrapproduzioni e presenza di materiale WIP che necessitano di movimentazione, causano immobilizzamento finanziario, richiedono aree di stoccaggio apposite e sono responsabili di code che allungano drasticamente i lead time. La sovrapproduzione inoltre genera paradossalmente mancanze ed assetti sovradimensionati impegnando risorse quando non richiesto con conseguente abbassamento di flessibilità produttiva. La realizzazione di tali vantaggi è permessa dalla diminuzione della numerosità dei lotti di produzione (fattore a sua volta permesso dalla diminuzione dei tempi di setup, SMED) che evitano il permanere di WIP in coda fluidificando lo scorrere delle parti all’interno del processo. La sovrapproduzione fa parte dei sette sprechi individuati da Toyota: 1. Attese: setup e disorganizzazione (promuovere produzioni piccole). 2. Movimentazione e trasporto: promuovere piccoli lotti per ridurre i polmoni operazionali. 3. Scorte e spazio: promuovere la produzione frequente di piccoli lotti per ridurre i magazzini e la numerosità delle scorte. 4. Difetti e riparazioni: promuovere la qualità fin dall’origine (fornitori, TQM). 5. Lavorazioni non appropriate: razionalizzazione dei metodi. 6. Movimenti errati: razionalizzazione del layout (secondo concetto di GT). Per eliminare tali sprechi è necessario un approccio comprensivo sul processo produttivo che apporti dei vantaggi incrementali in modo costante nel tempo. 1
  2. 2. È possibile individuare le fasi che distinguono un progetto lean (che dapprima deve essere di tipo pilota poiché si deve rispettare sempre l’approccio incrementale in cui l’apprendimento è consapevole poiché basato su approcci a prove e learning to see): 1. Definizione del valore per il cliente. 2. Mappatura del flusso attuale e confronto con quello futuro per individuare il corretto sequenziamento delle attività e gli sprechi che si hanno nelle tre grandi aree di intervento (produzione, sviluppo prodotto e logistica). 3. Far scorrere/creare il flusso. 4. Far tirare il flusso dal cliente. 5. Consolidare l’approccio imparando a seguire il flusso sempre più efficacemente. Queste cinque fasi possono essere raggruppate secondo delle macrofasi, quali: 1. ELIMINAZIONE DEGLI SPRECHI: fase di sgrossatura del sistema attraverso degli eventi di Process Kaizen in cui il personale si trova coinvolto per un periodo breve di tempo su argomenti dettati dai team quali il Quick Change Over, il Total Productive Maintenance, Process Quality Improvement, Info Flow, Layout. 2. CONSOLIDAMENTO: progetti più mirati di medio termine in cui si ha la formazione dei team sopradescritti. 3. RAFFINAZIONE E MIGLIORAMENTO: in cui si ha la convivenza di più microprogetti in modo che il miglioramento sia continuativo. Gli eventi di Process Kaizen sono preceduti da eventi Flow Kaizen che sono delle attività di miglioramento globale con taglio strategico. È condotto dal management (core committee, che necessita di pre-addestramento sulle logiche, sulla cultura e sugli strumenti lean) sotto la guida di un consulente. Viene tracciato il flusso e si evidenziano i macrosprechi. Viene steso un piano integrato di miglioramento. Il Process Kaizen disaggrega il piano integrato in attività di abbattimento locale. Esso è condotto dai team di reparto sotto la guida di un membro del core committee (lean master). Tali team sono di tipo interfunzionale come lo è il core committee formato a livello Flow Kaizen. Ha un taglio di BT in cui si dettagliano gli sprechi e si implementano attività concrete attraverso l’utilizzo di strumenti lean quali il Cell Design e la riduzione dei tempi di setup. Gli aspetti negativi (che indicano l’utilizzo dello strumento Process Kaizen solo in avvio di progetto): 1. La formazione dei team operati è superficiale in seguito all’esplosività dell’evento (d'altronde l’obiettivo è coinvolgere per superare l’inerzia iniziale). 2. Non si ha un cambiamento culturale in soli dieci giorni (ma tuttavia da il senso che la direzione di marci è cambiata). 3. Può richiedere il blocco produzione. Analisi e misura Azioni migliorative Misura Consolidamento 2
