การปรับสมดุลสายการผลิตและเวลามาตรฐานในเวิร์กช็อปการพิมพ์ 3 มิติ: วิธีการเชิงวิศวกรรมจากการระบุคอขวดถึงการปรับจังหวะการผลิต

บทนำ: เครื่องจักรยุ่งตลอดเวลา แต่คำสั่งซื้อมักส่งช้า

ในโรงงานพิมพ์ 3 มิติจำนวนไม่น้อย มักเกิดปรากฏการณ์แบบเดียวกันคือ อัตราการเปิดใช้งานเครื่องพิมพ์ดูเหมือนสูงมาก แต่หน้าสถานีงานหลังการพิมพ์กลับมีชิ้นส่วนรอค้างอยู่ตลอดปี งานกำจัดผง งานถอดซัพพอร์ต งานพ่นทราย งานอบชุบความร้อนต่างต้องต่อคิว ขณะที่วันส่งมอบเลื่อนออกไปซ้ำแล้วซ้ำเล่า ผู้บริหารมักสรุปว่านี่คือปัญหากำลังการผลิตไม่เพียงพอ จึงซื้อเครื่องจักรเพิ่ม แต่ผลลัพธ์คือมีงานระหว่างผลิตสะสมมากขึ้น ในขณะที่อัตราการส่งมอบตรงเวลาไม่ได้ดีขึ้น

รากของปัญหามักไม่ได้อยู่ที่ความเร็วของเครื่องจักรเครื่องใดเครื่องหนึ่ง แต่อยู่ที่สมดุลของสายการผลิต กระบวนการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุเป็นการเชื่อมต่อหลายขั้นตอน ตั้งแต่การพิมพ์ การกำจัดผง การถอดซัพพอร์ต การทำหลังการพิมพ์ การตรวจสอบ ไปจนถึงการบรรจุภัณฑ์ โดยแต่ละกระบวนการมีจังหวะเวลาต่างกันมาก เครื่องเลเซอร์พาวเดอร์เบดหนึ่งเครื่องอาจทำงานต่อเนื่องได้นานกว่าสิบชั่วโมง แต่การถอดซัพพอร์ตและปรับผิวของชิ้นส่วนซับซ้อนหนึ่งชิ้นอาจใช้เวลาเพียงไม่กี่สิบนาที หากจัดสรรงานโดยเฉลี่ยตามจำนวนเครื่องจักร ย่อมเกิดการสะสมหน้ากระบวนการที่ช้ากว่า บทความนี้นำเสนอชุดวิธีการเชิงวิศวกรรมที่นำไปใช้ได้จริงในเวิร์กช็อปการพิมพ์ 3 มิติ ตั้งแต่การวัดเวลามาตรฐาน การระบุคอขวด การคำนวณอัตราสมดุลสายการผลิต ไปจนถึงการปรับจังหวะการผลิต

หนึ่ง เหตุใดจังหวะการผลิตในเวิร์กช็อปการพิมพ์ 3 มิติจึงปรับสมดุลได้ยากเป็นพิเศษ

ในเวิร์กช็อปงานกัด กลึง หรือการผลิตแบบดั้งเดิม จังหวะของแต่ละกระบวนการมักค่อนข้างสม่ำเสมอ แต่ในการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ การกระจายเวลาของแต่ละขั้นตอนกลับไม่สม่ำเสมออย่างมาก โดยมีสาเหตุหลักจากสามปัจจัย

ประการแรก ระดับเวลาของแต่ละกระบวนการต่างกันมาก สำหรับการหลอมผงโลหะบนพาวเดอร์เบดด้วยเลเซอร์ หรือ LPBF รอบการพิมพ์หนึ่งกระบอกมักอยู่ที่ 8—30 ชั่วโมง ขณะที่การกำจัดผงและถอดซัพพอร์ตของชิ้นส่วนในล็อตเดียวกันอาจใช้เพียง 1—3 ชั่วโมง หากจัดคนและเครื่องแบบ 1:1 กระบวนการที่ช้าจะกลายเป็นคอขวดอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

