Optimizacin de la eficiencia productiva a travs de un diseo 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

 

Otimizao da eficincia produtiva por meio de projeto experimental fatorial no processo produtivo de prensagem de solas de calados em uma empresa textil

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Correspondencia: jbrito@espoch.edu.ec

 

Ciencias tcnicas y aplicadas

Artculos de investigacin

 

 

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

 

        I.            Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

     II.            Escuela Superior Politcnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.


Resumen

El presente artculo est orientado a optimizar la eficiencia productiva del proceso de inyeccin y prensado de suelas para calzado en una empresa de manufactura, a travs de la estandarizacin del proceso y disminucin del porcentaje de unidades defectuosas de acuerdo con el nivel de participacin por mquina inyectora y prensa modelo XFP. La Planta de Inyeccin cuenta con una alta capacidad de produccin en pares de suelas para calzado por da, sin embargo, no contaba con un procedimiento estndar, por tanto, la actividad de cada operario se basa en su conocimiento emprico 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, contaminacin del material y quemado. La problemtica en la prensa se resolvi a travs de la aplicacin de un diseo experimental 23, tcnica utilizada para el estudio de los factores influyentes en el proceso como: temperatura, tiempos de prensado y peso del material. El anlisis del diseo conllev a establecer el nivel de efecto que tiene la interaccin de los tres factores en el porcentaje de defectos; logrando un aumento de la produccin y una disminucin de unidades defectuosas a un 12% aproximadamente y un aumento de la productividad del 20%

Palabras clave: Anlisis de varianza; eficiencia productiva; diseo 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 eficincia produtiva do processo de injeo e prensagem de solas de calado em uma empresa fabricante, por meio da padronizao do processo e reduo do percentual de unidades defeituosas de acordo com o nvel de participao por injetora e prensa modelo XFP . A Planta de Injeo possui uma alta capacidade de produo em pares de solas para calados por dia, porm, no possua um procedimento padronizado, portanto, a atividade de cada operador baseada no seu conhecimento emprico 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, contaminao do material e queima. O problema na prensa foi resolvido com a aplicao de um desenho experimental 23, tcnica utilizada para estudar os fatores que influenciam o processo como: temperatura, tempos de prensagem e peso do material. A anlise do projeto levou a estabelecer o nvel de efeito que a interao dos trs fatores tem sobre o percentual de defeitos; alcanar um aumento na produo e uma diminuio nas unidades defeituosas para aproximadamente 12% e um aumento na produtividade de 20%

Palavras-chave: Anlise de varincia; eficincia produtiva; desenho experimental no replicado. tratamento; qualidade.

 

Introduccin

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 satisfaccin del cliente. La industria de calzado a nivel nacional atraviesa por un crecimiento productivo significativo que al compararlo con los mercados internacionales an no alcanza el nivel de competitividad debido a la escasa implementacin de herramientas como estrategias de mejora.

La produccin de plstico se ha incrementado notablemente debido a la facilidad y economa de transformacin, en especial de los termoplsticos que permiten la fabricacin de diversos productos a gran escala con costos relativamente bajos. Entre todos los procesos de transformacin en los que se utiliza material plstico destaca el proceso de inyeccin que ha permitido que los materiales polimricos estn reemplazando a metales, maderas, vidrios, logrando resolver necesidades del avance tecnolgico. (Lesso Garca, 2012)

La empresa textil ubicada en la provincia de Tungurahua, cantn Ambato, est integrada por cuatro plantas de produccin: elaboracin de hilos, tisaje de algodn americano, tinturado de telas y de inyeccin, esta ltima comprende un proceso en el cual existe una mquina Prensa modelo XFP, la cual requiere mayor atencin por el elevado porcentaje de desperdicios, la materia prima que ingresa a este equipo no puede ser reutilizada debido a la variacin de su composicin qumica despus de ser prensado, motivo por el cual las prdidas y los costos de produccin se incrementan afectando directamente a la eficiencia productiva de la planta relacionada con: operarios, maquinaria, variabilidad del proceso, etc.

El proceso de transformacin de los materiales plsticos que se lleva a cabo en las mquinas de inyeccin y prensa permite una produccin a gran escala con costos relativamente bajos, as como ciclos rpidos de produccin, fomentando el aumento del uso de los materiales plsticos en comparacin a otros materiales. Sin embargo, el uso de los equipos de forma emprica implica que la seleccin de los parmetros de operacin 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 operacin improductivos cuya consecuencia es la reduccin del ndice de calidad y productividad.

