Quanta potência de corte a laser um fabricante de metal precisa?

A fibra potência de corte a laser a corrida está de volta. Aconteceu com máquinas de CO2 nas décadas de 1990 e 2000, e está acontecendo novamente agora com lasers de fibra. Há um lugar para os sistemas de ultra-alta potência de hoje, mas potências mais baixas também têm seu lugar. Então, qual potência de laser se encaixa na sua operação?

Você pode começar mergulhando na espessura do material, grau e geometrias das peças que você corta. Mas antes de mergulhar nas ervas daninhas, afaste o zoom e olhe para o quadro geral. Considere seu negócio geral, pois ele se relaciona a quatro áreas: seus clientes, recursos, capacidades e custos operacionais. A primeira área, o mix de clientes, direciona a direção das três restantes, mas todas as quatro podem influenciar que tipo de laser de fibra atenderá melhor ao seu negócio.

Aspectos que você precisa considerar ao escolher a potência de corte a laser

Clientes

O mix de clientes de uma loja molda seu modelo de negócios, que na fabricação de metais geralmente se enquadra em uma ou alguma combinação de três áreas: fabricante de equipamento original (OEM ou fabricante de linhas de produtos), fabricação sob contrato e oficina especializada.

Os OEMs desenvolvem processos internos em torno das necessidades de seus produtos. O equipamento é personalizado e a produção é ajustada e cronometrada em torno de um ritmo que produz uma produção suave e previsível com o mínimo de desperdício possível. A demanda do produto dita o ritmo da produção.

Os fabricantes contratados vêm em um ou uma combinação de dois sabores. Um sabor descreve os fabricantes que constroem subconjuntos para uma variedade de clientes. Eles podem se especializar em certas capacidades que se concentram em faixas específicas de tipos de materiais, espessuras e precisão de processamento, mas, em última análise, atendem a um amplo espectro de mercados.

O outro tipo de fabricação contratada concentra todo o negócio em torno de um ou um punhado de mercados relacionados. Fornecedores automotivos de nível superior se enquadram nessa categoria, mas muitas outras empresas também. Um exemplo menos conhecido seriam os fabricantes contratados dedicados à indústria de máquinas caça-níqueis.

O modelo de negócio final e mais onipresente é a oficina de fabricação de metal. Eles são o canivete suíço da indústria. Suas principais preocupações são a resposta rápida e a redução do ciclo do pedido para o envio.

Medir o tempo total de fabricação, da doca de recebimento até a doca de embarque, é útil para qualquer fabricante, mas pode ser especialmente crítico para a oficina. Digamos que você prenda um pedaço de papel a uma folha de estoque bruto conforme ela entra pela porta. O papel segue essa folha conforme ela é cortada, dobrada, soldada, finalizada, embalada e enviada. Quanto menos tempo esse papel levar para passar pela oficina, mais responsivo será o negócio e mais competitiva a oficina pode ser.

Agora imagine o mesmo exercício em um OEM. O papel passa por corte, dobra e soldagem, então é enviado para um depósito de produtos acabados. Quando os clientes compram o produto, o produto acabado sai do depósito, o que completa o ciclo. Agora imagine que o OEM constrói sua capacidade de fabricação e ainda assim a demanda do cliente pelo produto não muda. O material viaja mais rápido pela planta, então fica em produtos acabados. Apesar dessa capacidade de fabricação aumentada, o ciclo geral de fabricação não mudou.

Isso não significa que os OEMs nunca precisem aumentar a capacidade de fabricação. Qualquer decisão de compra que eles tomem para uma máquina de corte a laser (ou outro equipamento), no entanto, é baseada nos produtos que eles fazem ou poderiam fazer no futuro. Em outras palavras, seus produtos geram receita, não capacidade de fabricação.

Fabricantes contratados (ou seja, fabricantes contratados) não vendem produtos, mas também não vendem capacidade de fabricação de metal puro. Eles vendem parcerias de fabricação confiáveis, e as expectativas que dão suporte a essas parcerias definem qual sabor o fabricante contratado é. Alguns fabricantes contratados podem evoluir para atender a um ou a um grupo restrito de clientes semelhantes — novamente, como aquele fabricante contratado dedicado ao negócio de máquinas caça-níqueis. Outro fabricante contratado pode atender a uma variedade de mercados. Ele terá alguns fluxos de valor dedicados aos seus maiores clientes, mas outras áreas da planta podem lidar com uma ampla variedade de pedidos repetidos com base no tipo de material, nível de qualidade ou alguma outra métrica.

