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. Zároveň všichni pracovníci většinu směny nepracují a společnost tak má zbytečně vysoké personální náklady.
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. Tiskárny obsluhuje současně 20 pracovníků. 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 1 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 firma disponuje 50 kusy 3D tiskárny, 20 pracovníky a 200 kusy balení filamentu. Pracovníci pracují v časovém rozmezí od 9 do 17 hodin ve všední dny. Tiskárny mohou být zapnuté i po pracovní době. 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 požaduje spuštění tisku. Hodnoty se generují pouze v pracovní době. 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

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

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

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 %

Cílem této simulace bylo nejprve optimalizovat výrobu - docílit co nejvyššího počtu krabic a dílů všech tiskových úloh a nejmenšího počtu nedodělaných výrobků(Remanining in System). Toto záviselo na úpravě pravděpodobnosti pro jednotlivé tiskové úlohy. U tiskových úloh, kde zbylo nejméně nedodělaných výrobků, byla pravděpodobnost zvýšena a u těch, kde zbylo nedodělaných výrobků více, tak byla pravděpodobnost snížena. Jednotlivé tiskové úlohy byly upravovány postupně až nakonec bylo docíleno takových hodnot pravděpodobnosti, které způsobily co nejmenší hodnotový rozdíl nedodělaných výrobků a zároveň vyšší počet hotových výrobků. V optimalizovaném stavu tak společnost vyprodukuje 137 krabic týdně, což je o 9 více než v současném stavu, a zároveň s jednotkovým počtem nedodělaných výrobků.
Dalším cílem bylo také optimalizovat počet pracovníků. V současném stavu společnost zaměstnávala 20 pracovníků, kteří pracovali pouze na 29 %, tudíž většinu směny nic nedělali. A jelikož společnost vynaložila náklady na všechny pracovníky ve výši 96 000 Kč, bylo třeba toto optimalizovat. Postupně byl v simulaci snižován počet pracovníků, přičemž klíčovými proměnnýnmi byl nejen počet hotových dílů a krabic, ale také procentuální vytíženost. V optimalizovaném stavu je pro obsluhu 50 tiskáren potřeba pouze šest pracovníků, kteří pracují na 96% a týdně stojí pouze 29 090 Kč. Týdně tak společnost ušetří 66 910 Kč.

Závěr

Cílem této simulace bylo optimalizovat výrobu a počet pracovníků. S využitím pravděpodobnosti byl počet jednotlivých dílů a následných krabic zvýšen o devět kusů z původních 128. Byl také redukován počet pracovníků, jelikož se ukázalo, že pracovali neefektivně a týdně stáli firmu více než 90 000 Kč. Konečný počet pracovníků byl tak snížen na šest, přičemž pracovali s efektivitou vyšší než 95%.
Je nutné také vzít na vědomí určité zkreslení modelu. Tento model byl pro účely této práce zjednodušen a tak nebyly brány v potaz náklady na filament či fixní náklady na energii a provoz výrobní haly. Zároveň se tato simulace zabývala pouze částí procesu, jelikož díly pouze vyráběla a expedice tak nebyla vůbec rozebrána (byla pouze výstupem celého procesu). I přes určité zjednodušení měla tato simulace užitečné výsledky. Z optimalizace vyplynuly pozitivní hodnoty a společnost by tak nejen více vyráběla, ale významně by ušetřila na personálních nákladech. Výsledky z této simulace mi tak přišly zajímavé a přínosné. Do budoucnosti by určitě bylo vhodné zahrnout minimálně redukci odpadu filamentu.

Kód

File:Zemk05 modely.zip
V souboru se nachází dva modely - první zachycuje současnou situaci a druhý model je optimalizovný.

Reference

Zdrojem pro tuto simulaci byla data nejmenované společnosti zabývající se 3D tiskem.