MASS CUSTOMIZATION: SU APLICACIÓN EFECTIVA MEDIANTE RAPID MANUFACTURING

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1 XI CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERIA DE PROYECTOS LUGO, Septiembre, 2007 MASS CUSTOMIZATION: SU APLICACIÓN EFECTIVA MEDIANTE RAPID MANUFACTURING Abstract Javier Munguía (p), Guido Charosky Mass Customization (MC) is a design tool that leads to high levels of product differentiation without altering its cost and manufacturing volumes. It is an emergent concept whose implications go beyond unique product customization. On the other hand Rapid Manufacturing (RM) comprises several technologies for direct manufacture from 3D data and has now a successful history of applications that confirm it as a mid-term real manufacturing option. Through a MC classification, the implication of its different phases during product development is discussed as well as the manufacturing strategies it demands. One case study is included about MC planning for Large Format Printers to show the relationship between the required customization level and the integration with Rapid Manufacturing as a response to those needs. During the study it is recognized that when customization levels are increased, as a consequence process flexibility requirements are also increased. This leads to the consideration of alternative technologies for production, just like those offered by RM, thus indicating the high compatibility of both technologies. Keywords: Mass customization, Rapid Manufacturing Resumen Mass Customization (MC), una tendencia de diseño que tiende a alcanzar altos niveles de diferenciación entre productos individuales sin alterar sus costes y niveles de producción, es un concepto emergente cuyas implicaciones van más allá de la customización de productos únicos. Por otra parte Rapid Manufacturing (RM) representa tecnologías para la fabricación directa a partir de datos electrónicos y cuenta ya con un historial de aplicaciones que la confirman como una opción real de fabricación a mediano-corto plazo. La presente comunicación trata sobre la forma en que ambas herramientas pueden integrarse para lograr por un lado, una customización masiva definitiva y por otro lado mostrar un nicho de mercado para las tecnologías de RM. A través de la clasificación de MC se discute las implicaciones de sus diferentes etapas dentro del ciclo de desarrollo de productos así como las estrategias productivas que demanda. Se introduce también un caso de estudio sobre la planeación de MC en impresoras de gran formato como respuesta a dichas necesidades. Durante el estudio se reconoce que al aumentar los niveles de customización aumentan las exigencias de flexibilidad en los procesos empleados, conduciendo a la necesidad de considerar tecnologías alternativas de producción como las ofrecidas por RM. Esto indica que ambas tecnologías son altamente compatibles. Palabras clave: Mass customization, Rapid Manufacturing 1903

2 1. Introducción El término Mass Customization (MC) comenzó a utilizarse a finales de los años 80 aunque su promoción se dio de forma más contundente a principios de los 90 por Joseph Pine (1993). El concepto tal y como es manejado hoy en día fue acuñado por Davis (1987) definiéndola como una filosofía de negocios para proveer productos y servicios a clientes individuales o nichos de mercado en una gran escala sin perder los beneficios de la producción masiva (eficiencia, productividad, alta calidad, bajos costes y rápida respuesta). El interés por MC radica en los requerimientos de diferentes ramas de la industria: automóviles, electrónica, moda, calzado, mobiliario entre otras, donde se pretende ofrecer cierto grado de personalización en una escala masiva, procurando alcanzar los estándares de eficiencia, productividad, costes, calidad, capacidad de respuesta y entrega comúnmente asociado con la producción masiva (Barbarzon y Mc Carthy, 2003). Por su parte La fabricación rápida o Rapid Manufacturing (RM) es definida como la producción rápida, flexible y económica de piezas directamente desde datos electrónicos (Shellabear, 2004). Es común encontrarse con otros términos similares como fabricación directa (direct manufacturing), fabricación digital (digital manufacturing), o uno de los más comunes: e-manufacturing o fabricación electrónica. En cualquiera de las anteriores formas, el concepto se refiere a la aplicación de alguna técnica de prototipado o utillaje rápido para generar piezas de forma directa. Sus implicaciones en el diseño y desarrollo de productos no se han hecho esperar. Actualmente algunas tecnologías de RM se aplican a mercados nicho caracterizados por una alta necesidad de personalización, ciclos de vida cada vez más reducidos para el producto y por lo tanto cambios constantes en el diseño, lotes reducidos y un alto valor añadido. 