Simulace malosériové výroby metodou 3D tisku

Název: Simulace malosériové výroby metodou 3D tisku
Autor: Bc. Kateřina Zemánková, Zemk05 (talk)
Nástroj: SIMPROCESS
Metoda: Diskrétní simulace

Definice problému

Společnost A se zabývá výrobou jednoho komplexního výrobku prostřednictvím 3D tisku. Při malosériové výrobě často dochází k plýtvání finančních prostředků na pracovníky a k nevyužití dostatečného potenciálu všech strojů. V procesu je vyskytující se problém, že vzhledem k rozdílné časové náročnosti mezi tiskovými úlohami je některých dílů víc než jiných.
Ke kompletaci jednoho výrobku je potřeba 5 různých dílů. Tyto díly však nelze tisknout všechny najednou na jednom stroji díky malému rozměru 3D tiskáren. Jeden díl se zároveň tiskne na jedné tiskárně – toto se také nazývá tisková úloha. Společnost má k dispozici 50 kusů 3D tiskáren, na kterých díly tiskne. Každá tisková úloha se liší časovou náročností a spotřebovaným materiálem. Tyto tiskové úlohy lze provádět na libovolném stroji, přičemž všechny stroje fungují stejně. Na konci tiskové úlohy musí obsluha sundat vyrobené díly z 3D tiskárny, provést krátký servis, zabalit díly výrobku do krabice a zapnout novou tiskovou úlohu. Pro vytištění je potřeba mít materiál (filament) dodávaný v 5 kg baleních. Pokud se na začátku tisku zjistí, že nezbývá dostatek materiálu pro další tisk, musí se materiál vyměnit za nový. Zbytek struny se recykluje.

Cíle simulace jsou tedy dva:

• Optimalizace kombinací tiskových úloh pro maximalizaci výroby koncového výrobku – stejný počet všech dílů a co nejméně nedokončených dílů
• Optimalizace počtu pracovníků

Metoda

Jelikož je tato simulace založena na malosériové výrobě, je pro její vytvoření použit nástroj SIMPROCESS, který pracuje s diskrétními simulacemi. Tento typ simulací je poměrně specifický svou datovou náročností, proto jsou pro tuto simulaci použita reálná data nejmenované společnosti, která se zabývá 3D tiskem.

Detailní popis modelu

Tento model simuluje týdenní provoz výroby. V současném stavu disponuje 50 kusy 3D tiskárny, 20 pracovníky a 200 kusy balení filamentu. Pracovníci pracují v časovém rozmezí od 9 do 17 hodin. Tiskárny mohou být zapnuté i po pracovní době. Může se tedy stát, že pracovník před odchodem ze směny zapne další tisk a ráno ho z tiskárny sundá. Při každé situaci se ale nestává, že by tisk trval déle než do půlnoci, tudíž se to stále počítá do pracovního dne. Jak již bylo zmíněno, každá tisková úloha trvá jiný časový úsek. V současnosti, tedy před optimalizací, se tak tisknou všechny tiskové úlohy stejnou měrou
U každé tiskárny platí několik zásad. Pro výměnu filamentu je vyhrazena jedna minuta. Po 300 hodinách provozu tiskárny se provádí servis, který trvá dvě hodiny.
Tento model se skládá z několika entit a zdrojů. Ty jsou následující:

Entity

• požadavek na tisk
• Tisková úloha T1
• Tisková úloha T2
• Tisková úloha T3
• Tisková úloha T4
• Tisková úloha T5
• krabice s díly

Zdroje

• Pracovník – fixní náklad ve výši 4800 Kč za osobu na týden
• Filament – cena 500 Kč za jeden kus
• 3D tiskárna – variabilní náklad 5 Kč/hodina, fixní náklad 100 Kč/týden na jednu tiskárnu

Základní model

Celý proces začíná požadavkem pro tisk. Tento požadavek se generuje každou minutu a představuje jakýsi imaginární impulz, který spouští tisk. Hodnoty se generují pouze v pracovní dobu. Následuje spouštění tisku, které už vyžaduje interakci pracovníka. Spouštění tisku trvá pět minut a představuje rychlou kontrolu a manuální zapnutí tisku na tiskárně. Následuje rozdělení určující, která tisková úloha se bude aktuálně tisknout. Pro rozhodování je v současném stavu použita pravděpodobnost – jelikož je potřeba, aby rozhodováním procházel i požadavek, jakožto virtuální impulz. Pravděpodobnost reprezentuje rozhodování společnosti o tom, které díly se budou tisknout přednostně. Aktuálně to je tedy tak, že každá tisková úloha se tiskne stejně často. Každá tisková úloha se liší dobou tisku a spotřebovaným filamentem – viz tabulka níže. Poté, co se díl vytiskne, je potřeba ho rychle očistit a sundat z tiskárny. Toto provádí pracovník a trvá to jednu minutu. Poté, co se vytisknou díly, pracovník všechny díly vloží do krabice – toto trvá deset minut. Jakmile jsou v krabici všechny díly ze všech pěti tiskových úloh, krabice je poslána do skladu. Sklad reprezentuje výstup procesu.

Nastavení tiskových úloh

Tisková úloha	Doba tisku	Spotřebovaný filament
T1	5.65 h	0.05 kg
T2	6.85 h	0.057 kg
T3	4.65 h	0.051 kg
T4	8.85 h	0.09 kg
T5	8.2 h	0.078 kg

Data, která byla pro tuto simulaci použita, jsou z dubna roku 2021. Doba tisku a spotřebovaný filament jsou neměnné jednotky, tudíž nebylo potřeba použít průměrné hodnoty za delší časový úsek.

Výsledky

Pracovníci – současný stav vs optimalizovaný stav

	Současný stav	Optimalizovaný stav
Počet pracovníků	20 lidí	6 lidí
Náklady na pracovníky	96 000 Kč	28 800 Kč
Procentuální vytíženost	29.090 %	96.832 %

Výroba tiskových úloh – současný stav vs optimalizovaný stav

Současný stav	Total generated	Remaining in system	Total processed
T1	147	19	128
T2	145	17	128
T3	138	10	128
T4	136	8	128
T5	128	0	128
krabice	128	0	128
Optimalizovaný stav	Total generated	Remaining in system	Total processed
T1	138	1	137
T2	137	0	137
T3	138	1	137
T4	137	0	137
T5	138	1	137
krabice	137	0	137

Nastavení pravděpodobnosti tiskových úloh – současný stav vs optimalizovaný stav

Tisková úloha	Pravděpodobnost v současném stavu	Pravděpodobnost v optimalizovaném stavu
T1	0.2	0.189
T2	0.2	0.194
T3	0.2	0.2
T4	0.2	0.207
T5	0.2	0.21

Kód

Model 3D tisk před optimalizací
Model 3D tisk po optimalizaci