Proces tłoczenia elementów obudowy dużego AGD ze stali inox charakteryzował się bardzo wysokim poziomem odpadu. Podjęto wiele działań optymalizacyjnych, jednak średni poziom braków utrzymywał się na poziomie ok. 20%, a zmienność pomiędzy kolejnymi zmianami produkcyjnymi była bardzo duża. Obserwowano zarówno zmiany, podczas których produkcja przebiegała niemal bezbłędnie, jak i takie, gdzie udział wadliwych sztuk sięgał nawet trzydziestu kilku procent.

Powodowało to ciągłe próby odpowiedzi na pytanie, dlaczego dana zmiana produkcyjna była tak dobra albo tak zła. W konsekwencji wprowadzano różnorodne działania, które nie tylko nie poprawiały wyniku, ale wręcz zwiększały obserwowaną zmienność. Wyniki procentowe braków dla 50 kolejnych zmian produkcyjnych przedstawia Karta ImR pokazana poniżej.

Wykres 1

Karta mR wskazuje, że kolejne zmiany produkcyjne różnią się od siebie średnio o 8,19%, a różnice rzędu 26,77% nie powinny nas zaskakiwać. Każda różnica pomiędzy dwiema kolejnymi zmianami, która nie przekracza tej wartości, nie powinna być interpretowana jako polepszenie lub pogorszenie procesu. Oznacza to, że nie odpowiada za nią pojedyncza, możliwa do wyeliminowania przyczyna, lecz system – czyli aktualne ustawienie procesu.

Karta I pokazuje natomiast, że średnio generujemy 19,85% odpadu, nie powinny nas jednak dziwić wyniki od idealnych 0% do ekstremalnych 41,64% – choć ich prawdopodobieństwo jest niewielkie. To naturalna zmienność procesu i nie powinna być interpretowana jako sygnał poprawy lub pogorszenia. Prawie 70% przyszłych wyników należy się spodziewać w przedziale 12,59–27,11% odpadu, a 95% wyników zawrze się w przedziale 5,33–34,47% wadliwych detali.

Mamy zatem stabilny i przewidywalny proces, ale z nieakceptowalną średnią oraz bardzo dużą zmiennością

Proces tłoczenia – krótki opis

Proces rozpoczyna się od nałożenia folii ochronnej na stal, aby zabezpieczyć jej powierzchnię w kolejnych etapach. Stal dostarczana jest w kręgach, podobnie jak folia, która ma tę samą szerokość co wstęga stali.

Po nałożeniu folii stal jest cięta poprzecznie na formatki i składowana na paletach, które stanowią materiał wejściowy do właściwej operacji tłoczenia. Schemat pokazano na Rys. 1.

Rys. 1

Rys. 2 pokazuje dalsze kroki tego procesu:

Rys. 2

  1. Robot pobiera formatkę z palety i umieszcza ją na stanowisku, gdzie nanoszony jest olej.
  2. Następuje aplikacja oleju, którego rolą jest obniżenie tarcia, zmniejszenie oporów płynięcia materiału oraz stabilizacja deformacji plastycznej.
  3. Po przejściu dwóch stanowisk transportowych formatka trafia na formę, gdzie nadawany jest jej kształt. Najpierw przyrząd się zamyka, a formatka jest przytrzymywana w obszarze tzw. progów ciągowych (widocznych na rzucie z góry jako żółte linie). Następnie odbywa się właściwa operacja tłoczenia – odkształcanie z zadaną siłą i prędkością.
  4. Kolejne operacje obejmują wykrawanie otworów funkcjonalnych lub montażowych.
  5. Na ostatnim wykrojniku odcinana jest zbędna część formatki, potrzebna wcześniej do jej przytrzymania.
  6. Taśma transportowa dostarcza gotowe detale do operatora, który usuwa folię ochronną, dokonuje wizualnej oceny każdej sztuki i decyduje, czy trafia ona dalej do produkcji, czy na złom.

