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Optimizaci�n de la eficiencia productiva a trav�s de un dise�o experimental factorial en el proceso productivo de prensado de suelas para calzado en una empresa textil

 

Optimization of production efficiency through a factorial experimental design in the production process of pressing shoe soles in a textile company

 

Otimiza��o da efici�ncia produtiva por meio de projeto experimental fatorial no processo produtivo de prensagem de solas de cal�ados em uma empresa textil

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: jbrito@espoch.edu.ec ������

 

Ciencias t�cnicas y aplicadas

Art�culos de investigaci�n

 

 

*Recibido: 16 de julio de 2021 *Aceptado: 30 de agosto de 2021 * Publicado: 13 de septiembre de 2021

 

        I.            Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

     II.            Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

Resumen

El presente art�culo est� orientado a optimizar la eficiencia productiva del proceso de inyecci�n y prensado de suelas para calzado en una empresa de manufactura, a trav�s de la estandarizaci�n del proceso y disminuci�n del porcentaje de unidades defectuosas de acuerdo con el nivel de participaci�n por m�quina inyectora y prensa modelo XFP. La Planta de Inyecci�n cuenta con una alta capacidad de producci�n en pares de suelas para calzado por d�a, sin embargo, no contaba con un procedimiento est�ndar, por tanto, la actividad de cada operario se basa en su conocimiento emp�rico en el manejo del equipo y de los materiales. El proceso de prensado sobre el material Eva fue considerado como un proceso conflictivo debido al porcentaje de defectos producidos en un 24%, principalmente por: porosidades en la suela, contaminaci�n del material y quemado. La problem�tica en la prensa se resolvi� a trav�s de la aplicaci�n de un dise�o experimental 23, t�cnica utilizada para el estudio de los factores influyentes en el proceso como: temperatura, tiempos de prensado y peso del material. El an�lisis del dise�o conllev� a establecer el nivel de efecto que tiene la interacci�n de los tres factores en el porcentaje de defectos; logrando un aumento de la producci�n y una disminuci�n de unidades defectuosas a un 12% aproximadamente y un aumento de la productividad del 20%

Palabras clave: An�lisis de varianza; eficiencia productiva; dise�o experimental no replicado. tratamiento; calidad.

 

Abstract

This article is aimed at optimizing the productive efficiency of the injection and pressing process of shoe soles in a manufacturing company, through the standardization of the process and reduction of the percentage of defective units according to the level of participation per injection machine and model XFP press. The Injection Plant has a high production capacity in pairs of soles for footwear per day, however, it did not have a standard procedure, therefore, the activity of each operator is based on their empirical knowledge in the handling of the equipment and of the materials. The pressing process on the Eva material was considered a conflictive process due to the percentage of defects produced in 24%, mainly due to: porosities in the sole, contamination of the material and burning. The problem in the press was resolved through the application of an experimental design 23, a technique used to study the factors influencing the process such as: temperature, pressing times and weight of the material. The analysis of the design led to establish the level of effect that the interaction of the three factors has on the percentage of defects; achieving an increase in production and a decrease in defective units to approximately 12% and an increase in productivity of 20%

Keywords: Analysis of variance; productive efficiency; unreplicated experimental design. treatment; quality.

 

Resumo

Este artigo tem como objetivo otimizar a efici�ncia produtiva do processo de inje��o e prensagem de solas de cal�ado em uma empresa fabricante, por meio da padroniza��o do processo e redu��o do percentual de unidades defeituosas de acordo com o n�vel de participa��o por injetora e prensa modelo XFP . A Planta de Inje��o possui uma alta capacidade de produ��o em pares de solas para cal�ados por dia, por�m, n�o possu�a um procedimento padronizado, portanto, a atividade de cada operador � baseada no seu conhecimento emp�rico no manuseio dos equipamentos e dos materiais . O processo de prensagem no material Eva foi considerado um processo conflitivo devido ao percentual de defeitos produzidos em 24%, principalmente devido a: porosidades na sola, contamina��o do material e queima. O problema na prensa foi resolvido com a aplica��o de um desenho experimental 23, t�cnica utilizada para estudar os fatores que influenciam o processo como: temperatura, tempos de prensagem e peso do material. A an�lise do projeto levou a estabelecer o n�vel de efeito que a intera��o dos tr�s fatores tem sobre o percentual de defeitos; alcan�ar um aumento na produ��o e uma diminui��o nas unidades defeituosas para aproximadamente 12% e um aumento na produtividade de 20%

Palavras-chave: An�lise de vari�ncia; efici�ncia produtiva; desenho experimental n�o replicado. tratamento; qualidade.