ประการที่สอง ขนาดล็อตและกลยุทธ์การจัดวางในห้องพิมพ์เชื่อมโยงกัน การจัดงานหนึ่งรอบอาจวางชิ้นส่วนขนาดเล็กได้หลายสิบชิ้น หรืออาจวางได้เพียงชิ้นส่วนขนาดใหญ่ชิ้นเดียว ความหนาแน่นของการจัดวางกำหนดเวลาพิมพ์ที่ปันส่วนต่อชิ้น และยังกำหนดจังหวะการไหลเข้าสู่กระบวนการปลายน้ำ เมื่อกลยุทธ์การจัดวางเปลี่ยน การกระจายจังหวะของทั้งสายการผลิตก็เปลี่ยนตาม

ประการที่สาม เวลาหลังการพิมพ์ขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตของชิ้นส่วนอย่างมาก ในชิ้นส่วนล็อตเดียวกัน ชิ้นที่มีช่องทางไหลภายในซับซ้อนอาจใช้เวลาในการกำจัดผงและขัดด้วยการไหลของเม็ดขัดมากกว่าชิ้นส่วนรูปทรงภายนอกเรียบง่ายถึง 3—5 เท่า หากใช้ค่าเวลาเฉลี่ยในการวางแผนการผลิต ความผันผวนจริงจะทำให้แผนถูกเจาะทะลุอยู่เสมอ

ทั้งสามประเด็นนี้ทำให้การปรับสมดุลสายการผลิตในเวิร์กช็อปการพิมพ์ 3 มิติไม่สามารถลอกประสบการณ์จากสายการประกอบมาใช้ตรง ๆ ได้ แต่ต้องตั้งอยู่บนเวลามาตรฐานที่วัดจริง และสร้างแบบจำลองโดยจำแนกตามตระกูลชิ้นส่วน

สอง วิธีการวัดเวลามาตรฐาน

เวลามาตรฐานหมายถึงเวลาที่ผู้ปฏิบัติงานที่มีความสามารถเหมาะสมต้องใช้ในการทำงานหนึ่งหน่วยให้เสร็จภายใต้เงื่อนไขการทำงานมาตรฐาน โดยทั่วไปได้จากเวลาเฉลี่ยที่สังเกต แล้วปรับด้วยค่าสัมประสิทธิ์การประเมินสมรรถนะและค่าส่วนเผื่อ:

เวลามาตรฐาน = เวลาเฉลี่ยที่สังเกต × ค่าสัมประสิทธิ์การประเมิน ×（1 + อัตราส่วนเผื่อ）

ในเวิร์กช็อปการพิมพ์ 3 มิติ แนะนำให้สร้างแบบจำลองเวลาแยกตามกระบวนการ

กระบวนการพิมพ์: เวลาหลักคือเวลาที่เครื่องถูกใช้งาน ส่วนการแทรกแซงของคน เช่น การตรวจชั้นผง การทำความสะอาดห้องพิมพ์ และการเปลี่ยนกระบอก เป็นเวลารอง แนะนำให้แยกเวลาของเครื่องจักรออกจากเวลาของแรงงาน โดยเวลาของเครื่องใช้สำหรับคำนวณกำลังการผลิต ส่วนเวลาของแรงงานใช้สำหรับจัดสรรกำลังคน เช่น เครื่องหนึ่งพิมพ์หนึ่งกระบอกใช้เวลา 14 ชั่วโมง และใช้แรงงานแทรกแซง 0.8 ชั่วโมง ดังนั้นเวลาของเครื่องคือ 14 ชั่วโมงต่อกระบอก และเวลาของแรงงานคือ 0.8 ชั่วโมงต่อกระบอก

กระบวนการกำจัดผงและถอดซัพพอร์ต: เวลามีความสัมพันธ์สูงกับปริมาตรชิ้นส่วน ความซับซ้อนของโพรงภายใน และปริมาณซัพพอร์ต แนะนำให้สุ่มตัวอย่างตามตระกูลชิ้นส่วนเพื่อวัดจริง แล้วสร้างความสัมพันธ์เชิงถดถอย ในการวัดจริงสามารถใช้วิธีจับเวลาแบบต่อเนื่องด้วยนาฬิกาจับเวลา โดยชิ้นส่วนแต่ละประเภทควรสังเกตอย่างน้อย 5—10 ครั้งแล้วหาค่าเฉลี่ย ตัดค่าผิดปกติออก จากนั้นคูณด้วยค่าสัมประสิทธิ์การประเมิน ซึ่งโดยทั่วไปอยู่ที่ 0.95—1.10