2. Objetivos A través de la definición de ambos conceptos, tanto Mass Customization como de Rapid Manufacturing se pretende establecer sus principales implicaciones respecto al diseño, el proceso productivo y las nuevas alternativas que presentan de cara al desarrollo de productos. En cuanto a MC se hace un especial énfasis en la definición de los arquetipos existentes y se hace una aportación señalando la relación existente entre cada nivel de MC, sus implicaciones a nivel productivo y su ubicación dentro del ciclo de diseño. Así mismo a través del caso de estudio incluido se plantea la integración del RM en la estrategia de producto por Mass Customization para una impresora de gran formato. 3. Sobre Mass Customization 3.1 Elementos de MC En ocasiones definido como un cambio de paradigma, una nueva manera de diseñar, producir y entregar productos o servicios, diferente a la producción en masa, lo cierto es que MC no intenta reemplazarla ya que aun se encuentra en algunos mercados de commodities, donde lo que manda es la uniformidad, la repetibilidad y los altos volúmenes. En cambio existen otros sectores donde la variedad es cada vez mayor y los ciclos de vida de los productos tienden a ser más cortos. Los beneficios potenciales de aplicar mass customization son varios y de diversa índole, por ejemplo el aumento de la retención de clientes individuales, la habilidad de satisfacer mercados nicho, el potencial de tener precios Premium que atraigan a segmentos de alto poder adquisitivo, así como una fuerte ventaja competitiva. El producto-servicio ofertado en un entorno de Mass Customization es diferente a un sistema de producción masiva ya que el productor no envía una variedad de productos 1904

3 terminados al mercado con la esperanza de que el cliente los compre. En cambio, provee un producto-servicio que permite un grado de diferenciación, configuración o retroalimentación del cliente durante el proceso de diseño de manera que éste puede adecuar el producto a sus deseos y necesidades. El grado de participación del cliente en el proceso de diseño es una de las características principales de los diferentes enfoques de MC, ya sea eligiendo opciones o configuración de atributos de un catálogo o especificando sus requerimientos de manera personalizada. Esta, es una decisión estratégica en la cual es importante considerar los motivos que llevan al cliente al deseo de customizar. En este sentido, se deberán tener en cuenta las diferentes motivaciones identificadas que conducen a diferentes tipos de customización: influenciadas por el tipo de producto y por el mercado. La clave es captar, por parte del cliente, qué atributos está interesado en personalizar y posteriormente comprobar si la empresa está en condiciones de ofrecerlo en tiempo y forma. Los tipos de atributos sobre los cuales los clientes pueden elegir son variados (dimensión, ajuste, funcionalidad, apariencia y acabado, identificación y personalización, entre otras). Sin embargo no solo se debe tener en cuenta el producto en sí mismo al planear MC, sino todo también lo que lo rodea: empaquetado, contenedores para transporte, códigos de barras, y otra información de relacionado a transporte, instrucciones, funciones relacionadas al guardado y entrega. En este contexto el marketing juega un papel clave debiendo tener en cuenta aspectos como: folletos de venta, videos-audio, referencias del cliente y de consumidores, entrega, posición en exhibición o en uso, frecuencia de entrega o procedimientos especiales de manipulación, precio de venta, forma de pago y descuentos. A decir de Gilmore y Pine (1997) la cadena de suministro (supply chain) es remplazada por otra llamada la cadena de demanda (demand chain). En la producción de escala, se produce con anticipación, creando un inventario a partir de una demanda potencial incierta. La previsión (forecast) es una actividad crítica, pero como es sabido, los modelos de previsión normalmente no son 100 por ciento precisos. Incluso si la previsión de cantidad es acertada, no es posible saber de antemano en qué lugar exacto se requerirá cada producto. Por otra parte en la producción