  3. 3. L’organizzazione dell’impresa deve essere coerente con la filosofia lean, cioè deve essere flessibile almeno quanto il processo logistico produttivo. Per far ciò è importante adottare una struttura orientata a famiglie di prodotti che dia la possibilità all’azienda di seguire determinati flussi con uno sguardo integrato e non solamente ristretto ad un punto di vista funzionale (aspetto che coinvolge anche la produzione che non si distribuisce su reparti produttivi ma su celle di lavorazione dedicate a particolari famigle). Per rimanere allineati alle logiche di miglioramento, che richiedono gestione del consenso, coinvolgimento delle parti e diffusione delle informazioni, è utile lavorare attraverso gruppi di lavoro, cioè attivare un’organizzazione che operi seguendo progetti dedicati. Costituire un core committee di cinque-sei manager di funzione dedicati in parte del loro tempo al progetto. Le attività sono quelle del value stream mapping attuale e futuro e la definizione di obiettivi e piani d’azione. Attivare dei product team operativi di tipo interfunzionale che si focalizzino sulle famiglie di prodotti. Sono guidati da un membro del core committee che assume figura di lean master. Dedicano parte del loro tempo al progetto e devono essere scelti e formati secondo parametri di motivazione e capacità che possono essere incrementati da opportune azioni. Ufficializzare gli specialisti di produzione che supportino il core committee ed i team che siano dedicati anche al 100% del loro tempo al progetto. Creare delle figure chiave a presidio del flusso (lean manager) che riportino direttamente al top management, che abbiano responsabilità di tracciare e gestire il flusso affiancando il core committee, che lo monitorino e che abbiano la possibilità di favorire l’abbattimento dei confini funzionali. Oltre ad organizzare la produzione in celle bisogna riprogettare la struttura organizzativa di fabbrica secondo famiglie di prodotti in modo trasversale alle funzioni. Rivedere la metrica a favore del presidio del flusso in modo che gli indicatori incoraggino nella direzione desiderata (attenzione agli sprechi). Il rispetto della persona infine rende possibile l’attuazione collaborativa e consapevole delle linee guida aziendali. In Giappone, concetti come l’assunzione a vita che danno la sicurezza del posto di lavoro rendono il lavoratore più flessibile rispetto alle richieste che vengono lui poste. Questo viene fatto con una metodologia che favorisce la collaborazione col management. Inoltre, l’automazione degli impianti di produzione facilita l’impiego del personale in più importanti interventi di miglioramento piuttosto che in attività ripetitive. Top Management LEAN MANAGER CORE COMMITTEE SPECIALISTI Lean Master Project Project Team Team 3
  4. 4. Il sistema di produzione Toyota Segue un metodo organizzativo della produzione alternativa rispetto alla produzione di massa basata sui principi lean di fluidificazione del flusso ed eliminazione degli sprechi. Individuano sette elementi che conducono all’eliminazione degli sprechi: 1. Network di fabbriche focalizzate: impianti piccoli progettati e costruiti per un unico scopo. 2. Group Technology: raggruppamento delle parti in famigli omogenee e raggruppamento dei macchinari necessari alla lavorazione delle parti della famiglia (celle produttive). Si vogliono eliminare i tempi di movimentazione e le code fra due operazioni. Gli operai devono essere multivalenti il che ha portato anche ad un accrescimento del livello di sicurezza per una maggiore specializzazione del personale. 3. Qualità alla fonte: realizzare il prodotto correttamente fin dal principio grazie ad una maggiore responsabilizzazione degli operai che diventano ispettori di se stessi anche in grado di provvedere alla manutenzione dei macchinari. 4. Produzione Just in Time: produrre quando e quanto occorre. Si applica a produzioni ripetitive, cioè ad una fabbricazione in rapida successione di articoli simili. Richiede una domanda stabile. Non richiede volumi produttivi ingenti (il lotto ideale è di un’unità) a discapito di consegne anche più frequenti durante l’arco di giornata che tuttavia accorciano i lead time e diminuiscono la giacenza di scorte in coda. 5. Livellamento dei carichi di stabilimento: puntare ad una regolarizzazione dei flussi in modo da essere flessibili rispetto a variazioni di programmazione. Si stabilisce un piano mensile a ritmo congelato con produzione di mix giornalieri di prodotti in piccole quantità per disporre sempre di tutta la gamma e fronteggiare le variazioni. 6. Kanban: strumento di regolazione dei flussi JIT tirando la richiesta a monte ( ). 