Mais de um século após a revolução da correia transportadora, especialmente a manufatura na indústria automotiva. No entanto, muita coisa mudou desde que Henry Ford declarou famosa sobre o Modelo T de que "qualquer cliente pode ter um carro pintado qualquer cor que ele queira, desde que seja preto". Mas as montadoras de hoje estão lidando com muito mais variedade e complexidade, empurrando cintos de transportadores convencionais além de suas capacidades, o que está reduzindo a produtividade e aumentando os custos. Essa realidade está levando as montadoras a considerar a substituição de correias transportadoras fixas convencionais pela fabricação de células flexíveis-uma configuração de montagem na qual veículos guiados automatizados (AGVS) transportam corpos de carro individualmente apenas para as estações de trabalho de montagem relevantes para o modelo específico.
As Ford’s remark tacitly acknowledged, conveyor belts are best suited to producing high volumes of standardized products. But today’s carmakers are dealing with much more variety and complexity, pushing conventional conveyor belts beyond their capabilities, which is lowering productivity and increasing costs. This reality is leading automakers to consider replacing conventional fixed conveyor belts with flexible-cell manufacturing—an assembly setup in which automated guided vehicles (AGVs) transport car bodies individually only to those assembly workstations that are relevant to the specific model.
BCG e especialista em simulação Ipolog Recentemente, conduziu uma simulação de fabricação de células flexíveis, cujos resultados-descritos abaixo-são os primeiros resultados de tal simulação a serem divulgados e mostram os enormes benefícios potenciais para a indústria automobilística. Na simulação, a fabricação de células flexíveis aumentou a utilização dos trabalhadores em 12%, levando a uma queda nos custos salariais anuais da mesma magnitude. À medida que a fabricação evoluiu da produção de um pequeno número de produtos personalizados e principalmente artesanais para a produção em massa de grandes volumes de produtos padronizados, a complexidade diminuiu. E, a partir da década de 1970, outros passos na automação permitiram aos fabricantes
Complexity Is Steadily Increasing
The history of industrial production can be told in terms of alternately increasing and decreasing complexity—that is, the number of product variants and the volume per variant. As manufacturing evolved from the production of a small number of customized, mostly handmade products to the mass production of large volumes of standardized products, complexity decreased. And, beginning in the 1970s, further strides in automation allowed manufacturers to satisfazer a demanda do cliente com volumes ainda mais altos. (Veja o Anexo 1.) Isso é especialmente verdadeiro entre as montadoras. Alguns grandes fabricantes, como BMW e GM, produzem mais de 30 modelos de veículos, cada um dos quais pode ser configurado de várias maneiras diferentes. De acordo com a Audi, existem teoricamente 1,1x1038 configurações possíveis do modelo A3 sozinho. Complexidade:
But the constantly rising demand for customized products introduced more complexity to production, and today complexity continues to grow. (See Exhibit 1.) That is especially true among automakers. Some large manufacturers, such as BMW and GM, produce more than 30 vehicle models, each of which can be configured in many different ways. According to Audi, there are theoretically 1.1x1038 possible configurations of the A3 model alone.
Four global trends will continue to intensify the demand for highly customized, low-volume vehicle models, creating more and more production complexity:
- Ciclos de inovação rápida. Para acomodar essas especificações, os fabricantes precisarão produzir um número significativamente maior de variações de veículos em um ambiente mais flexível. O interior desses veículos será totalmente personalizável, permitindo diferentes configurações de assentos e sistemas de entretenimento. Como a transição para a eletromobilidade ocorrerá lentamente, os fabricantes enfrentarão a complexidade de produzir modelos com motores de combustão interna, elétricos e híbridos por muitos anos. A produção de uma unidade e o início da produção da próxima unidade, com essas produção começam a corresponder à taxa de demanda do cliente. Para que a correia transportadora se mova com eficiência, os tempos de processo por estação de trabalho devem corresponder ao tempo geral com um alto grau de precisão. Mas o aumento da complexidade dificulta o equilíbrio dos tempos de processo em todas as estações de trabalho, porque alguns trabalhadores concluem as tarefas atribuídas antes que a correia transportadora siga em frente. Esse desequilíbrio na utilização dos trabalhadores resulta em tempo improdutivo no cinto. (Consulte o Anexo 2.) The pace of innovation will accelerate over the next decade, and manufacturers will need to rapidly introduce new vehicle models into existing plants and production lines.
