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

Jun 12, 2023

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 un negocio de fabricación: sus clientes, recursos, capacidades y costos operativos. Cincinnati incorporado

Nota del editor:El contenido de este artículo se basa en "Poner toda esta potencia láser a trabajar para usted", presentado en FABTECH 2021, Chicago, por Troy Wilson, gerente de productos de automatización y láser, Cincinnati Incorporated.

La carrera de kilovatios de 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 ultra alta potencia de hoy en día, pero las potencias más bajas también tienen su lugar. Entonces, ¿qué potencia de láser se adapta a su operación?

Puede comenzar sumergiéndose en el grosor del material, la calidad y las geometrías de las piezas que corta. Pero antes de sumergirse en la maleza, aléjese y mire 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, impulsa la dirección de las tres restantes, pero las cuatro pueden influir en qué tipo de láser de fibra servirá mejor a 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 el taller.

Los OEM desarrollan procesos internos en torno a las necesidades de sus productos. El equipo se adapta y la producción se ajusta y programa a un ritmo que produce un rendimiento uniforme 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 subensamblajes para una variedad de clientes. Pueden especializarse en ciertas capacidades que se centran en rangos específicos de tipos de materiales, grosores y precisión de procesamiento, pero en última instancia sirven a un amplio espectro de mercados.

El otro tipo de 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 por contrato dedicados a la industria de las máquinas tragamonedas.

El modelo de negocio final y más omnipresente es el taller de fabricación de metales. Son la navaja suiza de la industria. Sus principales preocupaciones son la respuesta rápida y la reducción del ciclo desde el pedido hasta el 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 material sin procesar cuando entra por la puerta. El papel sigue esa hoja a medida que se corta, se dobla, se suelda, se termina, se empaqueta y se envía. Cuanto menos tiempo tarde ese papel en pasar por el taller, más receptivo será el negocio y más competitivo puede 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 bien 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. Cualquier decisión de compra que tomen para una máquina de corte por láser (u otro equipo), sin embargo, se basa en los productos que fabrican o podrían fabricar en el futuro. Dicho de otra manera, sus productos impulsan los ingresos, no la capacidad de fabricación.

Los fabricantes por contrato (es decir, los fabricantes por contrato) no venden productos, pero tampoco venden capacidad de fabricación de metal puro. Venden asociaciones de fabricación confiables, y las expectativas que respaldan esas asociaciones definen qué sabor es el fabricante por contrato. Algunos fabricantes por contrato pueden evolucionar para servir a uno o un grupo reducido de clientes similares, nuevamente, como ese fabricante por contrato dedicado al negocio de las máquinas tragamonedas. Otro fabricante por contrato podría servir a una variedad de mercados. Tendrá algunos flujos de valor dedicados a sus clientes más grandes, pero otras áreas de la planta pueden 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. Adjunte una hoja de papel al material sin procesar, que luego fluye a través de la tienda y luego se envía al cliente. Alternativamente, el trabajo podría permanecer por un tiempo en el almacén de productos terminados del fabricante, del cual los clientes extraen en estilo Kanban. Un cliente que retira existencias de los productos terminados hace que el fabricante reponga las existencias.

Ahora imagine que el fabricante por contrato aumenta la capacidad de fabricación. Eso acorta el tiempo que el papel pasa en el taller y abre la puerta para que los vendedores vendan las capacidades de fabricación de metal de la empresa a otros clientes que (esperan) se conviertan 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 por contrato necesita menos reserva de inventario de productos terminados.

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

Piense en estos tipos de fabricantes (OEM, fabricante por contrato y taller) como tres ingredientes que componen la "receta" del modelo de negocio de un fabricante. Algunos fabricantes usan solo un ingrediente; otros usan dos o tres. Esto es especialmente cierto con los talleres de trabajo y los fabricantes por contrato. Después de todo, un taller exitoso a menudo crece para convertirse en un fabricante por contrato, y ciertas áreas del negocio del fabricante por contrato (un prototipo o una celda de entrega rápida, por ejemplo) aún pueden operar como el taller que solía ser.