 

Introducci�n

La industria a nivel mundial se ha visto estimulada por destinar sus recursos y esfuerzos a la mejora continua de los procesos productivos debido al incremento en la competitividad del mercado por la satisfacci�n del cliente. La industria de calzado a nivel nacional atraviesa por un crecimiento productivo significativo que al compararlo con los mercados internacionales a�n no alcanza el nivel de competitividad debido a la escasa implementaci�n de herramientas como estrategias de mejora.

La producci�n de pl�stico se ha incrementado notablemente debido a la facilidad y econom�a de transformaci�n, en especial de los termopl�sticos que permiten la fabricaci�n de diversos productos a gran escala con costos relativamente bajos. Entre todos los procesos de transformaci�n en los que se utiliza material pl�stico destaca el proceso de inyecci�n que ha permitido que los materiales polim�ricos est�n reemplazando a metales, maderas, vidrios, logrando resolver necesidades del avance tecnol�gico. (Lesso Garc�a, 2012)

La empresa textil ubicada en la provincia de Tungurahua, cant�n Ambato, est� integrada por cuatro plantas de producci�n: elaboraci�n de hilos, tisaje de algod�n americano, tinturado de telas y de inyecci�n, esta �ltima comprende un proceso en el cual existe una m�quina Prensa modelo XFP, la cual requiere mayor atenci�n por el elevado porcentaje de desperdicios, la materia prima que ingresa a este equipo no puede ser reutilizada debido a la variaci�n de su composici�n qu�mica despu�s de ser prensado, motivo por el cual las p�rdidas y los costos de producci�n se incrementan afectando directamente a la eficiencia productiva de la planta relacionada con: operarios, maquinaria, variabilidad del proceso, etc.

El proceso de transformaci�n de los materiales pl�sticos que se lleva a cabo en las m�quinas de inyecci�n y prensa permite una producci�n a gran escala con costos relativamente bajos, as� como ciclos r�pidos de producci�n, fomentando el aumento del uso de los materiales pl�sticos en comparaci�n a otros materiales. Sin embargo, el uso de los equipos de forma emp�rica implica que la selecci�n de los par�metros de operaci�n de los equipos se lo realiza a partir de prueba y error, en consecuencia, surgen varios problemas como incremento en el porcentaje de desperdicio, mayor cantidad de unidades defectuosas y tiempos de operaci�n improductivos cuya consecuencia es la reducci�n del �ndice de calidad y productividad.

La producci�n de suelas, especialmente en materiales granulados, se maneja por lo general en procesos de inyecci�n o son moldeadas en m�quinas de compresi�n de acuerdo con el dise�o del molde, con fines espec�ficos de comodidad y confort, por ende, se busca disminuir el peso y garantizar la durabilidad en el calzado.

Los compuestos o combinaciones en la fabricaci�n de suelas son diversos por mencionar: estireno, caucho, policloruro de vinilo (PVC), l�tex espumado, poliuretano (PU), termopl�stico espumado (TR), acetato de vinilo (EVA), entre otros. (Herrera & Pineda, 2018)

Los modelos experimentales que se basan en t�cnicas estad�sticas se han convertido en herramientas potentes para el dise�o y mejoramiento de productos y procesos que conducen a las empresas alcanzar niveles competitivos en cuanto a calidad y productividad.

El uso del software Minitab, facilita el manejo de los datos obtenidos en el proceso de inyecci�n de pl�sticos, de tal manera que permite determinar la combinaci�n ideal para el ahorro de materia prima en una pieza est�ndar que cumpla su calidad dimensional. (Ruiz Hern�ndez, Zavala Bustos, Reyes N��ez, & Villal�n Ramos, 2016)

La experimentaci�n es un proceso en la que se inducen cambios deliberados en las variables de estudio (factores) para observar su efecto sobre variables respuesta de inter�s que pueden ser caracter�sticas de calidad de un producto. La combinaci�n de los niveles de los factores se conoce como tratamiento usado para determinar las condiciones �ptimas en las que debe operar una m�quina, un proceso o un producto. (Montgomery, 2013)

Los dise�os experimentales son herramientas estad�sticas que permiten lograr soluciones �ptimas en el menor tiempo posible; sin embargo, para lograr una alta confiabilidad de los resultados de los dise�os experimentales se debe cumplir algunos supuestos tales como normalidad de los residuos, homogeneidad de varianza e independencia. (Salda�a Ruiz, Ram�rez Tapia , R�os Lira, & Hen�ndez Ripalda, 2020)