- Personalization. Customers will want to configure their vehicles, track production in real time, and make last-minute changes. To accommodate these specifications, manufacturers will need to produce a significantly higher number of vehicle variations in a more flexible environment.
- Automated Driving. In 2030, approximately 26% of vehicles sold in the US will be autonomous, according to BCG analysis. The interior of these vehicles will be fully customizable, allowing for different seating configurations and entertainment systems.
- Electromobility. In 2025, approximately 24% of vehicles sold will be electric or hybrid electric. Because the transition to electromobility will occur slowly, manufacturers will face the complexity of producing models with internal-combustion, electric, and hybrid engines for many years.
Complexity’s Effects on Conveyor Belt Assembly
In a traditional conveyor belt setup, a key metric is takt time. The average time between the start of production of one unit and the start of production of the next unit, with these production starts matching the rate of customer demand. In order for the conveyor belt to move efficiently, the process times per workstation should match the general takt time with a high degree of accuracy. But increasing complexity makes it difficult to balance process times across all workstations, because some workers will finish their assigned tasks before the conveyor belt moves on. This imbalance in worker utilization results in unproductive time on the belt. (See Exhibit 2.)
Complexity also means that workers must contend with constantly changing tasks while trying to maintain a high level of quality and productivity. Moreover, the interconnectedness of conveyor belts limits opportunities to adjust the production sequence in order to reduce takt time losses.
Complexity affects all areas of the automotive value chain, especially final assembly and logistics:
- Final Assembly. High levels of customization mean that every vehicle must pass through every workstation on a conveyor belt, including stations where assembly of parts not required by a particular vehicle takes place. For example, for models that come either with or without electrically adjustable car seats, the production line will have an assembly station for this optional equipment, which every vehicle must pass through.
- logística. Muitas variações do produto requerem um alto grau de coordenação com fornecedores, além de mais espaço e recursos avançados para entregar peças à linha de produção. À medida que as restrições espaciais tornam os materiais de preparação na linha mais difíceis, kitting—the process of preselecting and picking all the parts required to assemble an individual product—will become more important. Moreover, the need to stage materials ergonomically for workers can involve costly and complex logistics.
Industry 4.0 Enables Cell Manufacturing
Flexible-cell manufacturing has intrigued manufacturers for decades. Now, recent advances in Industry 4.0 digital technologies have made it possible, though some of these technologies still must be proven.
In flexible-cell manufacturing, workstations are not interconnected, as they are with traditional conveyor belts. Instead, work takes place at modular stations, called flexible manufacturing cells (FMCs). Rather than following a standardized direction of movement in a predefined takt, each product passes only through those workstations that are relevant to its specifications and is assembled according to an optimized process sequence.
Industry 4.0 technologies are facilitating the introduction of flexible-cell manufacturing in several ways.
- Production Control. Advances in IT systems and digital logistics enable real-time control of highly complex processes that occur on different shop floors in a single factory. All equipment (including machines, AGVs, and tools) on the shop floor and in the logistics area are connected and continuously send status and location data to the factory’s digital twin. There the data is processed in near real-time and used to centrally steer all the operations on the shop floor. These intelligent systems can tell AGVs which workstation to approach and how to react to problems. For example, if there’s an equipment breakdown at an FMC, the steering system’s constant optimization logic allows AGVs to reroute car bodies and all corresponding parts to a different cell.
- Advanced Robots and Handling Devices. To accommodate the increasing number of car variants handled at workstations, robots and handling devices can autonomously adjust to different car bodies and perform changeovers automatically. They can also adapt to the ergonomic needs of individual operators.
- Movable and Plug-and-Produce Equipment. Movable equipment with plug-and-produce functionality allows manufacturers to quickly install or replace equipment at the FMC.