customizada, se minimizan los costos al no tener inventarios de productos terminados. En cambio se crean inventarios de material virgen o componentes estándar para se aprovechados solo bajo pedido de clientes individuales. No obstante existen varios desafíos relacionados con la inclusión del cliente en el proceso de especificación y diseño, en algunos casos como co-diseñador: Cómo establecer una comunicación efectiva con los clientes? Cómo obtener información precisa y fiable sobre el producto? Cómo generar rápidos presupuestos y compromisos de entrega? Cómo proveer rápidamente información, transmitirla y obtener rápida respuesta de los departamentos de producción y de los proveedores? 3.2 Arquetipos de Mass Customization El concepto de MC es multidimensional y dinámico. Los productos pueden ser customizados a varios niveles y en diferentes atributos. La customización del servicio también es posible, por ejemplo: opciones de garantía, términos de pago y capacitación. Diferentes motivaciones llevan a diferentes tipos de customización: el producto y el mercado, usuarios tipo, capacidad tecnológica y la capacidad de oferta de distintas opciones al cliente. Existe una clasificación de arquetipos de customization, basado en el grado de integración del cliente (Piller et.al, 2004) que se muestra en la Tabla 1. En función de esto, se 1905

4 establecen 5 categorías donde la contribución a la generación de valor es directamente proporcional al grado de participación del cliente en la definición del producto. En la Figura 1 se muestran en qué etapa del proceso de desarrollo de productos se sitúa cada nivel de customización. 1 Diseño conceptual 2 Diseño preliminar 3 Diseño de detalle 4 Prototipado 5 Materialización 6 Fabricación 7 Ensamble 8 Distribución 9 Venta Figura 1. Proceso de desarrollo de producto Grado de Customización Sistema de integración del cliente match-to-order/locate-to-order: donde se selecciona o se busca un producto existente (estándar) de acuerdo a los requerimientos del cliente bundle-to-order: donde se reúnen productos o servicios existentes para contar con el producto específico solicitado por el cliente Assemble-to-order: donde se montan productos o servicios a partir de bloques de componentes estándar. made-to-order: donde se fabrica el producto customizado, incluyendo la manufactura de componentes. Fase del ciclo de diseño Ventas 9 Distribución 8 Ventas 9 Ensamble 7 Fabricación 6 Casos El sector automotriz en Estados Unidos Productos con sistema modular para ensamblar. Ordenadores Dell o el caso de NIKE ID. Caso de MIADIDAS (zapatillas) o la producción de coches en Europa. engineer-to-order: donde el cliente participa del diseño del producto o servicio seguido por un made-toorder Diseño de detalle 3 Sovital (Alemania) ofreciendo personalizar la composición de medicamentos Tabla 1. Niveles de customización y su intervención en el desarrollo del producto 4. Fabricación rápida 4.1 Definición RM se refiere a la fabricación directa de piezas finales a través de datos electrónicos. La mayoría de los procesos de RM hacen uso de técnicas aditivas para la fabricación mediante la deposición de capas de material de grosor fino (usualmente 0,05-0,1 mm).la técnica más 1906

5 popular empleada para la fabricación directa es el Sinterizado Selectivo Láser (SLS) ya que se han comprobado sus capacidades para producir: Prototipos funcionales en plástico o metal de forma directa Utillajes metálicos directos para moldeo por inyección Moldes directos para una variedad de técnicas de moldeo ( rotacional, de arena, al vacío) La producción directa de partes finales de metal desde una pieza única hasta cientos o incluso miles, de tamaño pequeño 4.2 Principales tecnologías de RM En cuanto a técnicas de fabricación aditivas es posible mencionar cinco de las más populares ya que cuentan con mayor éxito comercial y han sido ampliamente estudiadas como procesos de fabricación alternativos. S L A S L S F D M 3 D P D M L S Nombre Estereolitografía Sinterizado Selectivo Láser Fused Deposition method 3D Printing Direct metal laser sintering Descripción Basada en la acción de un láser UV proyectado sobre un baño de resina fotosensible líquida para polimerizarla. El láser recorre la geometría del producto capa por capa polimerizando la resina hasta completar la figura final. Usado para Modelos de micro fusión y master en moldes de silicona Se deposita una capa de polvo, de unas décimas de mm., en una cuba que se ha calentado a una temperatura