Libro Optimizacion de Procesos Industriales y Control de Calidad PDF

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Este libro permite por una parte implantar sistemas de control
de calidad en los procesos productivos, determinando la capacidad de calidad
de los procesos, como también, establecer métodos de control de calidad usando
diferentes técnicas, dependiendo del tipo de proceso....

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Optimización de Procesos Industriales y Control de Calidad

Pedro Vergara Vera

EDICIONES UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA METROPOLITANA

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© UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA METROPOLITANA Casilla 9845 Santiago de Chile Derechos Reservados Inscripción Nº 148.387 del 20 de Julio 2005 I.S.B.N.: 956-7359-45-8 Santiago de Chile, Octubre de 2005 • DISEÑO Y DIAGRAMACIÓN Programa de Tecnología Educativa y Diseño Comunicacional – DITEC • REPRESENTANTE LEGAL Miguel Ángel Avendaño Berríos • EDICIONES Universidad Tecnológica Metropolitana Distribución y ventas: www.utem.cl/ediciones/index.html • DIRECCIÓN DE COMUNICACIÓN Y CULTURA CONSEJO EDITORIAL PRESIDENTE: Jéssica Orellana Saavedra Héctor Gómez Fuentes Patricio Olivares Iribarren Ana Gavilanes Bravo Hugo Omar Inostroza Sáez PROHIBIDA LA REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL EN CUALQUIER FORMA Y POR CUALQUIER MEDIO. LAS IDEAS Y OPINIONES CONTENIDAS EN ESTE LIBRO SON DE RESPONSABILIDAD EXCLUSIVA DEL AUTOR Y NO EXPRESAN NECESARIAMENTE EL PUNTO DE VISTA DE LA UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA METROPOLITANA.

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OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES Y CONTROL DE CALIDAD

Pedro Vergara Vera

EDICIONES UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA METROPOLITANA

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a Isidora

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Prólogo ............................................................................................................................ 7 Introducción .................................................................................................................... 9 CAPÍTULO I.....................................................................................................................12 Método de Control de Calidad mediante Sumas Acumuladas 1.1. El Método SUMAC ..............................................................................................12 1.2 SUMAC para el control de la tendencia central ..................................................13 1.2.1 Acumulador superior...........................................................................................14 1.2.2 Acumulador inferior.............................................................................................14 1.3 SUMAC para el control de la dispersión .............................................................15 1.4 Longitud de Ráfaga Media...................................................................................16 1.5 Obtención de las tablas de LRM..........................................................................18 1.6 Análisis de las LRM en función de los distintos parámetros .............................20 1.7 Los Gráficos de Shewhart ...................................................................................21 1.8 Comparación de las LRM del SUMAC con las de Shewhart...............................26 CAPÍTULO II....................................................................................................................29 Control por Medias Móviles Ponderadas Exponencialmente Introducción........................................................................................................29 2.1 MEMPE para la tendencia central........................................................................29 2.2 MEMPE para la tendencia central con límites en función de t............................33 2.3 Longitud de Ráfaga Media...................................................................................35 CAPÍTULO III...................................................................................................................36 MEMPE conjunto para controlar la tendencia central y la variabilidad Introducción........................................................................................................36 3.1 MEMPE para la variabilidad.................................................................................36 3.2 Longitud de Ráfaga Media: Simulación ..............................................................38 3.3 Análisis de las LRM del esquema MEMPE conjunto univariable .......................49 3.4 Ejemplo ...............................................................................................................51 CAPÍTULO IV ..................................................................................................................54 4 MEMPE Multivariable ...........................................................................................54 4.1 MEMPE Multivariable de la tendencia central ..................................................54 4.2 MEMPE Multivariable de la variabilidad............................................................60 4.3 Longitud de Ráfaga Media .................................................................................63 CAPÍTULO V ...................................................................................................................80 5 Comparación entre los Gráficos de Shewhart, SUMAC y MEMPE .....................80 5.1 Proporción de elementos defectuosos de un proceso.......................................80 5.2 Probabilidad de señal global y LRM por el método de Shewhart.......................83 5.3 LRM global de Shewhart, SUMAC y MEMPE.......................................................84 5.4 Comparación entre SUMAC y MEMPE conjuntos multivariables.......................89 CAPÍTULO VI ..................................................................................................................91 6.1 Comparación entre los diferentes métodos. Aplicación ....................................91