La interacci�n entre dos o m�s factores es estad�sticamente significativa cuando el efecto de un factor depende del nivel en el que se encuentra el otro factor, independientemente de los principales de los factores. (Guti�rrez Pulido & De la Vara Salazar, 2012)

Un Dise�o Factorial 2^3� es un dise�o factorial de la familia 2^k en el cual se estudian 3 factores con dos niveles por factor y un total de 8 tratamientos. Son utilizados con frecuencia en la industria debido a su flexibilidad. Se puede combinar los principios de dise�o experimental y la tecnolog�a para ayudar a mejorar los procesos a nivel industrial. (Yu, Pelaez, & Lang, 2016)

En un estudio para la optimizaci�n de los par�metros de trabajo con el fin de fortalecer la molienda por chorro de agua con ANFIS se utiliz� el dise�o de experimentos ortogonales, lo cual condujo a obtener un resultado �ptimo del mecanizado de los anillos del rodamiento del equipo. (Liang, Liao, & Liu, 2019), esto indica que la precisi�n experimental est� relacionada con la capacidad de encontrar diferencias entre los tratamientos evaluados. (Gord�n Mendoza & Camargo Buitrago, 2015)

 

Factores de estudio

La investigaci�n experimental est� orientada a la manipulaci�n de variables con respecto a la Prensa XFP, siguiendo un proceso que engloba etapas como: delimitaci�n de objetivos acorde del problema encontrado, desarrollo de la hip�tesis de trabajo, elaboraci�n del dise�o experimental, realizaci�n del experimento, an�lisis de los resultados y obtenci�n de las respectivas conclusiones del estudio planificado

Los factores considerados para el estudio, por su alto efecto que tienen en la fabricaci�n de suelas de calzado son: tiempo de prensado, temperatura de prensado y peso dosificado

Proceso de prensado de suelas en material EVA

La fabricaci�n de suelas en material EVA es un proceso nuevo en el pa�s, raz�n por la cual el manejo de los par�metros t�cnicos en la maquinaria hasta el momento es experimental y emp�rico.

El proceso inicia con la orden de producci�n, consecutivamente se pesa el material EVA de acuerdo con el requerimiento analizado emp�ricamente por los operarios en una balanza electr�nica, el compuesto se ubica en vasos pl�sticos y son transportados hacia la prensa XFP. El material es colocado de forma manual en los moldes y la m�quina se encarga del proceso en funci�n de los par�metros de control

Al cumplirse el tiempo de prensado establecido, se realiza la apertura del molde, se extrae la suela para realizar el control de calidad de acuerdo a las tallas deseadas y an�lisis de los posibles defectos. Si las medidas no son las adecuadas y la pieza no presenta defectos se env�a a un t�nel estabilizador que contiene compuertas a una determinada temperatura para encoger las suelas hasta el tama�o objetivo.

La m�quina Prensa XFP para moldeo en material EVA es autom�tica, controlada a trav�s de una pantalla t�ctil para monitorear los movimientos y producci�n de la m�quina. Esta prensa puede fabricar calzado, zapatillas, suelas, plantillas, etc

El T�nel se compone de diferentes estaciones que a trav�s de un sistema de calefacci�n y trasporte por banda permiten disminuir el tama�o del producto considerando que la velocidad de la m�quina es regulable. Se debe tomar en cuenta que el art�culo ingresado no va a mostrar cambios en su estructura qu�mica, �nicamente en las caracter�sticas f�sicas

La temperatura del material aumenta gradualmente desde que este ingresa al molde hasta que se funde y se solidifica. Esta temperatura depende del tipo de material, y debe ser suficientemente alta para permitir una fusi�n y homogenizaci�n adecuada del material a lo largo del molde de plastificaci�n.

Una pieza formada se obtiene del proceso de inyecci�n de plastico con el cierre del molde de forma herm�tica. En la etapa de enfriamiento el material se contrae, por lo que se a�ade m�s material para que el volumen de la pieza sea el deseado� yse aplica una presi�n de compactaci�n. El material permanece en el interior del molde hasta que el producto alcanza la temperatura de extracci�n y este listo para ser desmontado acelerando el tiempo de ciclo. (Beltr�n & Marcilla, 2015, p�gs. 185-186)

La importancia de monitorear y controlar los factores de operaci�n se debe a que la variabilidad de los factores provoca defectos como rechupes, diferencia de color y tama�o, consecuentemente genera aumento del �ndice de desperdicios haciendo que la productividad y la calidad de los productos se vean desmejoradas. Actualmente el tipo de prensa XFP, tomada como caso de estudio, genera un �ndice de defectos del 24% aproximadamente. Por tanto, surge la necesidad del estudio experimental que provea de informaci�n necesaria para responder al problema de una manera eficiente.