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

Por ejemplo, un taller podría lanzar una línea de productos para suavizar la demanda altamente variable. Si, por ejemplo, un nido de corte por láser no se puede llenar con los trabajos actuales, un taller puede usar piezas de relleno para reponer existencias para sus propios productos. De hecho, a medida que la maquinaria se vuelve más productiva, ese modelo híbrido de línea de productos y taller se vuelve aún más viable. Es posible que un fabricante con un láser de ultra alta potencia no tenga que preocuparse por el taller de trabajo y las áreas de línea de productos del negocio que luchan por la capacidad de corte por láser, incluso durante las horas punta.

De manera similar, un OEM podría lanzar una división de taller para vender el exceso de capacidad de fabricación. En este caso, sin embargo, el lanzamiento del taller idealmente debería ser parte de la estrategia planificada de un OEM, no solo una reacción a una mala inversión en máquinas. La compra de un láser de fibra de 15 kW podría dar a ciertos fabricantes de equipos originales más capacidad de corte por láser de la que jamás necesitarán, por lo que comienzan a vender esa capacidad excedente. Desafortunadamente, toda la planta de fabricación está diseñada para producir una gama limitada de productos. Agregar trabajo de taller altamente variable a este entorno podría introducir 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 no utilizado disponible y la eficiencia con la que se utiliza todo el espacio. También tenga en cuenta que uno de los aspectos más pasados ​​por alto aquí es el manejo de materiales. ¿Se puede manejar el flujo de materias primas y productos con el equipo existente?

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

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

El cuarto recurso es el equipo, que incluye cómo una empresa mide su eficiencia y costos de mantenimiento. El quinto implica recursos externos. Esto incluye la relación del taller con otros fabricantes que podrían manejar el trabajo de desbordamiento (lo que afecta la forma en que una operación puede manejar los picos de demanda), así como también con proveedores de servicios externos como recubridores de polvo y enchapadores. El aumento de la capacidad de corte por láser solo puede ser tan efectivo si la mayor parte del trabajo debe hacerse con proveedores de servicios externos que no tienen la capacidad para manejar el aumento de volumen.

Piense en cada una de estas cinco áreas de recursos como perillas para "sintonizar" las demandas de la combinación de clientes. Un taller sin mucho espacio pero con mano de obra disponible para operaciones de desapilado y aguas abajo podría invertir en un puñado de láseres de ultra alta potencia para alimentar la formación, la soldadura y una operación de ensamblaje final que puede expandirse a varios 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 de la mañana del lunes. 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 comercial del fabricante. Un fabricante por contrato que corta principalmente calibre 10. el material y el diluyente podrían hacer funcionar un láser de fibra de 15 kW el lunes por la mañana y terminar el trabajo de toda una semana 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 disponible de inmediato 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 permanezca disponible, es decir, el sistema puede 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 hace que el taller sea más competitivo al mismo tiempo.

Estos incluyen la cadena de pasos de fabricación desde el pedido hasta el envío (cotización, ingeniería, troquelado, doblado, soldadura, pintura, ensamblaje y envío), junto con la naturaleza de las piezas y los ensamblajes que fluyen a través de esos pasos. Tomar una visión holística aquí ayuda. ¿Cómo entran los pedidos en la puerta? ¿Cómo los presenta el sistema de planificación de recursos empresariales (ERP) y qué pasos se dan para enviar esos pedidos al piso? Lo último que quiere un fabricante es un cuello de botella operativo en el procesamiento de pedidos y la ingeniería, 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 las piezas aguas abajo. Todo parece ir bien hasta que llegan a un proceso de recubrimiento en polvo por lotes, un recurso compartido y un cuello de botella demasiado frecuente. Para aumentar verdaderamente el rendimiento y aprovechar al máximo el corte por láser y otras inversiones en equipos aguas arriba, las operaciones deben abordar los cuellos de botella aguas abajo. En el ejemplo actual, una línea continua de recubrimiento en polvo con pretratamiento podría ser una buena inversión si elimina el cuello de botella.