La produccin de suelas, especialmente en materiales granulados, se maneja por lo general en procesos de inyeccin o son moldeadas en mquinas de compresin de acuerdo con el diseo del molde, con fines especficos de comodidad y confort, por ende, se busca disminuir el peso y garantizar la durabilidad en el calzado.

Los compuestos o combinaciones en la fabricacin de suelas son diversos por mencionar: estireno, caucho, policloruro de vinilo (PVC), ltex espumado, poliuretano (PU), termoplstico espumado (TR), acetato de vinilo (EVA), entre otros. (Herrera & Pineda, 2018)

Los modelos experimentales que se basan en tcnicas estadsticas se han convertido en herramientas potentes para el diseo 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 inyeccin de plsticos, de tal manera que permite determinar la combinacin ideal para el ahorro de materia prima en una pieza estndar que cumpla su calidad dimensional. (Ruiz Hernndez, Zavala Bustos, Reyes Nez, & Villaln Ramos, 2016)

La experimentacin es un proceso en la que se inducen cambios deliberados en las variables de estudio (factores) para observar su efecto sobre variables respuesta de inters que pueden ser caractersticas de calidad de un producto. La combinacin de los niveles de los factores se conoce como tratamiento usado para determinar las condiciones ptimas en las que debe operar una mquina, un proceso o un producto. (Montgomery, 2013)

Los diseos experimentales son herramientas estadsticas que permiten lograr soluciones ptimas en el menor tiempo posible; sin embargo, para lograr una alta confiabilidad de los resultados de los diseos experimentales se debe cumplir algunos supuestos tales como normalidad de los residuos, homogeneidad de varianza e independencia. (Saldaa Ruiz, Ramrez Tapia , Ros Lira, & Henndez Ripalda, 2020)

La interaccin entre dos o ms factores es estadsticamente 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. (Gutirrez Pulido & De la Vara Salazar, 2012)

Un Diseo Factorial 2^3 es un diseo 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 diseo experimental y la tecnologa para ayudar a mejorar los procesos a nivel industrial. (Yu, Pelaez, & Lang, 2016)

En un estudio para la optimizacin de los parmetros de trabajo con el fin de fortalecer la molienda por chorro de agua con ANFIS se utiliz el diseo 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 precisin experimental est relacionada con la capacidad de encontrar diferencias entre los tratamientos evaluados. (Gordn Mendoza & Camargo Buitrago, 2015)

 

Factores de estudio

La investigacin experimental est orientada a la manipulacin de variables con respecto a la Prensa XFP, siguiendo un proceso que engloba etapas como: delimitacin de objetivos acorde del problema encontrado, desarrollo de la hiptesis de trabajo, elaboracin del diseo experimental, realizacin del experimento, anlisis de los resultados y obtencin de las respectivas conclusiones del estudio planificado

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

Proceso de prensado de suelas en material EVA

La fabricacin de suelas en material EVA es un proceso nuevo en el pas, razn por la cual el manejo de los parmetros tcnicos en la maquinaria hasta el momento es experimental y emprico.

El proceso inicia con la orden de produccin, consecutivamente se pesa el material EVA de acuerdo con el requerimiento analizado empricamente por los operarios en una balanza electrnica, el compuesto se ubica en vasos plsticos y son transportados hacia la prensa XFP. El material es colocado de forma manual en los moldes y la mquina se encarga del proceso en funcin de los parmetros 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 anlisis de los posibles defectos. Si las medidas no son las adecuadas y la pieza no presenta defectos se enva a un tnel estabilizador que contiene compuertas a una determinada temperatura para encoger las suelas hasta el tamao objetivo.

La mquina Prensa XFP para moldeo en material EVA es automtica, controlada a travs de una pantalla tctil para monitorear los movimientos y produccin de la mquina. Esta prensa puede fabricar calzado, zapatillas, suelas, plantillas, etc

El Tnel se compone de diferentes estaciones que a travs de un sistema de calefaccin y trasporte por banda permiten disminuir el tamao del producto considerando que la velocidad de la mquina es regulable. Se debe tomar en cuenta que el artculo ingresado no va a mostrar cambios en su estructura qumica, nicamente en las caractersticas fsicas

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 fusin y homogenizacin adecuada del material a lo largo del molde de plastificacin.