- Sistemas assistentes para operadores. Os sistemas assistentes também podem rastrear ferramentas e oferecer aos trabalhadores outros auxílios visuais, como grandes telas de toque ou projetores, que exibem a próxima tarefa e o local no carro onde ocorrerá. A fabricação pode lidar melhor com as complexidades das fábricas de automóveis atuais e melhorar a produtividade. (Consulte Anexo 3.) IT-based assistant systems can recognize each car entering an FMC and display vehicle-specific information (such as assembly procedures and computer-aided design models) directly to the workstation. Assistant systems can also track tools and offer workers other visual aids, such as large touch screens or projectors, which display the next task and the location on the car where it will occur.
Flexible-Cell Manufacturing Manages Complexity
By eliminating the fixed conveyor belt and the fixed-line takt, and by allowing AGVs to transport a product only to those workstations relevant to its specifications, flexible-cell manufacturing can better handle the complexities of today’s automobile factories and improve productivity. (See Exhibit 3.)
On a conveyor belt, high product variance makes it difficult to execute various assembly tasks within the given takt time, leading to takt time losses. With flexible-cell manufacturing, each FMC has an individual process time for each car passing through, so those losses are completely eliminated. However, each worker has to follow standard times for all processes in order to maintain productivity levels similar to those of conveyor belts.
Because the tasks of each FMC are different and changeable, manufacturers can adapt a cell to take on more or fewer assembly tasks. And processes such as screwing can be combined in one cell. These options help ensure that the car is always waiting for workers to become available rather than forcing workers to wait for the car to arrive, which is the case with conveyor belt assembly. Thus, utilization rates are higher.
However, our simulation showed that the total number of FMCs necessary to produce a given model is slightly higher than the number of conveyor belt stations. While the latter usually have two workers each, most cells are designed with just one worker, since it is hard to fully utilize two workers at the same time at the same station.
A fabricação de células flexíveis tem outros efeitos positivos na produtividade. Como as células de fabricação não estão interconectadas, uma única parada de célula não causará necessariamente uma quebra completa da produção, como faria em uma linha de montagem convencional. Os FMCs são projetados para serem flexíveis e capazes de conduzir mais de uma tarefa; portanto, no caso de uma quebra em uma célula, um AGV carregando um corpo de carro pode mudar de direção autonomamente e se mover para outra célula. Na pior das hipóteses, a perda de uma célula fará com que a saída da linha seja ligeiramente reduzida.
A mesma vantagem se aplica à revisão ou reorganização de células únicas. Os fabricantes podem expandir ou contratar facilmente linhas de produção em resposta a requisitos ou demandas alteradas sem precisar desligar a linha de montagem para reconstrução. Em vez disso, eles simplesmente adicionam ou removem FMCs conforme necessário. Por exemplo, se uma célula provar ser um gargalo, pode ser rapidamente duplicada para suavizar a produção. Um fabricante também pode optar por uma correia transportadora híbrida/configuração de células flexíveis se o problema existir em apenas uma parte específica da linha de montagem. O chão da loja fica mais inteligente, o que permite entregas justas. O AGVS descarrega automaticamente caminhões e move peças para uma área de comissionamento. Os robôs móveis inteligentes identificam mercadorias recebidas por tags de informação e as kit para montagem em células individuais e para produtos específicos. Os AGVs transportam os produtos em caminhos de entrega flexíveis. Um sistema de controle centralizado rastreia os locais das peças e reage a distúrbios imediatamente - redirecionando peças para um novo FMC se outro FMC falha, por exemplo. (Consulte Anexo 4.)
The Industry 4.0 technologies involved in the flexible approach also help manage complexity in logistics. The shop floor gets smarter, which enables just-in-time deliveries. AGVs automatically unload incoming trucks and move parts to a commissioning area. Smart mobile robots identify incoming goods by information tags and kit them for assembly at individual cells and for specific products. AGVs then transport the products on flexible delivery paths. A centralized control system tracks parts locations and reacts to disturbances immediately—redirecting parts to a new FMC if another FMC malfunctions, for example. (See Exhibit 4.)