Imagine medir o tempo total de fabricação em um ambiente de fabricação contratada. Você anexa um pedaço de papel ao estoque bruto, que então flui pela loja e depois é enviado ao cliente. Alternativamente, o trabalho pode ficar por um tempo no depósito de produtos acabados do fabricante, de onde os clientes retiram no estilo Kanban. Um cliente retirando estoque de produtos acabados aciona o fabricante para repor o estoque.

Agora imagine que o fabricante contratado aumenta a capacidade de fabricação. Isso encurta o tempo que o papel passa no chão de fábrica e abre a porta para os vendedores venderem as capacidades de fabricação de metal da empresa para outros clientes que (eles esperam) se tornarão futuros parceiros de fabricação. Aumentar a capacidade de fabricação para dar suporte a uma resposta rápida e confiável também pode significar que, para os clientes existentes, o fabricante contratado precisa de menos estoque de produtos acabados.

Então, para o fabricante contratado, aumentar a capacidade pode gerar receita, mas somente se essa capacidade ajudar a empresa a atender uma gama definida de clientes. Quanto melhor o ajuste de um cliente, maior a probabilidade de que ele se torne um parceiro de fabricação.

Pense nesses tipos de fabricantes — OEM, fabricante contratado e job shop — como três ingredientes que compõem a “receita” do modelo de negócios de um fabricante. Alguns fabricantes usam apenas um ingrediente; outros usam dois ou três. Isso é especialmente verdadeiro com job shops e fabricantes contratados. Afinal, uma job shop bem-sucedida geralmente cresce para se tornar um fabricante contratado, e certas áreas do negócio do fabricante contratado — um protótipo ou célula de giro rápido, por exemplo — ainda podem operar como a job shop que costumava ser.

Além disso, uma job shop pode desenvolver sua própria linha de produtos, enquanto um OEM pode vender capacidade de fabricação excedente como uma job shop. Ambas podem ser boas jogadas, desde que sejam conduzidas por uma estratégia planejada.

Por exemplo, uma oficina de trabalho pode lançar uma linha de produtos para suavizar a demanda altamente variável. Se, digamos, um ninho de corte a laser não puder ser preenchido com os trabalhos atuais, uma oficina pode usar peças de enchimento para repor o estoque de seus próprios produtos. Na verdade, à medida que as máquinas se tornam mais produtivas, esse modelo híbrido de oficina de trabalho-linha de produtos se torna ainda mais viável. Um fabricante com um laser de ultra-alta potência pode não ter que se preocupar com as áreas de oficina de trabalho e linha de produtos do negócio lutando pela capacidade de corte a laser, mesmo durante os períodos de pico.

Da mesma forma, um OEM pode lançar uma divisão de job shop para vender o excesso de capacidade de fabricação. Neste caso, no entanto, o lançamento do job shop idealmente deve ser parte da estratégia planejada de um OEM, não apenas uma reação a um investimento ruim em máquina. Comprar um laser de fibra de 15 kW pode dar a certos OEMs mais capacidade de corte a laser do que eles jamais precisarão, então eles começam a vender esse excesso de capacidade. Infelizmente, toda a planta de fabricação é projetada para produzir uma gama estreita de produtos. Adicionar trabalho de job shop altamente variável a este ambiente pode introduzir algumas ineficiências importantes.

Recursos

Um fabricante tem cinco categorias de recursos disponíveis à sua disposição. A primeira são suas instalações, que incluem o tamanho da loja, o espaço não utilizado disponível e a eficiência com que todo o espaço é usado. Observe também que um dos aspectos mais negligenciados aqui é o manuseio de materiais. O fluxo de matéria-prima e produto pode ser manuseado com o equipamento existente?

O segundo é o pessoal. Quais são seus conjuntos de habilidades? Como eles são treinados e quão bem seu conhecimento é documentado? Quem vai se aposentar em breve? Quão efetivamente a organização pode preencher vagas e contratar e desenvolver talentos? Quão experientes eles são em corte a laser versus processos relacionados, como puncionamento? Não importa o quão poderosas sejam, boas máquinas de corte a laser exigem boas pessoas para operá-las.