ligeramente inferior al punto de fusión del polvo. Seguidamente un láser CO2 sinteriza el polvo en los puntos seleccionados. Usado para prototipos funcionales, preseries o series pequeñas de fabricación Una boquilla que se mueve en el plano XY horizontal deposita un hilo de material a 1ºC por debajo de su punto de fusión. Este hilo solidifica inmediatamente sobre la capa precedente. Usado para prototipos funcionales o series pequeñas de piezas finales Fabrica prototipos en base a polvo o resina mediante un cabezal móvil que deposita gotas de aglutinante siguiendo el perfil capa a capa. Permite la obtención de distintos colores según el aglutinante utilizado. En el caso de la resina, esta se irá deponiendo en forma líquida gota a gota usando soportes de otro material y polimerizándose por acción luminosa posteriormente. Usado como patrón de utillaje o para generar utillajes de corta vida. Se basa en el principio de sinterizado láser de los equipos EOS para fabricar piezas en base a polvo metálico. Con el se obtienen insertos para moldes en acero, y aleaciones o piezas metálicas definitivas en baja serie Tabla 2. Algunos procesos aditivos de fabricación por RM Tipo de tecnología Directa / Indirecta Directa Directa Directa Directa/ Indirecta 1907

6 4.3 Clasificación de utillajes rápidos Por su parte los utillajes rápido o Rapid Tooling consiste en una serie de técnicas tendientes a generar utillajes de la forma más rápida posible, haciendo uso de tecnologías para diferentes propósitos: por ejemplo piezas master hechas por SLA para generar moldes de silicona, master en cera para generar árboles para micro fusión, entre otros. Se observan dos tipos principales de fabricación rápida de utillajes dependiendo del uso que hacen de las técnicas de prototipado rápido: directa e indirecta. Utillajes directos (Direct tooling) - A partir del diseño en CAD se obtiene la geometría del molde, o negativo del objeto para generarla directamente a través de alguna técnica de RP. Este conjunto de técnicas aun no alcanza una precisión dimensional aceptable o los materiales definitivos para moldes de alta duración sin embargo se consideran el futuro más promisorio de las técnicas rápidas de fabricación. Se encuentran en esta categoría, los insertos para moldes obtenidos por Sinterizado Láser Metálico (DMLS) y otros procesos como SLM (Selective Láser Meeting) o EBM ( Electrobeam meeting). Utillajes Indirectos (Indirect Tooling).- Se refiere al uso de un modelo obtenido por alguna técnica de RP y utilizado como master para generar moldes de diferentes características. A diferencia de los utillajes directos, en estos se incluye un paso intermedio y necesario en la fabricación de moldes. El caso típico de moldes indirectos son los moldes de silicona para vaciado de poliuretano, sin embargo dada la variedad de resinas epoxy y materiales compuestos es posible lograr diferentes durezas de molde y por lo tanto niveles de fabricación. Según su durabilidad y capacidad (Capuz, 2002), ambos tipos de utillajes se clasifican en: Moldes blandos (Soft Tooling). Se refiere a la generación de moldes de materiales de corta duración y flexibles que tienen la capacidad de producir piezas únicas o series cortas de productos, no necesariamente prototipos pero que no responden al proceso final que se seguirá para la producción. Algunas técnicas incluyen los moldes de silicona (RTV), colado bajo vacío, moldeo por transferencia de resina (RTM), etc., que son suficientes para colar por gravedad hasta una veintena de partes por cada molde. Moldes piloto (Bridge Tooling). Son técnicas para la producción de moldes más durables que los anteriores y que pueden generar piezas de material final (entre 50 y 250 piezas). Usualmente utilizados en sectores de gran producción como prototipo: electrónica, automoción, etc. Algunas formulaciones de moldes como los R.I.M (Reaction Injection Moulding) pueden incluso alcanzar un rendimiento entre 500 a 4000 partes, según la calidad y acabados requeridos. Moldes de producción (Hard Tooling). Son técnicas orientadas a la obtención de moldes definitivos para soportar altos volúmenes de producción en material final, cuyo volumen dependerá de la industria a la que se apliquen. En cualquier caso la intención es fabricar moldes y útiles de ala durabilidad a partir de los principios del prototipado rápido. 5. Rapid Manufacturing y Mass customization Recientemente, la coincidencia de ambos desarrollos tecnológicos ha abierto el camino para una nueva forma radical de interacción entre cliente y empresa lo que le permite al productor responder a las necesidades cada cliente con un producto individualizado (Franke, y Piller, 2003). Además de herramientas de comunicación, como Internet que ha permitido manejar las necesidades particulares de cada cliente de manera rápida y efectiva en cuanto a costo, están los métodos de producción flexible y modularización que han ayudado a reducir los costes de fabricación individual acercándolos a los de producción en masa (Pine, 1993; Tseng et.al, 1997). Sin embargo se reconoce la carencia de métodos de producción 1908