Uma simulação de células flexíveis e mostrou a simulação de células e mostrou-se a simulação de células. Como observado anteriormente, a utilização do trabalhador aumentou 12% em comparação com a correia transportadora convencional, levando a uma queda nos salários anuais da mesma magnitude (depois de contabilizar a composição de mudança da força de trabalho). Os resultados refletem um volume anual de 100.000 carros-o ponto central entre a fabricação de carros de alto volume de marcas populares de mercado de massa e fabricação de carros de luxo em menor volume. Comparamos as principais métricas, incluindo perdas de tempo de Takt e trabalho em andamento (WIP). Para alcançar a máxima comparabilidade, não alteramos nada, exceto o layout/configuração. Mantivemos todos os processos semelhantes, com o grau de automação exatamente o mesmo. Também assumimos que o trabalho seria 7,5% mais lento, uma vez que as tarefas de montagem em um layout de células flexíveis são mais complexas que as tarefas em uma correia transportadora. O portfólio de produtos na linha de montagem compreendia três modelos de carros diferentes, cada um com diferentes configurações e, horários de montagem de carro, variaram em até 50%. Essas diferenças e as opções limitadas para o equilíbrio de linha significavam que alguns trabalhadores eram bastante improdutivos por causa da espera e caminhada entre as estações. A taxa geral de utilização em toda a linha foi de 87%, que incluía o tempo de trabalho e a caminhada. As células não tinham um tempo específico de Takt. Em vez disso, os tempos de processo podem variar entre 2 e 40 minutos de acordo com o processo e o modelo de carro montado na célula. Havia dois tipos de células: células generalistas combinaram tarefas gerais de montagem que exigiam ferramentas comuns (como drivers de parafuso e ferramentas para recorte e encaixe); As células especializadas foram equipadas com ferramentas e equipamentos altamente especializados, permitindo processos complexos, como a montagem do cockpit. As células especializadas foram projetadas para assumir as tarefas gerais de montagem para obter a máxima utilização. Para garantir flexibilidade, apenas as peças de commodities foram encenadas nas células; As peças específicas do produto foram kitidas e entregues nas células de montagem apropriadas. Os buffers integrados da simulação - semelhantes às áreas de espera - entre as células, então, quando um carro saiu de uma célula, ele poderia ocioso até que os trabalhadores na próxima célula estivessem prontos. Assim, os carros esperavam os trabalhadores em vez de trabalhadores esperando por carros, que é o que causa as perdas de tempo de Takt nos cintos tradicionais de transportadores.
The results of our simulation were dramatic and showed the enormous potential of flexible-cell manufacturing to improve automobile assembly. As previously noted, worker utilization rose by 12% compared with the conventional conveyor belt, leading to a drop in yearly wages of the same magnitude (after accounting for the shifting composition of the workforce).
We simulated and analyzed various production volumes using real data from the automotive industry. The results reflect a yearly volume of 100,000 cars—the center point between high-volume car manufacturing of popular, mass-market brands and lower-volume manufacturing of luxury cars. We compared key metrics, including takt time losses and work in progress (WIP). To achieve maximum comparability, we altered nothing except the layout/setup. We kept all processes similar, with the degree of automation exactly the same. We also assumed that work would be 7.5% slower given that assembly tasks in a flexible-cell layout are more complex than tasks on a conveyor belt.
The automaker’s conventional conveyor belt had 75 assembly stations with two workers at most stations, for a total of 120 workers. The product portfolio on the assembly line comprised three different car models, each with different configurations, and assembly times by car type varied by up to 50%. These differences, and the limited options for line balancing, meant that some workers were fairly unproductive because of waiting and walking between stations. The overall utilization rate across the whole line was 87%, which included working and walking time.
The flexible-cell manufacturing setup had 84 cells, most assumed to have one worker each. The cells did not have a specific takt time. Instead, process times could vary between 2 and 40 minutes according to the process and car model assembled in the cell. There were two types of cells: generalist cells combined general assembly tasks that required common tools (such as screw drivers and tools for clipping and fitting); specialized cells were equipped with highly specialized tools and equipment enabling complex processes like cockpit assembly. Specialized cells were designed to take over general assembly tasks for maximum utilization. To ensure flexibility, only commodity parts were staged at the cells; product-specific parts were kitted and delivered to the appropriate assembly cells. The simulation integrated buffers—similar to waiting areas—between cells, so when a car exited one cell it could idle until workers in the next cell were ready. Thus, cars waited for workers instead of workers waiting for cars, which is what causes takt time losses on traditional conveyor belts.
