Las herramientas de fabricación digital aplicadas al sector del ferrocarril

Cada tren de alta velocidad regional construido por Siemens en Alemania pasa por las puertas de la planta Siemens Rail Systems en Krefeld (en el distrito de Uerdingen). Krefeld está estratégicamente situada entre las dos ciudades principales de Düsseldorf y Dortmund. Siemens ha aprovechado esta ubicación para hacer de la planta de Krefeld uno de los centros de competencia más importantes para el sector ferroviario. Cada año, se entregan más de 450 carrocerías en la planta, donde trabajan aproximadamente 2000 personas en el desarrollo y producción de material rodante, sistemas eléctricos y componentes.

En la planta de Siemens Rail Systems, los componentes de aluminios para las carrocerías se montan, se sueldan y se pintan. Las piezas individuales se unen y las carrocerías toman la forma que los pasajeros pueden ver y usar posteriormente. Sólo cuando cada asiento y puerta se han instalado correctamente es cuando el tren puede salir por la puerta, listo para el servicio.

Los trenes regionales como el Desiro y trenes de alta velocidad como el Velaro, ambos utilizados en Reino Unido, se construyen en Krefeld, y algunos de ellos se ponen a prueba en el propio centro de pruebas de la compañía. El tren de alta velocidad Velaro ya opera con éxito en España, China y Rusia. La última generación del tren también se desarrollará en su país de origen-Alemania.

Desafíos del negocio

• Entregar los trenes a tiempo y cumpliendo los requisitos de calidad establecidos
• Planificar el proceso de producción de un producto de gran complejidad venciendo la presión de los tiempos de entrega
• Apoyar la producción de productos para diferentes clientes con altos niveles de variación
• Reducir los recortes y los problemas de baja producción en la planta

Ulrich Semsek, quien gestiona la planta de Krefeld, describe los retos de negocio de la organización. “Nos enfrentamos a una enorme presión por entregar los trenes, debido a que nuestra cartera de pedidos es cada vez mayor. La tendencia comercial actual acorta los tiempos entre el pedido y la entrega y aumenta la complejidad de los proyectos. Un tren típico es un producto muy complejo e incluye 400.000 piezas. El nivel de coincidencia entre trenes fabricados para diferentes países es, a veces, inferior al 10%- por lo que son muy diferentes entre sí. La conclusión es que es necesaria una herramienta para poder gestionar esa complejidad. Por eso consideramos el despliegue del proyecto de fabricación digital —el cual utiliza la solución Manufacturing Process Planner (Planificador de Procesos de Fabricación) en el portfolio Teamcenter como su base tecnológica— lo cual resulta un elemento clave en nuestra habilidad para ofrecer a nuestros clientes los trenes a tiempo y cumpliendo con los requisitos de calidad”.

Claves para el éxito

• Eliminar las barreras entre los grupos de Product Design y de Manufacturing a través de la Manufacturing Process Planner
• Definir la M-Bom fuera de la E-Bom
• Planear el proceso de producción incluyendo la secuencia de operaciones, las herramientas requeridas y las piezas a utilizar
• Integrar el Manufacturing Process Planner con los sistemas IT de ingeniería existentes

“Uno de los grandes beneficios del Manufacturing Process Planner es que ayuda a eliminar barreras típicas existentes entre diseñadores de producto e ingenieros de fabricación”, dice Semsek. “Los ingenieros de fabricación tienen visibilidad sobre los datos de producto durante el desarrollo del producto, y pueden empezar inmediatamente a planear las necesidades del proceso de producción. Esto acorta, claramente, el tiempo de desarrollo del producto. “La capacidad de fabricación digital de Siemens Rail Systems incluye una interfaz sólida y bidireccional entre su sistema de planificación de recursos empresariales (ERP), el software SAP y su columna vertebral de ingeniería de fabricación, el software Teamcenter. E-BOM (the engineering bill of materials) se importa de SAP a Teamcenter, e incluye la estructura (información jerárquica), atributos relevantes (tales como materiales), matrices de transformación y los datos geométricos asociados (formato de datos JT, que también se utiliza en el entorno de ERP). La integración sin fisuras de Teamcenter y SAP permite actualizar una BOM existente con una nueva versión.