7 flexibles que permitan obtener altos niveles de flexibilidad de producto, manteniendo los volúmenes actuales de producción y sin incidir en un aumento de costes que haga inviable la customización. Es en este contexto donde RM interviene como una herramienta auxiliar para lograr una eficaz implementación de MC (Tabla 3). Mass customization Rapid manufacturing Requiere procesos flexibles para responder a las necesidades individuales de los clientes. Tiende a reemplazar gradualmente a la fabricación masiva añadiendo más valor a cada producto. A mayor nivel de customización los lotes de producción se reducen. A mayor nivel de customización los medios de producción se tornan más costosos y se requiere hacer un cambio. Ofrece flexibilidad y libertad para la personalización con lotes de producción desde 1 unidad. Requiere nuevos nichos de mercado para ampliar su rango de aplicación. Se perfila como el proceso de producción por excelencia para lotes reducidos y pequeñas series. Dependiendo del proceso y su volumen es posible producir múltiples variantes de diseño con un solo proceso Tabla 3. Elementos de correspondencia entre Mass customization y Rapid Manufacturing 6. Caso de estudio Cómo integrar tecnologías de RM en la planeación por MC para impresoras de gran formato. Las impresoras de gran formato son la solución destinada para aplicaciones donde se requiere imprimir planos, posters o cualquier tipo de imágenes y texto para una variedad de sectores, desde las artes gráficas y diseño hasta la arquitectura o construcción. Aunque la tendencia en el mercado de impresoras y accesorios informáticos periféricos en general no es la total customización de cada producto, si no la modularización del diseño para atender a diferentes demandas, la variación de piezas o componentes para la adaptación del producto a cierto nicho o agradar a un usuario en especial es una posibilidad. En este caso se plantea la estrategia de MC para una impresora para la cual se requiere definir el nivel de customización a aplicar. Figura 2. Impresora de gran formato Especificaciones: Tipo de producto: Impresoras de gran formato Modelo: HP Designjet serie Z3100 Coste: Mercado: Impresión en gran formato Segmento: Impresión a color de alta definición para el diseño gráfico y artístico Volumen unidades anuales 1909

8 Niveles de customización deseable: Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3 Nivel 4 Nivel 5 No aplica. Se requiere retroalimentación previa del usuario para traducirlo en variedad de diseños No viable. El concepto de bundle-to-order no es considerado como modelo para productos informáticos La modularización característica de este tipo de productos exigiría un cambio importante a nivel de ingeniería de planta: líneas de ensamble, células, distribución y logística Válido. Ciertos componentes sería hechos según requerimientos del usuario Dado el nivel de producción se hace inviable aplicar el principio engineer-to order Tabla 4. Implicaciones de cada nivel de customización sobre el producto Dado que se contemplan modificaciones en el producto final según los requerimientos de usuario se prevé un nivel 4 de MC. Esto incluye cambios mayoritariamente es aspectos estéticos (color, tamaño, diseño, material) y funcionales (altura, grosor, ajuste de orientación) más no operativos (motor, circuitos, interfases, cartuchos). Implicaciones en el diseño del nivel de customización deseado Cambios en el producto Modificar color de elementos externos Mecanismos de operación y componentes Tamaño y forma de piezas no críticas: botones, carátula, interfase, pedestal Lote de producción Cambios en el proceso No requiere cambios Se basa en componentes y módulos estándar Requieren cambio de molde o utillajes en general por cada diseño Dependiendo de su justificación económica requiere reemplazar el proceso Tabla 5. Cambios requeridos en el producto y