Cel projektu: redukcja aktualnego odpadu o minimum 50%

Pierwszym krokiem było ustalenie, z jakiego powodu sztuki są odrzucane po procesie tłoczenia. Operator prowadził kontrolę 100% pod kątem:

  • wgniotów od folii – powstających podczas operacji 6 (Rys. 2). W obszarze progów ciągowych folia często się zrywała. Jej niewielkie fragmenty, jeśli dostały się pomiędzy formatkę a narzędzie, powodowały powstanie wgniotu.
  • wgniotów od opiłków – analogiczny mechanizm, lecz powodowany przez skrawki stali powstające podczas wykrawania. Rozwiązanie jest znane: wzrost ilości opiłków oznacza konieczność naostrzenia narzędzi.
  • wad materiałowych – związanych z jakością stali.
  • przetarć i rys – najczęściej wynikających z nieprawidłowego nałożenia folii ochronnej.

Dodatkowo raz na godzinę operator sprawdzał trzy części pod kątem mikropęknięć.

W 96% przypadków w skład odpadu wchodziły wgnioty od folii, dlatego to na nich należało się skupić.

Jakie czynniki wpływają powstawanie i ilość wgniotów od folii?

Jak to zwykle bywa teorii było wiele. Oto kilka z nich:

  1. W zależności od dostawcy stali wyniki jakościowe się różnią. Było dwóch dostawców. Operatorzy twierdzili, że proces przebiega lepiej lub gorzej w zależności od tego, od którego dostawcy pochodzi stal. Problem polegał na tym, że preferencje operatorów co do dostawcy były sprzeczne.
  2. Należy używać grubszej folii ochronnej z mocniejszym klejem. Grubsza folia i silniejszy klej zmniejszyłyby częstotliwość odrywania się drobnych fragmentów folii powodujących wgnioty. Problem polegał jednak na tym, że grubość folii i siłę kleju już wcześniej zwiększano. Zdaniem niektórych przyniosło to poprawę, jednak operatorzy zgłaszali, że muszą używać bardzo dużej siły do usunięcia folii po procesie i nie wyobrażają sobie dalszego zwiększania tych parametrów.
  3. Siła i prędkość tłoczenia powinny być mniejsze. Im bardziej „delikatnie” potraktujemy formatkę, tym mniejsze prawdopodobieństwo oderwania fragmentu folii.
  4. Najwięcej odrywających się fragmentów folii występuje w obszarze progów ciągowych. Tego obszaru nie trzeba chronić folią, ponieważ i tak jest odcinany po wykrawaniu. Może być porysowany lub mieć zatarcia. Należy zastosować węższą folię, aby ograniczyć liczbę fragmentów mogących powodować wgnioty (Rys. 3).

Rys. 3

5. Największym problemem jest to, że z powodu jednego skrawka folii może powstać seria braków. Należy zwiększyć częstotliwość prewencyjnego czyszczenia narzędzia tłoczącego. Rozwiązanie to wdrożono natychmiast po jego zaproponowaniu. Nie zmieniło ono jednak ogólnej sytuacji, a jedynie obniżyło zdolność produkcyjną. Mimo to, ze względu na wielu zwolenników, stało się elementem codziennej rutyny.

6. Zwiększenie lepkości oleju powinno spowodować pozostawanie fragmentu folii na formatce (Rys. 4), a nie na narzędziu tłoczącym (Rys. 5). Fragment, który dostanie się pomiędzy formatkę a narzędzie, może spowodować jedną wadliwą sztukę, ale jeżeli przyklei się do narzędzia, może doprowadzić nawet do 13 wadliwych sztuk, zanim operator zatrzyma linię i oczyści narzędzie. Oczywiście możliwe są także sytuacje pośrednie.

Rys. 4

Rys. 5

Mimo dużej wiedzy inżynierskiej problemu nie rozwiązano. Stało się jasne, że przyczyny mogą wynikać nie tylko z pojedynczych czynników, lecz także z ich interakcji. W takiej sytuacji właściwym podejściem jest zaplanowanie eksperymentu DoE

Zaplanowaliśmy DoE

Celem DoE było zrozumienie, w jaki sposób opisane wcześniej czynniki wpływają na liczbę wgniotów od folii. Chcieliśmy w ramach jednego eksperymentu wykreować przebiegi, w których wgniotów będzie bardzo dużo, jak również takie, w których nie będzie ich wcale.

Czynniki i poziomy testowania przedstawia Tabela Przewidywań poniżej. 