El proceso funciona de la siguiente manera. Los ingenieros de fabricación definen M-BOM (manufacturing bill of materials) fuera de la E-BOM. La funcionalidad dedicada permite a los ingenieros cambiar fácilmente la jerarquía, al estar la M-BOM estructurada en el modo en que se fabricó el producto, de forma opuesta a la E-BOM, que está estructurado de acuerdo a las consideraciones de diseño del producto. Además, los ingenieros de fabricación añaden varias características de fabricación a la M-BOM, como lubricantes, que no son parte de la E-BOM. Teamcenter también se utiliza para obtener otra información de SAP, incluidos los datos de herramientas diseñados con el software Pro/Engineer y gestionados utilizando el entorno de software Windchill PDMLink.

En el momento apropiado, la M-BOM se exporta de nuevo a SAP para alimentar los sistemas de planta. Martin Olbrich, responsable de la ingeniería de fabricación y ensamblaje en la planta de Krefeld, señala: “Estamos impresionados con la transparencia de la solución de ingeniería de fabricación de Siemens PLM Software. Nos permitió crear una integración sin fisuras entre el planificador de procesos de producción y otros sistemas comerciales y sistemas heredados que tenemos en nuestro entorno de ingeniería IT (tecnología de la información).

La red de transporte en la ciudad de Sochi, en Rusia, y sus alrededores, cerca del Mar Negro, experimentará una mejora sustancial. Para darle apoyo, Siemens ha recibido un encargo de Ferrocarriles de Rusia (RZD) para suministrar un total de 54 trenes regionales. Los primeros 38 trenes, de forma similares al Desiro, se fabricarán íntegramente en la planta de Rail Systems de Siemens en Krefeld. Estos trenes son capaces de alcanzar una velocidad máxima de hasta 160 kilómetros por hora y se espera que entren en servicio en el otoño de 2013.

El proyecto de Sochi demostró al equipo de Krefeld las tremendas ventajas de usar el Manufacturing Process Planner. En este proyecto, los ingenieros de fabricación definieron tanto el montaje como el proceso de soldado usando el Manufacturing Process Planner mediante la preparación de las operaciones de fabricación, vinculando las partes del tren a las operaciones y definiendo las herramientas requeridas para cada operación de planta. La duración de cada operación de fabricación fue calculada con precisión mediante una interfaz entre el planificador de procesos de fabricación y un sistema de análisis de tiempo dedicado, usado por Manufacturing Engineering. El flujo de trabajo se basa en un alto nivel de automatización que ahorra un tiempo notable a los ingenieros de fabricación, así como amplios controles de coherencia que aseguran que ni una sola de sus partes se deja sin tratar.

Eventualmente, los paquetes de trabajo completos se exportan a SAP y consecuentemente otros sistemas también se actualizan. Olbrich señala que “uno de los beneficios más claros que hemos obtenido gracias a la implantación de este proyecto de trenes es la facilidad y la rapidez con la que se puede manejar cada cambio. Un tren es un producto complejo, con un alto nivel de personalización por cliente. Nuestro grupo, Ingeniería de Fabricación, se encuentra por lo general con una enorme cantidad de cambios sobre el producto a lo largo de un proyecto. Con el Manufacturing Process Planner tenemos una metodología clara que identifica rápidamente los cambios, analiza su impacto y los lleva a cabo en el plan de trabajo”.

“No calculamos los beneficios del proyecto de fabricación digital en base al ahorro de mano de obra, ya que nosotros contemplamos este proyecto como una iniciativa mucho más estratégica”, dice Semsek. “En Siemens Rail Systems, nuestra cultura pasa por invertir en soluciones innovadoras e impulsar valores reales”. Semsek indica que esto implica asumir algunos riesgos, impulsando beneficios prácticos y, en muchos casos, excediendo las expectativas. Explica que “ahora vemos más y más valor en el proyecto de fabricación digital – metodologías más estructuradas y procedimientos de trabajo desde la ingeniería el planta superior hasta la producción en planta. Lo que resulta interesante es que ahora estamos experimentando algunos beneficios que no contemplamos en primer lugar: por ejemplo, en la planta de Krefeld, el ajuste perfecto que se ha logrado entre las herramientas de fabricación digital con nuestra iniciativa de ensamblaje limpio”.