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CAPÍTULO VII ...............................................................................................................103 Características de un Proceso Industrial Introducción......................................................................................................103 7.1 Capacidad de Calidad de un Proceso .............................................................104 7.2 Ejemplos ...........................................................................................................106 7.3 Gráficos de Control ..........................................................................................111 7.3.1 Gráficos de Shewhart.......................................................................................112 7.4 Gráficos de Shewhart con límites probabilísticos .........................................118 Ejemplos ...........................................................................................................121 7.6 Ejercicios ..........................................................................................................128 7.7 Método Seis Sigma...........................................................................................131 Introducción......................................................................................................131 7.7.1 Los cambios que se requieren para implementar Seis Sigma ......................133 7.7.2 Lean Seis Sigma...............................................................................................134 7.7.3 El funcionamiento del método Seis Sigma.....................................................136 7.7.4 Interacción entre Lean y Seis Sigma...............................................................138 CAPÍTULO VIII ..............................................................................................................141 Diseño de Experimentos 8.1 Diseños factoriales a dos niveles......................................................................141 8.2 Diseño factorial 2 2..............................................................................................141 8.2.1 Ejemplo ..............................................................................................................143 8.3 Modelo lineal......................................................................................................147 8.4 Test de Normalidad ...........................................................................................150 8.5 Gráfico normal de los efectos ............................................................................151 8.6 Gráfico seminormal de los efectos ....................................................................152 8.7 Diseño factorial de tres variables a dos niveles 2 3 ............................................154 8.7.1 Ejemplo ..............................................................................................................155 8.7.2 Ejemplo...............................................................................................................161 8.7.3 Ejemplo ..............................................................................................................166 8.8 Bloques...............................................................................................................174 8.9 Diseños factoriales fraccionales ......................................................................180 8.9.1 Ejemplo .............................................................................................................186 8.9.2 Ejemplo ..............................................................................................................189 8.10 Modelización Global.........................................................................................195 8.10.1 Ejemplo...............................................................................................................197 Bibliografía ...................................................................................................................205

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Prólogo Aunque debiera ser práctica habitual entre los miembros de la comunidad universitaria global, participar en la reflexión de temas que afectan al quehacer común de las instituciones de educación superior, resulta esta, la de prologar una nueva monografía, una oportunidad singular que debe ser aprovechada con especial empeño. Al fin y a la postre, es este un medio único para poner de manifiesto lo que de excepcional tiene la obra de un académico, al tiempo que se nos ofrece la ocasión de realizar alguna reflexión de carácter más general sobre aspectos hoy controvertidos del papel y fines de la universidad. El trabajo que el lector tiene en sus manos nace con la vocación genuina del manual. Con la intención de ayudar al alumno en el proceso de su propio aprendizaje. Pero es, al mismo tiempo, el resultado de un proceso que, de manera muchas veces callada, se realiza en las universidades, el de la transferencia del conocimiento generado por los académicos al mundo productivo. Incorporando nuevas y vivificadoras ideas que suponen la contribución más importante que realizan las instituciones de educación superior al desarrollo socioeconómico. Es, en definitiva, el efecto de la más precisa función del docente, la sistematización del conocimiento para su difusión. En este caso, con el valor añadido de la utilidad de ese conocimiento. Algo inherente al conocimiento generado en el ámbito de las ingenierías es su capacidad para interactuar con el tejido productivo y constituirse de esa forma en uno de los elementos vertebradores del proceso de retorno a la sociedad desde las universidades de lo mucho que estas instituciones reciben de ella. La globalización ha obligado a las industrias a ser competitivas, a buscar espacios en el mercado, a cumplir con las normas de calidad cada día más exigentes, a generar planes estratégicos, a utilizar métodos modernos en la gestión, tratar de minimizar los tiempos de falla, minimizar los desperdicios, cumplir con las entregas en los tiempos previstos, reducir los costos de los productos para brindar satisfacción a los clientes, entre otras acciones. Bajo esta perspectiva, este libro permite por una parte implantar sistemas de control de calidad en los procesos productivos, determinando la capacidad de calidad de los procesos, como también, establecer métodos de control de calidad usando diferentes técnicas, dependiendo del tipo de proceso. Para generar un buen producto, insensible a los cambios que se pueden generar en las variables que intervienen en el proceso, se emplean diseños de experimentos factoriales a dos niveles y diseños factoriales fraccionales. Los que permiten optimizar procesos industriales logrando determinar las variables significativas de 7