 

Metodolog�a

Para el presente estudio se utiliz� la base de datos obtenida a partir de ensayos experimentales realizados en una m�quina prensa modelo XFP, Los ensayos correspondieron a pruebas experimentales combinando los distintos niveles establecidos para cada factor de inter�s. Se consider� aplicar dos niveles por factor. Por razones de confidencialidad se omite el nombre de la empresa

La variable de respuesta elegida es: Porcentaje de defectos en cada corrida (un lote de producci�n).

La planificaci�n y ejecuci�n del modelo experimental factorial inicia con la identificaci�n de los factores cr�ticos a ser estudiados y los respectivos niveles de cada factor (Tabla 1). Los dem�s factores se mantuvieron fijos para el experimento. �����

 

 

 

 

 

Tabla 1: Valores nominales de los factores de inter�s

 

Se aplic� el principio de aleatoriedad para las corridas experimentales lo cual permite reducir la variabilidad de los datos causada por errores de experimentaci�n y aleatorios.

La ejecuci�n de las pruebas experimentales se llev� a cabo en el orden en que fueron aleatorizados. El lote producido en cada tratamiento es analizado para determinar la cantidad de unidades defectuosas presentes en relaci�n con el total de unidades fabricadas (Tabla 2.)

Tabla 2: Variable de salida por tratamiento.

 

Con los datos obtenidos se determina uno de los principales supuestos que deben cumplir los dise�os experimentales que es el supuesto de normalidad, requisito fundamental que explica un correcto procedimiento de las pruebas experimentales, lo que contribuye a realizar un ANOVA confiable (Figura 3).

 

Figura 3: Diagrama de Normalidad de los residuos

Se aplic� el an�lisis de varianza que establece aquellos factores, as� como las interacciones que pueden tener efecto significativo sobre el proceso, con base en la producci�n de unidades defectuosas. Posteriormente las gr�ficas de interacci�n y efectos principales son evaluadas para obtener una correcta interpretaci�n de los resultados.

Se calcula el coeficiente de determinaci�n que explica el porcentaje de la variabilidad explicada por los factores bajo estudio, �ste es un indicador importante que le otorga confiabilidad a la toma de decisiones concretas.

Con los datos obtenidos de la experimentaci�n se analiza el porcentaje de defectos y se aplica la prueba de comparaci�n m�ltiple LSD (least significant difference) por sus acr�nimos en ingles conocida tambi�n como Diferencia M�nima Significativa (DMS) con un nivel de confianza del 95% t�cnica que permite determinar el Interval de variabilidad de cada tratamiento.

 

Resultados

A partir de los datos obtenidos aplicando el dise�o factorial 2^3, con dos replicas por tratamiento se determinan los efectos de los 3 factores, as� como sus interacciones en la variable de salida (porcentaje de defectos).

Posteriormente, a trav�s de la gr�fica de Pareto (Figura 4) se observa la magnitud de los efectos principales y de interacci�n doble sobre la variable respuesta. Esto muestra con claridad aquellos tratamientos considerados significativos que afectan el proceso.

 

Figura 4: Diagrama de Pareto de efectos estandarizados

El ANOVA con un nivel de confianza del 95 % muestra que el tiempo de enfriamiento y tres interacciones dobles tienen efecto sobre el porcentaje de unidades defectuosas provocadas por el proceso de inyecci�n de la maquina inyectora. (Tabla 3).

 

Tabla 3: Tabla ANOVA

El coeficiente de determinaci�n muestra que el 73,10 % de la variabilidad en los datos es explicada por los factores significativos, es decir que el dise�o experimental es adecuado para el estudio.

El objetivo de la investigaci�n experimental es minimizar la cantidad de defectos en el proceso de la m�quina prensa modelo XFP. Al aplicar el m�todo LSD se obtienen gr�ficas de medias con intervalos (Figura 5) que permiten identificar la condici�n de operaci�n �ptima para reducir el n�mero de defectos e indican que se debe operar con una temperatura de prensado de 185�C, tiempo de prensado de 20 minutos y un peso de 60 gramos dando como resultado un porcentaje de defectos promedio de 12% aproximadamente.