Bernd Niesel, que gestiona el proceso de soldadura en el entorno de ingeniería de fabricación en la planta de Krefeld, describe otro de los beneficios de haber implementado el Manufacturing Process Planner: “Cuando empezamos con el despliegue, planeamos utilizar el software principalmente en el área de ensamblaje, pero en la medida que los beneficios resultaban más evidentes, vimos claro que podríamos desplegar las herramientas también en el área de soldadura. En el chasis hay entre 1.500 a 2.000 piezas y la mayoría de operaciones de soldadura se realizan de forma manual. Por lo tanto, utilizando Manufacturing Process Planner, experimentamos un gran beneficio analizando y definiendo la correcta secuencia de soldadura inicial, teniendo en cuenta las limitaciones físicas de los materiales; por ejemplo, la soldadura por un lado y luego el balance con la soldadura por el otro lado”.

Las instrucciones de trabajo muy visuales son un recurso clave para evitar errores de montaje, los cuales suelen dar lugar a repeticiones costosas y desechos. El departamento de ingeniería de fabricación de la planta de Krefeld ha experimentado una serie de problemas en el área de producción relacionado con las instrucciones de trabajo. En concreto, las instrucciones de trabajo a menudo eran difíciles de entender y poco visuales. Además, no siempre quedaba claro que estas instrucciones estuviesen actualizadas. Finalmente, la utilización de las instrucciones por parte de los trabajadores del área de producción eran inconsistentes y para nada óptimas.

Para hacer frente a los problemas relacionados con las instrucciones de trabajo, Siemens Rail Sistemas Krefeld utilizó las instrucciones de trabajo 3D en formato PDF (portable data format) del Manufacturing Process Planner. Olbrich explica, "Mientras buscábamos una solución que nos ayudara a reducir los deshechos en el área de fabricación, nos entusiasmó la habilidad de crear instrucciones de trabajo muy visuales para nuestro personal de planta. Así que creamos una plantilla PDF y lo usamos para generar instrucciones de trabajo en un formato que pudiera ser cargado fácilmente en cualquier estación de trabajo en toda la planta. Cada instrucción de trabajo, en formato PDF, incluye una lista de pasos de fabricación o montaje, las herramientas necesarias para guiar cada paso, los valores específicos de producción (por ejemplo, la fijación del par de torsión), las advertencias de seguridad pertinentes, así como los equipos de protección necesarios e información general como los requisitos necesarios de cualificación de los trabajadores e imágenes asociadas. Teniendo disponible un contenido tan claro para las instrucciones de trabajo, sobre todo gracias a los procesos visualizados, nos hemos decidido a mejorar la comunicación mediante la compra de monitores de 23 pulgadas y colocarlos en toda la planta.

“Otra gran ventaja de utilizar el Manufacturing Process Planner es la capacidad de actualizar fácilmente documentos. Por ejemplo, si hay un cambio de ingeniería en una de las partes, el uso de Teamcenter facilita la realización del cambio y se refleja automáticamente en cualquier imagen de las instrucciones de trabajo. Como parte de nuestro proceso anterior, nos esforzamos mucho en generar esquemas de montaje en 2D para el personal de planta. Ahora esto ya no es necesario gracias a nuestras nuevas instrucciones de trabajo, altamente eficaces”.

Resultados

• El tiempo de entrega de los proyectos se reduce
• Ingeniería de fabricación gestiona sistemáticamente los cambios en el producto a través de un proceso de cambio controlado
• Instrucciones visuales y auto explicativas sobre la planta de trabajo
• Simulaciones dinámicas en 3D de escenarios complejos de ensamblaje

Ejemplo de un documento pdf con las instrucciones en 3D del montaje de la caja de amortiguación.

Siemens Rail Systems utiliza la solución Process Simulate de la suite Tecnomatix para analizar cualquier operación de montaje planificada que requiera de una validación virtual. Este análisis se lleva a cabo en un entorno 3D. Process Simulate se integra con el ‘Manufacturing Process Planner’. Las simulaciones suelen incluir el producto que está siendo montado y las herramientas que se utilizan para el montaje, así como los accesorios y las plantillas de logística.