Como observado, havia 84 células na simulação de manufatura flexível, mais 9 estações do que na linha da correia transportadora. Mas como a maioria das células tinha apenas um trabalhador em vez de dois, a configuração de células flexíveis operava com apenas 97 trabalhadores, em comparação com 120 no modelo de linha. Assim, a fabricação de células flexíveis aumentou a utilização do trabalhador para quase 98%, acima dos 87%. Com o conjunto da correia transportadora convencional, por outro lado, o primeiro carro é sempre o primeiro carro a sair. No geral, no entanto, o fato de os carros na configuração de fabricação de células flexíveis esperaram que os trabalhadores tenham causado o tempo de transferência fosse significativamente maior, cerca de seis vezes a da linha de montagem convencional. Assim, uma métrica chave, WIP, realmente se levantou. Portanto, as montadoras precisam considerar a troca entre WIP e maior eficiência do trabalhador. Quando há muito pouca variação do produto, a montagem de células flexíveis faz sentido financeiro apenas se os volumes forem extremamente baixos; Apenas um ligeiro aumento nos números de produção torna a montagem da correia transportadora uma opção melhor. Por outro lado, quando há variação muito alta do produto, a montagem de células flexíveis quase sempre faz sentido financeiro; Somente quando os níveis de produção são extraordinariamente altos são o conjunto da correia transportadora preferível. Esses desafios se intensificarão nos próximos anos à medida que a complexidade da produção cresce. Os custos de instalação de uma nova linha de montagem da correia transportadora e uma nova configuração de células flexíveis são bastante semelhantes; portanto, as empresas considerando uma nova linha de produção ou projeto Greenfield devem dar uma aparência muito próxima de células flexíveis. É fundamental avaliar o custo de complexidade e a ineficiência de forma linha a linha, levando em consideração fatores como o número de variações do produto, as diferenças no tempo de ciclo entre as estações de trabalho e as restrições de espaço. A taxa de utilização do trabalhador e o WIP desempenharão um papel crucial nessas avaliações. As empresas que podem otimizar sua estrutura de fabricação como parte de um esforço mais amplo para projetar a “fábrica do futuro” estarão prontas para gerenciar a crescente complexidade nos próximos anos. Daniel Küpper
Because cars passed only through those cells that were relevant to their specifications, less customized cars were generally completed faster than highly customized cars. With conventional conveyor belt assembly, in contrast, the first car in is always the first car out. Overall, however, the fact that cars in the flexible-cell manufacturing setup waited for workers caused throughput time to be significantly higher, at around six times that of the conventional assembly line. Thus, a key metric, WIP, actually rose. Automakers therefore need to consider the tradeoff between WIP and greater worker efficiency.
The bottom line is that the simulation showed that flexible-cell manufacturing is promising, although results will vary for different product lines and volumes. When there is very little product variance, flexible-cell assembly makes financial sense only if volumes are extremely low; just a slight increase in production numbers makes conveyor belt assembly a better option. Conversely, when there is very high product variance, flexible-cell assembly almost always makes financial sense; only when production levels are extraordinarily high is conveyor belt assembly preferable.
For many production lines, traditional conveyor belts have reached the limits of their capabilities, resulting in major efficiency and takt time losses. These challenges will intensify in the coming years as production complexity grows. The costs of installing a new conveyor belt assembly line and a new flexible-cell setup are quite similar, so companies considering a new production line or greenfield project should give flexible-cell manufacturing a very close look. It’s critical to assess the cost of complexity and inefficiency on a line-by-line basis, taking into account factors such as the number of product variations, the differences in cycle time among workstations, and space constraints. The worker utilization rate and the WIP will play a crucial role in those assessments. Companies that can optimize their manufacturing structure as part of a broader effort to design the “Factory of the Future” will be ready to manage growing complexity in the years ahead.