 

Figura 5: Gr�ficas de interacci�n triple

 

Adicionalmente, se establece un modelo de regresi�n en funci�n de los factores que tienen efecto sobre la variable de salida. Este modelo se muestra a continuaci�n:

����� →�����

Donde:

X1	Tiempo de prensado
X2	Temperatura de prensado
X3	Peso dosificado

 

El modelo de regresi�n permite predecir valores del porcentaje de defectos que se pueden presentar al variar los niveles de los factores correspondientes a la regi�n de experimentaci�n.

Al aplicar el optimizador de respuesta con el software Minitab v19, se obtuvo el mismo resultado en cuanto a las condiciones �ptimas en la que debe operar la m�quina de inyecci�n

La tabla 5 muestra que se puede obtener un porcentaje promedio de defectos de 12% por cada lote producido, al configurar la m�quina con los par�metros determinados a trav�s de la experimentaci�n.

Tabla 5. Predicci�n de respuesta m�ltiple (MINITAB)

Soluci�n

 

La interacci�n entre el tiempo de prensado, temperatura de prensado y peso de dosificaci�n es predominante durante el proceso de inyecci�n y prensado de pl�stico para la elaboraci�n de suelas para zapatos, esto indica que, a mayor tiempo de prensado, mayor temperatura de prensado y mayor peso de dosificaci�n se reduce el porcentaje de defectos como son los rechupes, inyecci�n incompleta, falta de color, entre otros

El uso de t�cnicas estad�sticas para modelar experimentalmente el comportamiento funcional de equipos o maquinas facilita la configuraci�n �ptima de los par�metros de operaci�n de tal manera que se logra mejorar indicadores de eficiencia del equipo y del proceso en s�, Esto se refleja en el aumento de la productividad y calidad de los productos, sin embargo se debe considerar el costo que implica la experimentaci�n, por lo que la planeaci�n del dise�o experimental debe ser efectivo a la hora de seleccionar el modelo experimental.

Los modelos experimentales factoriales son los m�s utilizados en la industria e investigaci�n, tanto para el modelado de procesos como dise�o de productos, entre estos, el modelo experimental factorial 23 replicado. Los dise�os experimentales factoriales se emplean por ser flexibles sobre todo cuando es necesario evaluar lotes en procesos de producci�n a gran escala.

 

 

 

Conclusiones

El dise�o experimental aplicado ha permitido determinar las condiciones en las que debe operar la maquina prensa XFP para producir suelas de pl�stico para zapatos, logrando reducir el porcentaje de defectos de 24% al 12% por ciento aproximadamente.

El coeficiente de determinaci�n indica que el 73% de la variabilidad en cuanto al porcentaje de unidades defectuosas es explicada principalmente por tiempo de prensado, temperatura de prensado y peso de dosificaci�n, otorgando confiabilidad de las decisiones que surjan con base en los resultados obtenidos.

Si se considera la productividad como la cantidad de producci�n sin defectos en una hora, entonces, el incremento de la eficiencia del proceso de producci�n de la empresa se ver� reflejado con la reducci�n de unidades defectuosa por lote reducido, de esta manera se maximiza los recursos para alcanzar un nivel �ptimo de producci�n.

La aplicaci�n de los dise�os experimentales y el conocimiento amplio del proceso que se desee estudiar permiten alcanzar soluciones efectivas que promueven el desarrollo y mejoramiento de los procesos en beneficio de la organizaci�n, la sociedad y la econom�a.

 

Referencias

 

1.      Beltr�n, M., & Marcilla, A. (2015). Tecnolog�a de Pol�meros. Alicante.

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3.      Garcia Lesso, J. C. (Noviembre de 2012). Aplicaci�n de dise�os de experimentos. Obtenido de Centro Universitario Quer�tano: http://ri.uaq.mx/xmlui/bitstream/handle/123456789/2150/RI001299.pdf?sequence=1&isAllowed=y

4.      Gord�n Mendoza, R., & Camargo Buitrago, I. (2015). Selecci�n de estad�sticos para la estimaci�n de la precisi�n experimental en ensayos de ma�z. Agronom�a Mesoamericana, 26(1), 55-63. doi:https://doi.org/10.15517/am.v26i1.16920

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6.      Herrera, L., & Pineda, J. (2018). Evaluaci�n de la mezcla de Etileno Vinil Acetato (EVA) con caucho natural o sint�tico, para la incorporaci�n de la formulaci�n de suelas de calzado de la compa��a Croydon. Bogot�.

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� 2021 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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