probables en el proceso productivo Estrategia de integración de RM Figura 3. Panel de control de la impresora Entre varios de los componentes elegidos para incorporarse como variante de diseño según los gustos del usuario, considere el cuadro de controles de la impresora. Cada cuadro podrá modificarse según los botones, pantalla y la disposicion de los mismos.la variedad de paneles a incorporar dependerá de la estrategia elegido para la producción. Como puede observarse en la Figura 4, existen variantes de diseño que resultan prohibitivas si no se cuenta con la tecnología de fabricación que permita realizarlas de forma económicamente viable. En el caso de la carátula del cuadro de mando, al plantearse la variedad de 15 modelos distintos los costes del moldeo por inyección no justificarían el nivel 1910

9 de customización deseado, sin embargo una tecnología de RM como R.I.M (Reaction Injection Moulding) permite reconsiderar la opción. En un caso hipotético, aunque poco probable de que se proyectaran combinaciones de diseño distintas para una sola pieza, se plantea la introducción de métodos aditivos, que al no usar moldes permiten una mayor variedad de diseños sin embargo sus costes deberán ser objeto de un cuidadoso análisis económico para encontrar sus puntos de equilibrio en relación a otros procesos. En todo caso existen antecedentes que muestran la conveniencia de usar RM para unos cuantos miles de piezas antes de hacer necesaria la generación de un molde de producción. Opción viable = Moldeo de Inyección Opción viable = Rapid Manufacturing Un solo diseño Con 3 variantes de diseño 15 Variantes de diseño mediante la opción R.I.M de Rapid Tooling diseños distintos Proceso aditivo de RM (sin molde) SLS, SLA, FDM Un molde Capacidad = 1-2 millón de piezas 3 Moldes Cantidad requerida de piezas = por molde 15 Moldes Capacidad c/u = piezas Sin moldes Volumen requerido = piezas Volumen requerido = piezas Volumen total requerido = piezas Volumen total requerido = piezas Coste de molde = Coste de molde = X 3 = Coste de molde = 4000 X 15 = Figura 4. Estrategia de integración por costes del RM en la estrategia de MC 7. Conclusiones Mass Customization significa una nueva concepción del diseño, desarrollo y producción. Esto requiere una nueva forma de concebir las etapas de estos procesos. La necesidad de fabricar pequeñas series, en oposición a la fabricación masiva, puede resolverse gracias a la utilización de sistemas de Rapid Manufacturing que ofreciendo costes accesibles y tiempos aceptables para un producto individualizado mediante en cantidades incluso unitarias. Para una mejor adaptación de ambos conceptos se requerirá de trabajo futuro enfocado a valorar, técnica, económica y estratégicamente el cambio de proceso productivo en la etapa de definición de producto, que lleve a descubrir nuevas alternativas rentables. Sin embargo, aunque RM se encuentra aun en fase de desarrollo, requiere nichos de aplicación que permitan ampliar su espectro de actividad y lo fortalezcan como sistema productivo alternativo. Mass Customization emerge como un campo de aplicación por naturaleza. 8. Referencias Brabazon P.and Maccarthy B. (2003), In the business of mass customisation, IEE manufacturing engineer, august/september

10 Capuz, S. (1999). Introducción al Proyecto de Producción. Ingeniería Concurrente para el diseño de producto. Valencia, Universidad Politécnica de Valencia. Davis, S. M. (1987): Future perfect, MA, Addison-Wesley publishing company, INC Franke, N., & Piller, F. (2003). Key research issues in user interaction with user toolkits in a mass customization system. International Journal of Technology Management, 26, Gilmore J., Pine J. II, The four faces of mass customization, Harvard Business Review, January-February 1997 Pine J. II, Victor B., Boynton A.(1993), Making mass customization work, Harvard Business, Review, No , September-October 1993 Shellabear (2003) La fabricación directa a partir de datos electrónicos es ya una realidad. Revista Plásticos Universales. Tecnirama Vol.89 Octubre 2003 Tofler, A. (1980). The Third Wave. New York: Bantam Books. Tseng, M.M., Jiao, J., and Su, C.J. (1997) Virtual Prototyping for Customized Product Department of Entrepreneurship and Innovation Development, Integrated Manufacturing Systems, 8, Correspondencia Javier Munguía Departamento de Proyectos de Ingeniería Universdad Politecnica de Cataluña. Diagonal 637 Edificio ETSEIB planta 10. Barcelona, España Telefono: javier.munguia@upc.edu 1912