O terceiro recurso, intimamente relacionado ao segundo, são as horas disponíveis. Quantos turnos as pessoas trabalham e a loja pode adicionar mais turnos se necessário? Por outro lado, uma empresa que aumenta a capacidade poderia produzir o que precisa em apenas um turno e eliminar a necessidade de um segundo turno?

O quarto recurso é o equipamento, que inclui como uma empresa mede sua eficiência e custos de manutenção. O quinto envolve recursos externos. Isso inclui o relacionamento da loja com outros fabricantes que poderiam lidar com o trabalho de estouro (afetando como uma operação pode lidar com picos de demanda), bem como provedores de serviços externos, como revestidores de pó e galvanizadores. Aumentar a capacidade de corte a laser pode ser apenas tão eficaz se a maior parte do trabalho tiver que ir para provedores de serviços externos que não têm capacidade para lidar com o volume aumentado.

Pense em cada uma dessas cinco áreas de recursos como botões para “sintonizar” as demandas do mix de clientes. Uma loja sem muito espaço, mas com mão de obra disponível para desempilhamento e operações posteriores, pode investir em um punhado de lasers de ultra-alta potência para alimentar a conformação, soldagem e uma operação de montagem final que pode se expandir para vários turnos durante os períodos de pico de demanda.

Se turnos adicionais não forem uma opção, esses lasers de alta potência podem fazer sentido se a loja tiver uma dose saudável de trabalho de corte a laser "somente plano". Com investimento complementar em automação, os lasers podem funcionar sem supervisão durante o fim de semana e ter as peças enviadas aos clientes na primeira hora da manhã de segunda-feira. Por outro lado, se a demanda exigir recursos posteriores que simplesmente não estão disponíveis, simplesmente adicionar mais potência de corte a laser não seria um uso eficiente dos recursos.

Ainda assim, a definição de “uso eficiente de recursos” depende do mix de clientes e do modelo de negócios de um fabricante. Um fabricante contratado que corta principalmente material de calibre 10 e diluente pode operar um laser de fibra de 15 kW na segunda-feira de manhã e terminar uma semana inteira de trabalho até a hora do almoço. Esse não é um uso muito eficiente de recursos, pelo menos para um fabricante contratado.

Alternativamente, essa mesma situação pode abrir uma grande oportunidade para uma job shop. O sucesso de uma job shop depende mais da capacidade imediatamente disponível e menos da utilização da capacidade. Um laser de 15 kW pode não funcionar continuamente em uma job shop. Mas, enquanto a capacidade permanecer disponível — ou seja, o sistema pode entrar em ação e produzir peças em um piscar de olhos — esse laser de alta potência pode ajudar a oficina a responder rapidamente. Isso aumenta o fluxo de caixa e torna uma job shop mais competitiva ao mesmo tempo.

Capacidades

Isso inclui a cadeia de etapas de fabricação do pedido ao envio — cotação, engenharia, corte, dobra, soldagem, pintura, montagem e envio — juntamente com a natureza das peças e montagens que fluem por essas etapas. Ter uma visão holística aqui ajuda. Como os pedidos chegam? Como o sistema de planejamento de recursos empresariais (ERP) os apresenta e quais etapas ocorrem para enviar esses pedidos ao chão? A última coisa que um fabricante quer é um ponto de estrangulamento operacional no processamento e engenharia de pedidos, antes que as peças cheguem à operação de corte primária.

Os processos downstream também são importantes. Digamos que um fabricante atualize sua capacidade de corte a laser e então envie peças downstream. Tudo parece bem até que eles atinjam um processo de revestimento em pó em lote, um recurso compartilhado e um ponto de estrangulamento muito frequente. Para realmente aumentar a produtividade e aproveitar ao máximo o corte a laser e outros investimentos em equipamentos upstream, as operações precisam lidar com os gargalos downstream. No exemplo atual, uma linha contínua de revestimento em pó com pré-tratamento pode ser um bom investimento se eliminar o ponto de estrangulamento.