7. SMED: suddivisione dei setup in interni (a macchina ferma) ed esterni (a macchina in marcia) e dispositivi salva tempo. Il Just in Time Insieme integrato di attività, progettato per ottenere grandi volumi di produzione usando scorte minime e minimizzando le giacenze di MP e WIP. Le parti giungono ad ogni stazione al tempo giusto fluendo rapidamente all’interno della fabbrica poiché non si produce finché non è richiesto a valle. Questa logica è detta Pull e necessita di elevati livelli di qualità, solide relazioni con i fornitori ed una domanda di prodotti finiti prevedibile (JIT e TQM due facce della stessa medaglia). La qualità va costruita lungo il percorso, gli operatori sono responsabili del proprio lavoro e fanno andare avanti solo i pezzi buoni. In tal modo si eliminano le sovra-scorte dovute alla non qualità e si genera sovracapacità produttiva (che risulta di gran lunga più economica). Si fa largo uso di metodi statistici e di modifiche di progetto che mirano alla standardizzazione del prodotto e delle sue componenti e la facilitazione dei processi produttivi. 4
  5. 5. Il JIT esteso è meglio rappresentato dalla lean manufacturing, cioè quella filosofia di gestione che mira ad eliminare gli sprechi. Il JIT ristretto che è quello propriamente detto si focalizza sulla pianificazione delle scorte e sull’erogazione del servizio. Il layout deve essere progettato in modo da garantire un flusso bilanciato e la minimizzazione del WIP e deve tener conto della logistica interna ed esterna. La manutenzione deve essere preventiva, svolta anche dagli stessi operatori grazie alle celle di produzione che sono più semplici rispetto ad un grande comparto produttivo come una linea di produzione. Circoli della Qualità Incontri settimanali tra dipendenti al fine di discutere del proprio lavoro per ricercare soluzioni a problemi da condividere col management. Group Technology Si riscontra una situazione in cui le aziende devono produrre in un tempo ristretto specificato e in cui il volume di produzione di ogni prodotto è molto ridotto secondo una logica production to order (produzione multi prodotto piccoli lotti). Le caratteristiche di questo tipo di produzione sono: Varietà degli item Varietà dei processi produttivi La complessità della capacità produttiva L’incertezza delle condizioni esterne La difficoltà di planning e scheduling Una situazione dinamica tra lo svolgimento ed il controllo della produzione Il Group Technology è un metodo per migliorare l’efficienza produttiva raggruppando varie parti e prodotti con processi o design simili. L’efficienza è migliorata grazie alla trasformazione della produzione batch in produzione di massa. Questo avviene tramite l’identificazione delle similarità che stanno alla base dei processi manifatturieri. Così è possibile innalzare la produttività attraverso un più efficace recupero dei dati, razionalizzazione del design e razionalizzazione e standardizzazione della produzione. Con l’ingresso dei CIM (computer integrated manufacturing) la GT ha assunto sempre più rilievo in quanto fornisce i mezzi necessari ad una più alta produttività e ad un’integrazione di successo dei sistemi CAD/CAM (attraverso l’introduzione dei concetti di famiglie di parti). 5
  6. 6. Una famiglia di parti è un gruppo di parti che hanno qualche somiglianza specifica in caratteristiche di design o di processi produttivi. A livello impiantisco ciò si rileva nell’individuazione di un set di risorse in grado di effettuare lavorazioni su famiglie omogenee di pezzi. Tali risorse sono organizzate il celle produttive dedicate alle lavorazione di determinate famiglie di parti raggruppate attraverso il Sistema di classificazione e codificazione (fondamentale per un’efficace implementazione dei concetti di GT e dei sistemi CIM (i quali necessitano di DB comuni per il recupero dei dati)). Il termine classificazione si riferisce al processo di separazione e raggruppamento delle parti in base alle similarità o meno di parametri predeterminati. Il termine codificazione si riferisce all’assegnazione di codici (numeri o lettere o loro combinazioni che sono assegnati alle parti per facilitare il processo informativo). L’adattamento e l’implementazione di un sistema di classificazione e codificazione è un compito importante e complesso. Uno dei compiti più importanti è quello di mantenere