กระบวนการหลังการพิมพ์และการตรวจสอบ: งานพ่นทราย ขัดเงา อบชุบความร้อน ตรวจวัดด้วยเครื่อง CMM และงานอื่น ๆ ได้รับผลจากขนาดล็อตอย่างชัดเจน และมีเวลาเตรียมงานเป็นล็อตอย่างเด่นชัด จึงควรแยกเป็นเวลาเตรียมงานและเวลาต่อชิ้นสองส่วน: เวลารวมของกระบวนการ = เวลาเตรียมงาน + เวลาต่อชิ้น × จำนวนชิ้นในล็อต

อัตราส่วนเผื่อแนะนำให้กำหนดตามความหนักของงานที่ 8%—20% ตำแหน่งที่เกี่ยวข้องกับการป้องกันฝุ่นและการขนย้ายควรใช้ค่าสูง ส่วนงานละเอียดที่ทำในท่านั่งควรใช้ค่าต่ำ ส่วนเผื่อประกอบด้วยส่วนเผื่อทางสรีรวิทยา ส่วนเผื่อความล้า และส่วนเผื่อด้านการปฏิบัติงาน ไม่ควรกำหนดเป็นตัวเลขเดียวเหมือนกันทั้งหมดอย่างง่าย ๆ

สาม การระบุกระบวนการคอขวด

เมื่อมีเวลามาตรฐานของแต่ละกระบวนการแล้ว การระบุคอขวดก็มีหลักฐานเชิงวัตถุ ไม่ใช่อาศัยความรู้สึกหน้างาน วิธีที่ใช้บ่อยมีสามวิธี

วิธีที่หนึ่ง เปรียบเทียบอัตราภาระงานของกระบวนการ คำนวณอัตราภาระงานรายวันของแต่ละกระบวนการ = เวลาที่ต้องใช้สำหรับงานตามแผน ÷ เวลาที่พร้อมใช้งาน กระบวนการที่มีอัตราภาระงานสูงสุดและเกิน 100% ต่อเนื่องคือคอขวด ในเวิร์กช็อปการพิมพ์ 3 มิติ คอขวดมักอยู่ที่ขั้นตอนกำจัดผงและถอดซัพพอร์ต หรือขั้นตอนอบชุบความร้อน

วิธีที่สอง สังเกตความยาวคิว สังเกตต่อเนื่องหนึ่งสัปดาห์ และบันทึกปริมาณงานระหว่างผลิตหรือ WIP ที่สะสมหน้ากระบวนการแต่ละขั้น กระบวนการที่มีปริมาณสะสมเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง แสดงว่าอัตราการมาถึงจากต้นน้ำสูงกว่าความสามารถในการประมวลผลของกระบวนการนั้น นี่เป็นวิธีที่เห็นภาพชัดที่สุดและผู้ปฏิบัติงานหน้างานยอมรับได้ง่ายที่สุด

วิธีที่สาม แยกวิเคราะห์ประสิทธิผลโดยรวมของเครื่องจักร หรือ OEE หาก OEE ของกระบวนการคอขวดใกล้ขีดจำกัดเชิงทฤษฎีแล้ว แสดงว่าการเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการนั้นเพียงอย่างเดียวมีพื้นที่จำกัด จำเป็นต้องกระจายภาระจากระดับกระบวนการผลิตหรือระดับการวางแผนการผลิต

ต้องระวังว่าคอขวดสามารถเคลื่อนย้ายได้ เมื่อโครงสร้างคำสั่งซื้อเปลี่ยนจากชิ้นใหญ่ไปเป็นชิ้นเล็ก คอขวดอาจย้ายจากการพิมพ์ไปสู่หลังการพิมพ์ เมื่อมีการนำอุปกรณ์กำจัดผงอัตโนมัติเข้ามา คอขวดก็จะกระจายใหม่อีกครั้ง ดังนั้นการระบุคอขวดควรทบทวนทุกเดือน ไม่ใช่วัดครั้งเดียวแล้วใช้ไปในระยะยาว

สี่ การคำนวณและปรับปรุงอัตราสมดุลสายการผลิต

อัตราสมดุลสายการผลิตเป็นตัวชี้วัดระดับความสมดุลของภาระงานระหว่างกระบวนการต่าง ๆ:

อัตราสมดุลสายการผลิต = ผลรวมเวลามาตรฐานของทุกกระบวนการ ÷（เวลาของกระบวนการคอขวด × จำนวนกระบวนการ）× 100%

ยิ่งอัตราสมดุลสูง แสดงว่าภาระงานของแต่ละกระบวนการยิ่งใกล้เคียงกัน การรอคอยและงานระหว่างผลิตยิ่งน้อยลง โดยทั่วไป อุตสาหกรรมการผลิตแบบไม่ต่อเนื่องมักตั้งเป้าอัตราสมดุลไว้มากกว่า 85% แต่สำหรับเวิร์กช็อปการพิมพ์ 3 มิติ เนื่องจากเวลาของกระบวนการแตกต่างกันมาก ช่วงเริ่มต้นหากทำได้ 60%—70% ก็ถือว่าเป็นปกติ พื้นที่การปรับปรุงหลักสามารถปลดล็อกได้ด้วยวิธีต่อไปนี้

1. การแยกและรวมกระบวนการ แยกส่วนที่ทำให้เป็นมาตรฐานได้ออกจากกระบวนการคอขวด ตัวอย่างเช่น แยกการถอดซัพพอร์ตแบบหยาบออกจากการเก็บละเอียด ให้ผู้ปฏิบัติงานเฉพาะทางจัดการการถอดหยาบแบบรวมศูนย์ และคงการเก็บละเอียดไว้ในสายหลัก วิธีนี้สามารถลดเวลาคอขวดได้อย่างมีนัยสำคัญ

2. จัดลำดับการผลิตโดยให้กระบวนการคอขวดมาก่อน ใช้ตรรกะการวางแผนแบบขับเคลื่อนด้วยคอขวด คือจัดตารางกระบวนการคอขวดก่อน จากนั้นดึงต้นน้ำตามจังหวะของคอขวด และผลักปลายน้ำตามจังหวะเดียวกัน ประสิทธิภาพเฉพาะจุดที่สูงของกระบวนการที่ไม่ใช่คอขวดไม่มีความหมาย เพราะผลผลิตของคอขวดเท่านั้นที่กำหนดผลผลิตของทั้งสาย

3. ตั้งบัฟเฟอร์ ไม่ใช่กองงาน ตั้งบัฟเฟอร์เชิงปริมาณหน้ากระบวนการคอขวด โดยทั่วไปกำหนดตามปริมาณงานที่คอขวดประมวลผลได้ใน 2—4 ชั่วโมง ไม่ใช่ปล่อยให้กองได้ไม่จำกัด เมื่อบัฟเฟอร์เต็ม ให้หยุดปล่อยงานจากต้นน้ำ เพื่อป้องกัน WIP หลุดการควบคุม

4. ประสานกลยุทธ์การจัดวางในห้องพิมพ์กับจังหวะการผลิต เชื่อมโยงการจัดวางงานในห้องพิมพ์กับความสามารถในการประมวลผลของปลายน้ำ เมื่อหลังการพิมพ์เป็นคอขวด ควรให้ความสำคัญกับการรวมชิ้นส่วนตระกูลที่ใช้เวลาหลังการพิมพ์ต่ำไว้ในรอบพิมพ์เดียวกัน เมื่อการพิมพ์เป็นคอขวด ควรเพิ่มความหนาแน่นของการจัดวาง เพื่อลดเวลาพิมพ์ที่ปันส่วนต่อชิ้น

5. พัฒนาพนักงานหลายทักษะ จัดผู้ปฏิบัติงานที่มีความสามารถหลายกระบวนการให้กับกระบวนการคอขวด เมื่อมีงานสะสมที่คอขวด สามารถดึงคนจากกระบวนการใกล้เคียงมาสนับสนุนชั่วคราวได้ นี่คือวิธีปรับปรุงความยืดหยุ่นที่มีต้นทุนต่ำที่สุด

ห้า ประเด็นสำคัญในการดำเนินการและข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

เมื่อนำการบริหารสมดุลสายการผลิตไปใช้จริง มีข้อผิดพลาดที่พบบ่อยหลายประการที่ควรหลีกเลี่ยงล่วงหน้า