Mesmo assim, os pontos de estrangulamento não devem ser examinados sem considerar o quadro geral. É aqui que os roteamentos de trabalho e os diagramas de espaguete entram em jogo. Digamos que um fabricante contratado tenha uma área de produção principal com cinco lasers alimentando 20 prensas dobradeiras e 25 estações de soldagem. Isso dá aos trabalhos várias pistas para viajar em direção à linha de chegada. Em uma área separada, ele tem um fluxo de valor dedicado a um cliente que exige que os produtos sejam fabricados e manuseados de uma determinada maneira. Cada área tem necessidades distintas de corte. O fluxo de valor dedicado ao cliente opera perfeitamente bem com dois centros de corte a laser de baixa potência. A linha é equilibrada e o fabricante contratado é capaz de manter uma entrega confiável. Aumentar a potência de corte a laser seria um desperdício.

Mas e quanto à principal área de produção? Um laser de ultra-alta potência ali pode dar à operação capacidade excedente suficiente para garantir que o resto da planta nunca fique sem trabalho. Alternativamente, a operação (levando em conta os recursos de manutenção disponíveis) pode escolher reduzir o número de centros de corte a laser que possui de cinco para quatro.

Em outro cenário, investir em uma potência de laser menor pode ser mais adequado à operação, dependendo do mix de produtos, especialmente ao considerar os recursos necessários para desempilhar folhas. Na verdade, é útil pensar no corte a laser e no desempilhamento como um processo. Afinal, o corte a laser não está realmente completo até que esteja disponível e seja apresentado às operações posteriores.

Considere uma folha fina aninhada com apenas algumas peças grandes e retangulares — grandes demais para que indivíduos manuseiem confortavelmente. Nesse caso, um laser de baixa potência pode cortar rápido o suficiente para acompanhar o ritmo de um classificador de peças automatizado. Aumentar a potência do laser nesse arranjo pode não ajudar, já que a automação não conseguiria acompanhar. O mesmo seria verdade mesmo se a loja dependesse do desaninhamento manual. E sim, como parte de um sistema de fabricação flexível, essas peças poderiam ser transportadas de volta para uma torre de armazenamento, mas alguém precisaria desaninhar essas peças eventualmente.

Uma mistura diferente de peças muda a situação completamente. Considere uma operação na qual a maioria dos ninhos consiste em peças médias a pequenas. Neste caso, um laser de menor potência pode levar um tempo significativo cortando todos os perímetros dessas peças. Os denesters têm tempo mais do que suficiente para classificar as peças. Um laser de ultra-alta potência, no entanto, pode reduzir significativamente o tempo de processamento, como para aço carbono entre 0,25 e 0,5 pol. Os classificadores manuais de peças ficarão ocupados, com certeza, e a área pode exigir algumas pessoas extras, mas eles provavelmente não ficarão sobrecarregados.

Aqui, finalmente, é onde o grau e a espessura do material finalmente entram em jogo. Digamos que 80% do trabalho de uma loja envolva cortar alumínio de calibre 16. Eles descobrem que a diferença de velocidade entre um sistema de 8 kW e 15 kW é insignificante, então por que investir em um sistema de 15 kW?

Ainda assim, evite olhar para a velocidade de corte isoladamente. O gás auxiliar também importa. Considere uma operação que corta muito aço carbono de 0,5 pol. Tradicionalmente, isso teria sido cortado a laser usando oxigênio como gás auxiliar, o que significava que as peças provavelmente precisariam ser enviadas por um processo secundário para remover a camada de óxido. Hoje, no entanto, lasers de alta potência podem cortar essas peças com nitrogênio puro ou mesmo ar ultra-seco, produzindo blanks com uma borda livre de óxido. Cortar alguns centímetros a mais por minuto é bom, mas eliminar uma operação secundária inteira é ainda melhor.

Quando se trata de cortar material muito grosso, de 1 a 1,25 pol., considere o mercado para tais peças. Chapas grossas cortadas a laser podem parecer extraordinariamente legais em um salão de exposição, mas perceba que tal corte de chapa é um nicho especializado. Operações de corte a laser de chapas pesadas existem, mas elas têm sucesso ao explorar mercados que nunca consideraram o corte a laser como uma opção. Primeiro, a mesa de um laser precisa ser projetada para lidar com chapas tão pesadas. Segundo, a operação, na maior parte, estará competindo com o corte a plasma de alta definição, um processo menos caro e muitas vezes mais adequado.

Custos operacionais

Isso inclui os suspeitos de sempre, como custos de instalações, manutenção de equipamentos, custos de pessoal e o custo de serviços externos. A integração vertical faz sentido, como trazer revestimento em pó ou outros processos terceirizados anteriormente para dentro da empresa?