un proceso, y obtener modelos de regresión múltiple asociados, que a través de las superficies de respuesta y las curvas de nivel, permiten determinar en que nivel deben fijarse las variables para lograr el valor técnico deseado, y a la vez minimizar los costos de los procesos. La utilización del método de modelización global permite a través de réplicas de un diseño factorial, caracterizar el comportamiento de la variabilidad de un proceso, y determinar en que niveles se deben fijar las variables para minimizarla. Conjuntamente permite estudiar el comportamiento de la característica de interés de un determinado proceso, obteniendo un modelo para ella que incluye el modelo de variabilidad. De esta forma, se pueden optimizar procesos productivos, logrando generar productos de mejor calidad y competitivos. En este libro, el lector podrá conocer los diferentes métodos de calidad existentes, para procesos productivos, los que han sido ilustrados convenientemente con diversos ejemplos, aplicados en diferentes áreas productivas, y complementados con ejercicios de aplicación. De la misma manera, en diseños de experimentos, se desarrollan diversas aplicaciones con ejemplos didácticos, que permiten conocer el método y su posterior aplicación, se aportan diversos ejercicios aplicados en diversos procesos productivos. Debo felicitar a la Universidad Tecnológica Metropolita a través de su Editorial al poner este libro a disposición de los Académicos y Estudiantes, como un aporte al desarrollo de la docencia y la investigación. El Dr. Pedro Vergara posee un vasto desarrollo en esta disciplina a través de sus publicaciones y la docencia que ha impartido por varios años en la Universidad tanto en cursos de pregrado, como en programas de Magíster y de Doctorado.

Felix de Moya Anegón Vicerrector de Nuevas Tecnologías Universidad de Granada

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Introducción En todo proceso de producción existe el riesgo de aparición de artículos defectuosos, la mayoría de las veces el productor puede tener una explicación clara del porqué se generan estos defectos, por ejemplo, por el desajuste de la máquina, ó debido al desgaste de alguna pieza, ó por mala calibración de máquina, ó por poca experiencia de los operarios, ó por deficiencias de calidad de la materia prima, etc. Éste tipo de causas son denominadas asignables, y cuando actúan en un proceso, los efectos que produzcan serán previsibles; así, si una máquina está mal calibrada producirá artículos fuera de las especificaciones de diseño, si se calibra adecuadamente (eliminación de la causa asignable) se obtendrá una disminución del número de piezas defectuosas. Pero, aunque se tenga la mejor maquinaria, se use la mejor materia prima, etc., igualmente se pueden producir desviaciones respecto a la cota nominal, y no siempre será posible predecir su aparición, ni asignarlas a una causa determinada o a una combinación de causas posibles, y, aunque el proceso se repita en condiciones prácticamente idénticas, es difícil que los resultados sean iguales. Este tipo de causas se conocen como no asignables o aleatorias, las cuales introducen en el proceso una variabilidad también no asignable, denominada variabilidad inherente o natural del proceso, por lo cual se puede considerar que todo proceso productivo es un proceso aleatorio. Uno de los objetivos del control estadístico de un proceso, es determinar si una desviación observada puede deberse al azar o a alguna causa asignable; si la variación está dentro de los márgenes atribuidos al azar, se dice que el proceso está bajo control. Estos métodos estadísticos de control si bien no mejoran la calidad de un proceso, al menos evitan su degradación, ya que detectando prontamente las perturbaciones, mantienen la productividad del proceso en un nivel óptimo. Sin embargo, que una empresa tenga un buen sistema de control de calidad, no implica necesariamente que los artículos que produzca sean de buena calidad, pues este buen sistema sólo evitará que el producto se aparte de su valor nominal, pero, no controlará si el producto fue bien diseñado, o si sus características son las adecuadas, o si satisface las necesidades y expectativas de los usuarios, etc. La información actualizada al alcance de los usuarios, como también la gran competitividad, ha obligado estos últimos años a tratar de producir una mejora sustancial en la calidad, tanto de productos como de servicios, ya que sólo así es posible mantenerse en el mercado. Muchas empresas se han visto en la obligación de invertir en la adquisición de nue9