Wybór planu eksperymentu. Do przetestowania 6 czynników na dwóch poziomach każdy, mamy do wyboru cztery scenariusze:

  1. Eksperyment pełno-czynnikowy 26=64
  2. Eksperyment ułamkowy 26-1VI=32
  3. Eksperyment ułamkowy 26-2IV=16
  4. Eksperyment ułamkowy 26-3III=8

Scenariusze 1 i 2 wymagały zbyt dużej liczby przebiegów. Scenariusz 4 odrzucono ze względu na rezolucję III, która charakteryzuje się bardzo wysokim poziomem uwikłań. Pozostał scenariusz 3 – 16 przebiegów o strukturze uwikłań zgodnej z rezolucją IV.

Rezolucja IV oznacza, że efekty główne są uwikłane z interakcjami trzeciego rzędu, natomiast interakcje drugiego rzędu są uwikłane między sobą. Wnioskowanie dotyczące efektów głównych nie powinno sprawić trudności, natomiast należało wcześniej zastanowić się, jakie interakcje drugiego rzędu są możliwe. Te przewidywania były istotne przy późniejszej analizie DoE.

Dla przypomnienia: o interakcji drugiego rzędu mówimy wtedy, gdy wpływ jednego czynnika na Y zależy od ustawienia drugiego czynnika.

Przewidywane interakcje drugiego rzędu to:

  • AF, lepkość oleju * częstotliwość smarowania
  • BC, prędkość tłoczenia * siła tłoczenia
  • BD i CD, dostawca stali * parametry tłoczenia (siła i prędkość)
  • DE, dostawca stali * szerokość folii

Struktura Uwikłań dla eksperymentu 26-2IV=64 zamieszczono poniżej:

A + BCE + DEF + ABCDF
B + ACE + CDF + ABDEF
C + ABE + BDF + ACDEF
D + AEF + BCF + ABCDE
E + ABC + ADF + BCDEF
F + ADE + BCD + ABCEF
AB + CE + ACDF + BDEF
AC + BE + ABDF + CDEF
AD + EF + ABCF + BCDE
AE + BC + DF + ABCDEF
AF + DE + ABCD + BCEF
BD + CF + ABEF + ACDE
BF + CD + ABDE + ACEF
ABD + ACF + BEF + CDE
ABF + ACD + BDE + CEF

Co będziemy mierzyć? W procesie takim jak tłoczenie trudno ocenić wpływ zmiany parametrów na kilku sztukach. W związku z ograniczonym oknem czasowym przyjęto, że w każdym przebiegu zostanie wyprodukowanych minimum 50 sztuk. Jeżeli liczba wgniotów będzie duża – przebieg kończymy. Jeżeli produkcja przebiega poprawnie – produkujemy do 200 sztuk.

Każda sztuka była oceniana na bieżąco i kwalifikowana jako złom lub produkt do dalszej produkcji.

Ykami z tego DoE będą:

  • Y1: % braków (wszystkie typy wad łącznie)
  • Y2: % wgniotów od folii
  • Y3: średnio, ile wgniotów w danym przebiegu powstaje z powodu jednego skrawka folii (patrz Rys. 4 i Rys. 5)

Ograniczenia wnioskowania przedstawia Diagram Zależności Czynników przedstawiony poniżej. Dla przypomnienia – wskazują one warunki, w jakich wnioski z eksperymentu sprawdzą się w praktyce.

Eksperyment przeprowadziliśmy na jednej linii tłoczącej/maszynie. Użyliśmy folii ochronnej od jednego dostawcy – zgodnie z aktualną sytuacją w procesie. Pozostałe parametry nietestowane w DoE zostały utrzymane na poziomach zgodnych z obowiązującą technologią. Wszystkie detale oceniał jeden operator, który pomyślnie przeszedł badanie systemu pomiarowego oceny wizualnej detali po tłoczeniu. Ze względu na konieczność czyszczenia instalacji przy zmianie lepkości oleju czynnik ten zmieniliśmy tylko raz. Z tych samych względów użyliśmy po jednej beczce każdego rodzaju oleju.

Do eksperymentu wykorzystaliśmy stal i folię z różnych dostaw, co odzwierciedlało naturalną zmienność materiału wejściowego występującą w procesie.

Przeprowadziliśmy DoE

Po wykreowaniu matrycy eksperymentu zgodnego projektem 26-2IV=16, przeszliśmy do jego przeprowadzenia. Istniał gotowy plan eksperymentu – należało jedynie przeprowadzić przebiegi zgodnie z założeniami i zebrać zaplanowane dane. Istotne było przeprowadzanie przebiegów w kolejności losowej oraz rejestrowanie rzeczywistej kolejności ich wykonania.