Una pieza formada se obtiene del proceso de inyeccin de plastico con el cierre del molde de forma hermtica. En la etapa de enfriamiento el material se contrae, por lo que se aade ms material para que el volumen de la pieza sea el deseado yse aplica una presin de compactacin. El material permanece en el interior del molde hasta que el producto alcanza la temperatura de extraccin y este listo para ser desmontado acelerando el tiempo de ciclo. (Beltrn & Marcilla, 2015, pgs. 185-186)

La importancia de monitorear y controlar los factores de operacin se debe a que la variabilidad de los factores provoca defectos como rechupes, diferencia de color y tamao, 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 informacin necesaria para responder al problema de una manera eficiente.

 

Metodologa

Para el presente estudio se utiliz la base de datos obtenida a partir de ensayos experimentales realizados en una mquina prensa modelo XFP, Los ensayos correspondieron a pruebas experimentales combinando los distintos niveles establecidos para cada factor de inters. 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 produccin).

La planificacin y ejecucin del modelo experimental factorial inicia con la identificacin de los factores crticos a ser estudiados y los respectivos niveles de cada factor (Tabla 1). Los dems factores se mantuvieron fijos para el experimento.

 

 

 

 

 

Tabla 1: Valores nominales de los factores de inters

 

REPRESENTACIN

 

FACTOR

NIVELES (s, )

Bajo (-1)

Alto (1)

A

Tiempo Prensado

10

20

B

Temperatura Prensado

165

185

C

Peso Dosificado

52

60

 

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

La ejecucin 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 relacin con el total de unidades fabricadas (Tabla 2.)

Tabla 2: Variable de salida por tratamiento.

TIEMPO

TEMPERATURA

PESO

% DE DEFECTOS

10

185

52

0,30

20

165

60

0,23

10

165

52

0,37

20

185

60

0,15

10

165

60

0,36

20

185

52

0,29

10

185

60

0,19

20

165

52

0,15

20

165

60

0,39

10

185

52

0,23

20

165

52

0,12

10

185

60

0,23

10

165

60

0,16

20

185

52

0,26

10

165

52

0,39

20

185

60

0,09

 

Con los datos obtenidos se determina uno de los principales supuestos que deben cumplir los diseos 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 anlisis de varianza que establece aquellos factores, as como las interacciones que pueden tener efecto significativo sobre el proceso, con base en la produccin de unidades defectuosas. Posteriormente las grficas de interaccin y efectos principales son evaluadas para obtener una correcta interpretacin de los resultados.

Se calcula el coeficiente de determinacin 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 experimentacin se analiza el porcentaje de defectos y se aplica la prueba de comparacin mltiple LSD (least significant difference) por sus acrnimos en ingles conocida tambin como Diferencia Mnima Significativa (DMS) con un nivel de confianza del 95% tcnica que permite determinar el Interval de variabilidad de cada tratamiento.

 

Resultados

A partir de los datos obtenidos aplicando el diseo 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 travs de la grfica de Pareto (Figura 4) se observa la magnitud de los efectos principales y de interaccin 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 inyeccin de la maquina inyectora. (Tabla 3).

 

Tabla 3: Tabla ANOVA

El coeficiente de determinacin muestra que el 73,10 % de la variabilidad en los datos es explicada por los factores significativos, es decir que el diseo experimental es adecuado para el estudio.

El objetivo de la investigacin experimental es minimizar la cantidad de defectos en el proceso de la mquina prensa modelo XFP. Al aplicar el mtodo LSD se obtienen grficas de medias con intervalos (Figura 5) que permiten identificar la condicin de operacin ptima para reducir el nmero de defectos e indican que se debe operar con una temperatura de prensado de 185C, 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: Grficas de interaccin triple

 

Adicionalmente, se establece un modelo de regresin en funcin de los factores que tienen efecto sobre la variable de salida. Este modelo se muestra a continuacin:

Donde:

X1

Tiempo de prensado

X2

Temperatura de prensado

X3

Peso dosificado

 

El modelo de regresin permite predecir valores del porcentaje de defectos que se pueden presentar al variar los niveles de los factores correspondientes a la regin de experimentacin.

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 mquina de inyeccin

La tabla 5 muestra que se puede obtener un porcentaje promedio de defectos de 12% por cada lote producido, al configurar la mquina con los parmetros determinados a travs de la experimentacin.