Aun así, los puntos de estrangulamiento no deben analizarse sin considerar el panorama general. Aquí es donde entran en juego las rutas de trabajo y los diagramas de 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 le 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 manejen de cierta manera. Cada área tiene distintas necesidades de borrado. 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 por contrato puede mantener una entrega confiable. Aumentar la potencia de corte por láser allí sería un desperdicio.

Pero, ¿qué pasa con el área de producción principal? Un láser de ultra alta potencia allí podría dar a la operación suficiente capacidad adicional 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 la cantidad de centros de corte por láser que tiene de cinco a cuatro.

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

Considere una hoja delgada anidada con solo unas pocas piezas rectangulares grandes, demasiado grande para que las personas las manejen cómodamente. En este caso, un láser de baja potencia puede cortar lo suficientemente rápido como para seguir el ritmo de un clasificador de piezas automatizado. Aumentar la potencia del láser en este arreglo podría no ayudar, ya que la automatización no podría mantenerse al día. Lo mismo sería cierto incluso si el taller se basara en la eliminación manual. Y sí, como parte de un sistema de fabricación flexible, esas partes podrían transportarse de vuelta a una torre de almacenamiento, pero alguien tendría que desanimarlas eventualmente.

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

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

Aún así, evite mirar la velocidad de corte de forma aislada. El gas de asistencia también importa. 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 espacios en blanco con un borde libre de óxido. Cortar unas pocas pulgadas más por minuto está bien, 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 tales piezas. La placa gruesa cortada con láser puede verse extraordinariamente bien en el piso de una feria comercial, pero tenga en cuenta que el corte de dicha placa es un nicho especializado. Las operaciones de corte por láser de placas pesadas existen, pero tienen éxito al acceder a mercados que nunca consideraron el corte por láser como una opción. En primer lugar, la mesa de un láser debe diseñarse para manipular chapas 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, con bastante frecuencia, más adecuado.

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

Los sospechosos menos habituales también entran en escena aquí, incluido el consumo de energía. Una tienda en un área con electricidad costosa podría tener una estrategia de inversión en equipos diferente, especialmente cuando se trata de asistencia de gas. En áreas de bajo costo de energía, 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 equipo; reemplaza el equipo. Ampliar el edificio es demasiado caro. La operación necesita exprimir todo el valor que pueda de cada pie cuadrado que tiene y obtener más de cada vatio que consume la instalación. Mientras tanto, el taller de Spokane tiene el espacio y puede darse el lujo de agregar algunos láseres, lo que a su vez afectará qué tipo de láseres se adaptan mejor a la operación.

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

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

La modularidad será más importante. Los fabricantes no solo podrán agregar torres y automatización a los láseres existentes, sino que también podrán intercambiar fuentes de luz láser y no la máquina completa. El intercambio puede ocurrir en un solo turno, no durante varios días o semanas.

Digamos que un fabricante necesita reemplazar varios láseres de CO2 antiguos. Todavía es principalmente un taller de trabajo, por lo que elige el láser de fibra Swiss Army-knife de 10 kW que lo hace todo. La operación crece y, para cumplir con la capacidad, agrega una torre al láser de 10 kW. A medida que el negocio evoluciona, sus necesidades cambian. La tienda descubre que se está enfocando cada vez más en 10-ga. y material más delgado. De hecho, realmente necesita separar ese 10-ga. trabajo del resto para cumplir con los requisitos de tiempo de 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 consumen mucho tiempo ni contornos intrincados. La cosa 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 la gama 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 hace funcionar el núcleo del taller, las piezas solicitadas repetidamente. Mientras tanto, el 10-kW se convierte en la máquina de respuesta rápida del fabricante, donde un pedido puede cargarse, cortarse, desmontarse y enviarse en cuestión de horas.

Tal modularidad se volverá más crítica en los próximos años. La tecnología evolucionará a medida que evolucionen los fabricantes, a medida que crezcan de un taller 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 cambia el negocio de la fabricación de metales de precisión, el corte por láser, una tecnología central que ha dado forma a la industria moderna de la chapa de precisión, cambiará con él.