Ze względu na ograniczenia technologiczne najpierw wykonaliśmy wszystkie przebiegi dla niskiej lepkości oleju (8 losowych przebiegów dla tego poziomu czynnika A). Następnie instalację oczyszczono i przeprowadziliśmy kolejne 8 przebiegów (również losowo) dla oleju o wyższej lepkości.

Matrycę DoE wraz z wynikami dla poszczególnych zmiennych Y przedstawia tabela poniżej.

Praktyczna analiza DoE

Czy wykreowaliśmy zmienność Y1(odpad całkowity) i Y2 (odpad, wgnioty od folii)?

Wykres 2

Wykres 2 pokazuje Y1: całkowity odpad [%] i Y2: wgnioty od foli[%] dla każdego przebiegu od wartości minimalnej do maksymalnej. W obu Ykach wykreowano zmienność znacznie przekraczającą naturalną zmienność procesu. Oznacza to, że testowane czynniki rzeczywiście wpływają zarówno na całkowity odpad, jak i na liczbę wgniotów od folii.

 

Y1 i Y2 są bardzo silnie skorelowane (patrz Wykres3), co oznacza, że testowane czynniki nie zwiększały innych typów wad. Tak jak w codziennej produkcji, wgnioty od folii były głównym i dominującym defektem. W związku z tym dalszą analizę przeprowadzono wyłącznie dla Y1.

Wykres 3

Czy wykreowaliśmy zmienność w Y3 (ile średnio złych sztuk/przebieg powstało z powodu jednego skrawka folii)?

Wykres 4

Zmienność wykreowana w tym DoE to od 1 do średnio 10 złych sztuk z powodu jednego skrawka folii (patrz Wykres 4). Jest ona bardzo duża, co oznacza, ze testowane czynniki wpływają na to, czy skrawek folii pozostanie na formatce (powstanie tylko 1 wgniot), czy wytłoczona zostanie seria wgniotów. Analiza tego DOE powie nam nie tylko jak ograniczyć ilość odpadających skrawków (analiza Y1), ale również jak wymusić pozostanie ewentualnego kawałka folii na formatce.

Analiza Y1 – które czynniki i interakcje powodują powstawanie wgniotów od folii?

Wykres 5

 Effect on total scrap rate [%]  

B: stamping power [kN]                                                       9,21  
C: stamping speed [mm/s]                                                 12,74  
E: foil width                                                                            -17,69 
B: stamping power [kN]*C: stamping speed [mm/s]    9,61  
C: stamping speed [mm/s]*D: steel supplier                  -11,11 

R-sq        R-sq(adj) 

73,83%     60,74%     

Wielkość efektu Y1 oznacza, o ile procent możemy wpłynąć na poziom odpadu. W związku z tym jako aktywne oznaczymy Efekty Główne: B, C i E oraz dwie interakcje BC i CD. Za pomocą tych 5 efektów możemy wyjaśnić prawie 74% zmienności wykreowanej w tym DOE.

Wykres 6

Efekt E: Zmiana szerokości folii ochronnej na węższą powoduje spadek średniego odpadu z 25,31% na 7,62%. Czynnik ten nie jest w żadnej aktywnej interakcji, co oznacza, że będzie przebiegał w podobny sposób bez względu na to, jak ustawione zostaną pozostałe czynniki testowane w tym DOE.

Efekt B i C są w aktywnej interakcji – dlatego ich właściwa interpretacja możliwa jest dopiero po jej przeanalizowaniu.

Wykres 7

Interakcja BC (Wykres 7): kiedy prędkość tłoczenia wynosi 30 mm/s, siła tłoczenia nie ma znaczenia, a % odpadu wynosi ok. 10%. Kiedy prędkość tłoczenia wynosi 40 mm/s, wtedy zwiększenie siły tłoczenia z 220 na 350 kN powoduje wzrost odpadu z 13,43 % na 32,35 %.

Wykres 8

Interakcja CD (Wykres 8): kiedy tłoczymy stal od dostawcy A, zmniejszając prędkość tłoczenia z 40 na 30 mm/s, zmniejszamy średni poziom braków z 29,3 % na 5,45%. W przypadku dostawcy B, tego efektu nie ma, a średni odpad pozostaje na poziomie ok 15%.