Tabla 5. Prediccin de respuesta mltiple (MINITAB)

Solucin

Solucin

TIEMPO

TEMPERATURA

PESO

% DEFECTOS
Ajuste

Deseabilidad
compuesta

1

20

185

60

0,12

0,9

 

La interaccin entre el tiempo de prensado, temperatura de prensado y peso de dosificacin es predominante durante el proceso de inyeccin y prensado de plstico para la elaboracin de suelas para zapatos, esto indica que, a mayor tiempo de prensado, mayor temperatura de prensado y mayor peso de dosificacin se reduce el porcentaje de defectos como son los rechupes, inyeccin incompleta, falta de color, entre otros

El uso de tcnicas estadsticas para modelar experimentalmente el comportamiento funcional de equipos o maquinas facilita la configuracin ptima de los parmetros de operacin 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 experimentacin, por lo que la planeacin del diseo experimental debe ser efectivo a la hora de seleccionar el modelo experimental.

Los modelos experimentales factoriales son los ms utilizados en la industria e investigacin, tanto para el modelado de procesos como diseo de productos, entre estos, el modelo experimental factorial 23 replicado. Los diseos experimentales factoriales se emplean por ser flexibles sobre todo cuando es necesario evaluar lotes en procesos de produccin a gran escala.

 

 

 

Conclusiones

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

El coeficiente de determinacin 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 dosificacin, otorgando confiabilidad de las decisiones que surjan con base en los resultados obtenidos.

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

La aplicacin de los diseos 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 organizacin, la sociedad y la economa.

 

Referencias

 

1.      Beltrn, M., & Marcilla, A. (2015). Tecnologa de Polmeros. Alicante.

2.      Cesar., L. G. (2012). Aplicacin del diseo de experimentos para la mejora del proceso de moldeo por inyeccin de plsticos de la pieza fin instrument en industrias Camca SA de CV.

3.      Garcia Lesso, J. C. (Noviembre de 2012). Aplicacin de diseos de experimentos. Obtenido de Centro Universitario Quertano: http://ri.uaq.mx/xmlui/bitstream/handle/123456789/2150/RI001299.pdf?sequence=1&isAllowed=y

4.      Gordn Mendoza, R., & Camargo Buitrago, I. (2015). Seleccin de estadsticos para la estimacin de la precisin experimental en ensayos de maz. Agronoma Mesoamericana, 26(1), 55-63. doi:https://doi.org/10.15517/am.v26i1.16920

5.      Gutirrez Pulido, H., & De la Vara Salazar, R. (2012). Anlisis y diseo de experimentos. Mxico: McGraw-Hill.

6.      Herrera, L., & Pineda, J. (2018). Evaluacin de la mezcla de Etileno Vinil Acetato (EVA) con caucho natural o sinttico, para la incorporacin de la formulacin de suelas de calzado de la compaa Croydon. Bogot.

7.      Lesso Garca, J. C. (2012). Aplicacin del diseo de experimentos para la mejora del proceso de moldeo por inyeccin de plsticos de la pieza fin instrument en industrias Camca SA de CV. Mxico: Universidad de Quertaro.

8.      Liang, Z., Liao, S., & Liu, X. (2019). Working parameter optimization of strengthen waterjet grinding with the orthogonal-experiment-design-based ANFIS. Journal of Intelligent Manufacturing volume, 833-854.

9.      Montgomery, D. (2013). Diseo y anlisis de experimentos. Mxico: Limusa.

10.  Ruiz Hernndez, R., Zavala Bustos, J. A., Reyes Nez, M. d., & Villaln Ramos, V. M. (2016). Control de variables en el proceso de inyeccin de probetas plsticas. Pistas Educativas, 38(118), 255-262. Obtenido de http://www.itcelaya.edu.mx/ojs/index.php/pistas/article/view/197

11.  Saldaa Ruiz, M., Ramrez Tapia , R., Ros Lira, A., & Henndez Ripalda, M. (2020). Planeacin para el desarrollo de un programa para desbalancear matrices de diseo en diseos factoriales 2k. Pistas Educativas, 42(136), 838-852.

12.  Yu, Y., Pelaez, A., & Lang, K. (2016). Designing and evaluating business process models: an experimental approach. Information Systems and e-Business, 767-789. doi:https://doi.org/10.1007/s10257-014-0257-0

 

 

 

 

 

2021 por los autores. Este artculo es de acceso abierto y distribuido segn los trminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribucin-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/)

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