un bilanciamento tra l’ammontare di informazioni e il numero di colonne digit necessarie alla catture delle prime. È possibile razionalizzare il design di processo attraverso analisi comparative tra modelli attuali e proposti. La disposizione delle celle di lavoro che devono realizzare la produzione di determinate famiglie di parti può essere razionalizzata sia nella disposizione spaziale delle celle che nel raggruppamento di macchinari specifici in ognuna di esse nei confronti delle loro funzioni, degli strumenti da utilizzare e della loro programmazione/set up. Scheduling per GT La schedulazione della produzione si propone di determinare un ottimo o quasi ottimo tempo di implementazione del piano di produzione nel lavorare i diversi Job (senza grossi sforzi computazionali). Bisogna determinare la sequenza dei Job su ogni macchina. Dati n Job da lavorare su una sola macchina le sequenze possibili sono n! (su m macchine ). La complessità di un algoritmo è definita in base al tempo di esecuzione per trovare una soluzione (che è funzione di n). Nel nostro caso l’algoritmo è NP completo. Un Job consiste in una sequenza di operazioni relazionate da un ordine tecnologico di lavorazione. Il processamento di un’operazione richiede l’utilizzo di una data macchina per un certo tempo. Per definire la schedulazione migliore si usano dei criteri di scheduling che evidenziano un indice di confronto tra esse (Makespan, mean flow time, total tardiness, facility utilization of the workshop). Dati n Job da processare su m macchine, sono dati i tempi di lavorazione richiesti per la j-esima operazione del Job i-esimo (i = 1,2,..n; j = 1,2,.., ). 6
  7. 7. Il tempo di completamento di è dato da = + + dove rappresenta il ready time di , è il total waiting time e è il tempo di lavorazione totale di . Il flow time (tempo di completamento al netto del ready time; il tempo effettivamente speso nel workshop) è dato da , mentre il flow time pesato . Il flow time medio è dato da Ed il flow time medio pesato . Il Makespan, che rappresenta il tempo di completamento delle lavorazioni di tutti i Job su tutte le macchine, è dato da . Il Lateness di , cioè la differenza tra il tempo di completamento e la due date , è espresso da , mentre il Tardiness è dato da . Seguono che rappresentano rispettivamente il Lateness e Tardiness massimi. Il Tardiness totale è dato da . È da notare come ognuna di queste funzioni, utilizzabili come criteri di schedulazione, siano dipendenti dai tempi di completamento dei Job. 7
  8. 8. Job Sequencing Sono dati n Job da processare su una sola macchina. In questo caso la misura del Makespan è invariante rispetto alla sequenza scelta poiché rappresenta semplicemente la somma dei tempi di lavorazione dei Job. Teo 1 (SPT): il flow time medio è minimizzato costituendo la sequenza che riporti i Job in ordine non decrescente dei tempi di lavorazione. Teo 2 (EDD): il massimo Lateness e Tardiness sono minimizzati sequenziando i Job in ordine non decrescente delle date di consegna. Teo 3: se esiste una sequenza in cui il massimo tardiness è zero è possibile trovare una sequenza che sotto tale condizione abbia flow time medio minore attraverso: assegnare il Job j all’ultima posizione, iterativamente, se dove n’ è il numero di Job non ancora assegnati. String Group Scheduling problem Le assunzioni fondamentali del Group Scheduling sono: i Job all’interno dello stesso gruppo sono processati in successione. Il tempo di processamento di gruppo e dato dalla somma dei tempi di lavorazione ed il tempo di setup di gruppo. Il tempo di setup di gruppo è indipendente dalla sequenza dei gruppi. Nel caso di più macchine tutti i gruppi e i Job sono processati a pattern di tipo flowshop. Dati N gruppi, ognuno consistenti di Job (i = 1,2,..,N) sono possibili (elevato ad m nel caso di m macchine) possibili sequenze. Definiamo il j-esimo Job appartenente al gruppo i-esimo. è il tempo di lavorazione dello stesso comprensivo del proprio tempo di setup. è il tempo di setup di gruppo. Il Makespan è dato dalla somma di tutti i tempi di lavorazione e di setup di gruppo restando così invariante rispetto alla sequenza. Il tempo di completamento di è dato da dove è il tempo totale di lavorazione del gruppo . 8