Olbrich explica, “al poner todos estos datos en el contexto de un ensamblaje podemos validar por adelantado si un proceso planificado es factible para su ejecución en la planta. Por ejemplo, el montaje de los módulos de acoplamiento y la caja de choque en el front-end de un tren”. Este es un escenario de montaje complejo, ya que lo primero que se monte complicará el proceso de montaje de la segunda parte. En el pasado, la secuencia de montaje para algunos módulos era determinado por lo propios diseñadores del producto. Ahora, los ingenieros de fabricación utilizan el Process Simulate para analizar la secuencia de montaje óptima de los diferentes módulos del tren. “Utilizando el Process Simulate podemos combinar los datos de los productos con las herramientas y los accesorios. Gracias a esto, descubrimos que el acoplamiento tenía que ser montado después de la caja de choque para evitar etapas de montaje adicionales y complicaciones innecesarias en la planta”.

Y añade: “Otro aspecto importante de la utilización del Process Simulate es que el Manufacturing Engineering cuenta ahora con una herramienta para llevar a cabo el análisis de los ensamblajes, mientras que con nuestro enfoque anterior, esta tarea tenía que ser realizada por el departamento de Diseño de Producto. A medida que tenemos que hacer frente a un proceso de montaje complejo, la simulación (incluyendo animaciones e imágenes adquiridas en este análisis) representa un recurso valioso en la formación de nuestro personal de planta”.

De izq. a dcha.: Análisis de la simulación del 1) Acomplamiento tras la caja amortiguadora; 2) Conjunto de acoplamiento; y 3) Conjunto de la caja amortiguadora, con las herramientas necesarias.

Siemens Rail Systems ha obtenido importantes beneficios gracias a la utilización de herramientas de fabricación digital de Siemens PLM Software. Ahora, la organización está evaluando aplicaciones de fabricación digital adicionales adecuadas para ofrecer ventajas significativas en los procesos, incluyendo Plant Simulation del portfolio de Tecnomatix. “Ya hicimos una evaluación de la herramienta Plant Simulation”, dice Olbrich. “Construimos un modelo de simulación de eventos discreto para una de las líneas de pre montaje con el fin de apoyar la planificación de la capacidad de recursos. El proceso de fabricación y los recursos se definen usando Teamcenter y cuenta con Plant Simulation. Esto es un gran beneficio. La programación prevista (o el calendario) se importa desde el Excel. El resultado inicial muestra que realmente pueden conseguirse muchas ventajas en la producción, por lo que la implementación de Plant Simulation parece inminente”.

Otra área prometedora es la del análisis de la ingeniería de desmontaje, necesaria para las tareas de mantenimiento y servicio. “El mantenimiento y el servicio son parte de la solución global que ofrecemos a nuestros clientes”, dice Olbrich. “Está claro que con la herramienta Process Simulate, la cual está integrada en el entorno de Teamcenter, podemos simular las actividades de desmontaje con el fin de definir la mejor y más eficaz metodología de desmontaje y formar al personal de mantenimiento”.

Semsek concluye, “Nuestro negocio de fabricación de trenes está funcionando realmente bien. Recientemente hemos recibido un pedido de Deutsche Bahn (ferrocarriles alemanes) para el tren ICx, el mayor pedido en la historia de nuestra empresa. Para apoyar este crecimiento debemos ser líderes en tecnología y un claro ejemplo de nuestro liderazgo es el despliegue de fabricación digital avanzada. Las plantas adicionales de nuestra división están aprendiendo de nosotros y quieren adoptar las herramientas de fabricación digital y metodología que hemos desarrollado utilizando las herramientas de Siemens PLM Software. Por suerte para nuestras otras plantas, éstas recibirán el sistema de producción listo para dar apoyo a sus necesidades”.

Ulrich Semsek, director de planta de Siemens Rail Systems en Krefeld: “Ahora estamos obteniendo algunos beneficios que no estaban previstos en el planteamiento inicial; por ejemplo, en la planta de Krefeld, el óptimo ajuste que han tenido las herramientas de fabricación digital con nuestra iniciativa de montaje”