Suspeitos menos usuais também entram em cena aqui, incluindo o consumo de energia. Uma loja em uma área com eletricidade cara pode ter uma estratégia de investimento em equipamentos diferente, especialmente quando se trata de gás auxiliar. Em áreas de baixo custo de energia, os sistemas de geração de nitrogênio podem fazer muito sentido, mas conforme o custo por quilowatt-hora aumenta, o nitrogênio a granel começa a parecer muito mais atraente.

Considere uma loja em San Jose, Califórnia, e outra em Spokane, Washington. Em San Jose, o custo geral da instalação por metro quadrado é tão alto que a loja não adiciona equipamentos; ela substitui equipamentos. Adicionar ao prédio é muito caro. A operação precisa extrair todo o valor possível de cada metro quadrado que tem e obter mais de cada watt que a instalação consome. Enquanto isso, a loja de Spokane tem o espaço e pode se dar ao luxo de adicionar alguns lasers, o que por sua vez afetará o tipo de laser mais adequado à operação.

Um futuro flexível

Após analisar o panorama geral — seus clientes, recursos, capacidades e custos operacionais — você está pronto para descobrir qual sistema de laser se encaixa melhor na sua operação. Isso inclui não apenas o nível de potência, mas também o nível de automação.

Um desafio, porém, é que os modelos de negócios evoluem, as demandas dos clientes mudam e a tecnologia está avançando mais rápido do que nunca. O laser de fibra deu à indústria um motor enorme; agora, os avanços em drives, servomotores, cabeçotes de corte e bicos encontrarão novas maneiras de obter o máximo desse motor.

A modularidade se tornará mais importante. Os fabricantes não só poderão adicionar torres e automação aos lasers existentes, mas também poderão trocar as fontes de luz do laser e não a máquina inteira. A troca pode acontecer em um único turno, não ao longo de vários dias ou semanas.

Digamos que um fabricante precisa substituir vários lasers de CO2 antigos. Ainda é basicamente uma oficina de trabalho, então ele escolhe o laser de fibra de 10 kW, canivete suíço, que faz tudo. A operação cresce e, para atender à capacidade, ele adiciona uma torre ao laser de 10 kW. Conforme o negócio evolui, suas necessidades mudam. A oficina descobre que está se concentrando cada vez mais em materiais de calibre 10 e mais finos. Na verdade, ele realmente precisa separar esse trabalho de calibre 10 do resto para atender aos requisitos de tempo de ciclo.

Então, ela investe em um laser de fibra de 5 kW, mais do que potente o suficiente para processar ninhos de peças de tamanho médio de calibre 10, a maioria sem recursos internos demorados ou contornos intrincados. O problema é que a mistura de calibre 10 e peças mais finas está pronta para automação. Enquanto isso, o laser automatizado de 10 kW, sempre o canivete suíço, tornou-se mais adequado para processar ninhos dinâmicos para a gama de trabalhos de baixo volume — a "cauda longa" do mix de produtos da loja.

Qual é a solução? É aqui que a modularidade entra em jogo. A automação é removida do laser de 10 kW e colocada no sistema de 5 kW. O sistema de 5 kW agora executa o núcleo da loja, peças repetidamente pedidas. Enquanto isso, o de 10 kW se torna a máquina de resposta rápida do fabricante, onde um pedido pode ser carregado, cortado, desaninhado e enviado em poucas horas.

Essa modularidade se tornará ainda mais crítica nos próximos anos. A tecnologia evoluirá conforme os fabricantes evoluem, conforme eles crescem de uma oficina para um fabricante contratado, conforme eles lançam linhas de produtos, conforme eles refocalizam seus negócios para aproveitar novas oportunidades. Conforme o negócio de fabricação de metais de precisão muda, o corte a laser — uma tecnologia essencial que moldou a moderna indústria de chapas metálicas de precisão — mudará com ele.

Em resumo, selecionar o direito potência de corte a laser envolve avaliar requisitos de material, metas de produção, considerações de qualidade, fatores de custo e escalabilidade futura. Ao avaliar cuidadosamente esses fatores e consultar profissionais da indústria, os fabricantes de metal podem tomar decisões informadas para garantir operações de corte a laser eficientes e eficazes.