  9. 9. Con ready time nulli il flow time del Job j appartenente al gruppo i coincide col tempo di completamento. L’obiettivo è quello di minimizzare il flow time medio (visto che quello massimo è indipendente dalla sequenza). Esso risulta composito di tre termini di cui uno costante e gli altri due dipendenti dalla sequenza dei gruppi e dei job in modo indipendente. Ne segue che è possibile sequenziare i gruppi e i Job in modo indipendente. Teo 4: il flow time medio è minimizzato sequenziando i Job in ordine non decrescente del tempo di completamento all’interno di ogni gruppo ed i gruppi in modo non decrescente del tempo equivalente di gruppo dato dalla somma del tempo di setup e di lavorazione totale su numero di Job presenti. Flow-shop Scheduling Il primo passo verso la schedulazione flow shop fu fatto da Johnson il quale fornì un teorema per la risoluzione del problema con due macchine tramite il confronto tra coppie. Flow shop e Job sequencing Se si considerano K macchine nel caso di n job con assenza di gruppi il tempo di completamento del job j su macchina k è dato da Il flow time massimo o makespan che consiste nel calcolo di tutti i percorsi attraverso le macchine a causa dei salti tra una macchina e l’altra secondo i valori di u (le sommatorie dei tempi di lavorazione sono estese fino al valore dato ad u e poi sono riprese sulla macchina successiva fino al prossimo valore di u). Possiamo ridefinire il tempo di completamento in base agli idle time dei job: dove In questo modo il Makespan è dato da 9
  10. 10. Teorema di Johnson per Job sequencing L’ordinamento ottimo risulta applicando la regola: il Job precede il Job se . L’algoritmo è: STEP 1: trovare il minimo valore dei tempi di lavorazione. STEP 2: assegnare il Job con minimo tempo di lavorazione precedentemente trovato alla primo posto se è su macchina 1 mentre all’ultimo se è su macchina 2. STEP 3: rimuovere il Job e tornare a step 1. Flow shop e Group Scheduling Il tempo di completamento del job j appartenente al gruppo i su macchina k è dato da Estensione del teorema di Johnson per il group scheduling STEP 1: sequenziare i job all’interno di ogni gruppo secondo la regola di Johnson STEP 2: determinare la sequenza ottima dei gruppi attraverso il calcolo di e per ogni gruppo. STEP 3: trovare il minimo valore tra essi ed assegnare il job alla prima o all’ultima posizione secondo che il valore minimo sia dato da X o Y. STEP 4: rimuovere il gruppo assegnato e riprendere da step 2. 10
  11. 11. Branch and Bound Approach to Group Scheduling Il tempo di completamento secondo gli idle time è dato da dove g ha la stessa formulazione come nel Job Sequencing-Flow Shop tranne che nel caso in cui j è uguale ad uno in cui diventa: . Il Makespan vale: È richiesta una procedura di Branch e Bound che tenga in considerazione simultaneamente la sequenziazione dei job e dei gruppi. Step 1: impostiamo il livello r = 0 (livello di diramazione dell’albero) e il valore L* = inf. Step 2: ramifichiamo il nodo di gruppo Nr in N-r nodi di gruppo di tipo Nr+1 piazzando ogni gruppo non allocato in successione nella sequenza fin qui determinata. r = r + 1. Step 3: per ogni dei nodi di gruppo Nr si creino i nodi di job di tipo Nrs dei job di livello s = 1 mettendo i job nella sequenza già determinata. Step 4: si calcoli il LB per ognuno dei nodo di job di tipo Nrs. Step 5: trovare il nodo a LB minimo tra tutti i nodi trovati allo step 3 e 8 nel caso in cui L* = inf, viceversa tra tutti i nodi di job che sono attivi. Step 6: se LB*<L* vai a step 7, altrimenti stop poiché L* è il migliore. Step 7: se s < nr vai allo step 8 altrimenti allo step 9 Step 8: ramifica il nodo di job Nrs in nr-s nodi di tipo Nrs+1 piazzando ogni job del gruppo r non ancora sequenziato. S=s+1. Torna a step 4. Step 9: se r<N vai a step 2 altrimenti L*=LB* e vai a step 5. 11
  12. 12. La formula del Lower Bound è Altri approcci alla produzione batch Industrial engineering: Si occupa di design, miglioramento ed installazione di sistemi integrati di persone, materiali, macchinari, energia ed informazione. Sia basa sui principi ed i metodi dell’analisi e del design ingegneristici in modo da specificare, predire e valutare i risultati ottenuti da tale sistema. I principi base dell’IE sono la standardizzazione (di prodotti, parti, materiali e processi), la semplificazione e la specializzazione. Su tutti la standardizzazione aiuta a razionalizzare la produzione. 12

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