Wykres 9

Biorąc pod uwagę powyższe efekty główne i interakcje, aby zmniejszyć ilość braków do poziomu ok. 5%, należy użyć węższej folii. Brak folii w obrębie progów ciągowych znacznie zmniejsza odrywanie się skrawków, które powodują wgnioty. Dodatkowo, jeżeli zmniejszymy prędkość tłoczenia na 30 mm/s uodparniamy się na różnice między dostawcami stali, a siła tłoczenia może pozostać na dowolnym z testowanych poziomów.

Analiza Y3 – które czynniki i interakcje powodują pozostawanie skrawków foli na formatce? Jak nie produkować serii braków z powodu jednego skrawka folii?

Wykres 10

Effect on number of bad parts caused by 1 scrap of foil [piece] 

A: oil viscosity[mm2/s]       -2,463 
B: stamping power [kN]     2,613  
D: steel supplier                    2,937  

R-sq     R-sq(adj) 

75,32%     69,15%     

Jako aktywne uznajemy efekty D, B i A, które pozwalają wyjaśnić 75% zmienności wykreowanej w tym doe w Y3.

Wykres 11

Efekt A: zwiększenie lepkości oleju z 80 na 200 mm2/s powoduje spadek liczby złych sztuk z powodu jednego skrawka folii ze śr. 5,5 na śr. 3 złe sztuki.

Efekt B: zmniejszenie siły tłoczenia z 230 na 220 kN powoduje spadek liczby złych sztuk z powodu jednego skrawka folii ze śr. 5,5 na śr. 2,9 złe sztuki.

Efekt D: dostawca stali A daje średnio 2,7 złej sztuki z powodu jednego skrawka folii, a dostawca B śr, 5,7 złych sztuk.

Wykres 12

Kiedy zwiększymy lepkość oleju na 200 mm2/s, jednocześnie zmniejszając siłę tłoczenia, uodparniamy się na różnice między dostawcami stali. Liczba złych sztuk z powodu jednego skrawka foli będzie wtedy na średnim poziomie ok. 1,5 sztuki.

Podsumowanie i rekomendowane ustawienia uwzględniające wnioski z analizy Y1 i Y3:

Aby zmniejszyć częstotliwość odrywania się skrawków foli, które powodują powstawanie wgniotów, należy użyć węższej folii, tak aby nie było jej w obszarach progów ciągowych. Dodatkowo, aby uniezależnić się od różnic pomiędzy dostawcami stali, należy użyć niższej prędkości tłoczenia.

Aby zmniejszyć liczbę złych sztuk z powodu jednego oderwanego skrawka folii (aby nie pozostawał na narzędziu tłoczącym, ale wychodził razem z formatką), należy użyć oleju o większej lepkości. Dodatkowo, żeby uniezależnić się od różnic pomiędzy dostawcami stali, należy użyć mniejszej siły tłoczenia.

Rekomendowane ustawienia:

  • Olej lepkość 200 mm2/s
  • Prędkość tłoczenia 30mm/s
  • Siła tłoczenia 220 kN

Nowe ustawienia wprowadzono niezwłocznie po dokonaniu analizy DoE. Wykres 13 pokazuje porównanie wyników przed (50 zmian produkcyjnych) i po ich wprowadzeniu (kolejnych 50 zmian). Średnia ilość odpadu spadła z 19,85% na 2,63%. Zmienność zmiana do zmiany również znacząco się zmniejszyła!

Wykres 13

ARTYKUŁ W PDF

To tylko jeden z przykładów, jak wykorzystać DOE w praktyce. Jeśli chcesz nauczyć się projektować i analizować eksperymenty samodzielnie, zapraszamy na nasze szkolenia: Six Sigma Green Belt, Black Belt oraz DOE (poziom podstawowy i zaawansowany).

Masz pytania, przemyślenia, coś szczególnie cię zainteresowało? Zapraszamy do dyskusji pod postem na naszym LinkedIn.  Zaobserwuj nas. żeby być na bieżąco.

Pobierz artykuł
Przejdź do LinkedIn

Autor: Katarzyna Kornicka, OpEx Six Sigma Master Black Belt