ข้อผิดพลาดที่หนึ่ง ใช้เวลาเฉลี่ยแทนเวลาตามตระกูลชิ้นส่วน การนำเวลาการกำจัดผงของชิ้นส่วนทั้งหมดมาเฉลี่ยเป็นค่าเดียว จะทำให้การวางแผนชิ้นส่วนซับซ้อนมองโลกในแง่ดีเกินจริงอย่างรุนแรง ต้องสร้างแบบจำลองเวลาตามตระกูลชิ้นส่วน อย่างน้อยควรแยกเป็นสามระดับ ได้แก่ รูปทรงภายนอกเรียบง่าย ความซับซ้อนปานกลาง และโพรงภายในซับซ้อน

ข้อผิดพลาดที่สอง ดูเฉพาะอัตราการเปิดใช้งานเครื่องจักร อัตราการเปิดเครื่องสูงไม่ได้หมายความว่าผลผลิตสูง หากคอขวดอยู่ที่ปลายน้ำ ยิ่งเครื่องพิมพ์เปิดใช้งานสูงเท่าใด งานระหว่างผลิตก็จะสะสมเร็วขึ้นเท่านั้น การประเมินสายการผลิตควรดูอัตราส่งมอบตรงเวลาและจำนวนวันหมุนเวียนของ WIP ไม่ใช่ดูเพียงอัตราการใช้ประโยชน์ของเครื่องเดี่ยว

ข้อผิดพลาดที่สาม วัดเวลาครั้งเดียวแล้วใช้ตลอดไป การปรับพารามิเตอร์กระบวนการ การอัปเกรดอุปกรณ์ และการเพิ่มทักษะของบุคลากร ล้วนทำให้เวลาเปลี่ยนแปลงได้ แนะนำให้ทบทวนเวลามาตรฐานทุกไตรมาส และเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงกระบวนการ ต้องวัดใหม่เสมอ

ข้อผิดพลาดที่สี่ แยกกระบวนการแบบฝืนเพื่อเพิ่มอัตราสมดุล การแยกมากเกินไปจะเพิ่มการขนย้ายและการรอคอย และอาจทำให้ประสิทธิภาพลดลง เงื่อนไขของการแยกคือ ส่วนที่ถูกแยกออกมาต้องสามารถทำให้เป็นมาตรฐานได้ และต้นทุนการขนย้ายต้องควบคุมได้

ลำดับการดำเนินการที่แนะนำคือ เริ่มจากจัดทำรายการกระบวนการและแบบจำลองเวลา จากนั้นระบุคอขวด ต่อด้วยการปรับปรุงเฉพาะคอขวด และสุดท้ายติดตามผลด้วยตัวชี้วัดคู่ คืออัตราสมดุลและอัตราส่งมอบตรงเวลา หลีกเลี่ยงการเปิดดำเนินการแบบครอบคลุมทั้งระบบตั้งแต่เริ่มต้น

สรุป

แรงกดดันด้านการส่งมอบในเวิร์กช็อปการพิมพ์ 3 มิติโดยมากไม่ได้เกิดจากเครื่องจักรไม่พอ แต่เกิดจากจังหวะของแต่ละกระบวนการไม่สมดุลจนทำให้งานระหว่างผลิตสะสม แนวทางแก้ไขคือ ใช้เวลามาตรฐานที่วัดจริงแทนการประมาณจากประสบการณ์ ใช้อัตราภาระงานและความยาวคิวเพื่อระบุคอขวดอย่างเป็นวัตถุ ใช้ตรรกะการวางแผนการผลิตที่ขับเคลื่อนด้วยคอขวดและบัฟเฟอร์เชิงปริมาณเพื่อควบคุม WIP จากนั้นใช้อัตราสมดุลสายการผลิตติดตามผลการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง สำหรับแพลตฟอร์มบริหารวงจรชีวิตครบถ้วนตั้งแต่การออกแบบพิมพ์เขียวไปจนถึงการส่งมอบชิ้นงานจริง เช่น lantu3D ข้อมูลสมดุลสายการผลิตยังเป็นฐานสำคัญของการเสนอราคา การจัดตารางผลิต และคำมั่นด้านกำหนดส่งมอบ เพราะเมื่อวัดเวลาได้แม่นยำเท่านั้น จึงกล้ารับปากวันส่งมอบ และคำนวณต้นทุนได้ชัดเจน