vas tecnologías, ó en rediseñar sus procedimientos actuales, ó en investigación y desarrollo que mediante innovación tecnológica les permita mantenerse en un nivel adecuado de competencia. También, debe tenerse en cuenta, que las tendencias actuales están dirigidas hacia la automatización y robotización de los procesos industriales, lo que acentúa la importancia de los problemas de calidad, pues, esta robotización obtendrá resultados eficientes sólo si los niveles de calidad de las partes y piezas con las que se trabaja son altos. En estos últimos aspectos, la industria japonesa es la que ha tenido los mejores resultados, introduciendo en los mercados internacionales muchos productos similares a los ya existentes, pero, la mayoría de ellos de mejor calidad, logrando también una reducción significativa en los costes de producción y venta, y un aumento del ciclo de vida de muchos de ellos. Es importante que al definir la calidad de un producto, entendiendo por producto en un amplio sentido no sólo atribuido a productos físicos, sino que a todo tipo de procesos como por ejemplo: calidad de vida, calidad de información, calidad de servicio, etc., se debe tener en cuenta su coste, ya que cualquiera que sea la calidad de un producto, si su precio es muy elevado, no podrá satisfacer las necesidades del consumidor. En la actualidad, la puesta en marcha de un control de calidad debe extenderse también al control de costes, precios y beneficios, así como al control de la cantidad y de los plazos de entrega. Desde que Shewhart (1931) desarrolló los gráficos de medias, x y de desviaciones estándar S, el control de los procesos de producción se ha basado casi exclusivamente en tales métodos. Sin embargo, Page (1957) introdujo los fundamentos de una metodología de control alternativa, conocida como gráficos de control de Sumas Acumuladas (SUMAC), que en los últimos años ha pasado a ser objeto de numerosas publicaciones estudiando su eficacia, sus condiciones operativas para facilitar su aplicabilidad, así como su generalización al caso multivariable. Otro método, es el gráfico de control basado en la Media Móvil Ponderada Exponencialmente (MEMPE), introducido por Roberts (1959) que también sistematiza la vigilancia de posibles tendencias en los gráficos de Shewhart, acumulando las observaciones (o los promedios de cada muestra) ponderados exponencialmente. Se estudia la generalización de este esquema para un control conjunto de la tendencia central y de la dispersión, se analiza la aplicación multivariable que posibilite el control de procesos multifunción, se desarrollan los fundamentos para la facti10

ble utilización de estas metodolías a los procesos, y se establece, en todos los casos, unas bases de comparación objetivas entre los métodos Shewhart, SUMAC y MEMPE, para determinar si hay uno que sea uniformemente óptimo, o, en su caso, en qué situaciones, cada uno de ellos es más eficiente. Se explica el método Seis Sigmas y Lean Seis Sigma para optimizar procesos productivos en cuanto a atender las expectativas del cliente, mejorar los procesos, reducir los costos y minimizar las no conformidades. Se presentan métodos de diseño de experimentos, factoriales y factoriales fraccionales que posibilitan la optimización de un proceso productivo, tanto en alcanzar los valores objetivos definidos para un producto...