De cyclustijd bij het afvullen verkorten: de timing optimaliseren

De cyclustijd van een verpakkingslijn bepaalt hoeveel zakken er per uur van de lijn rollen – en daarmee de maximale capaciteit die een opdracht in één dienst kan halen. Bij een cyclustijd van 12 seconden zijn dat 300 zakken per uur. Bij 8 seconden zijn dat er 450. Een verschil van vier seconden per zak klinkt misschien niet veel – maar omgerekend naar een dienst van acht uur zijn dat 1.200 zakken meer.

Maar de cyclustijd is geen enkel getal – deze bestaat uit meerdere deelcycli, en de langzaamste bepaalt het totale tempo. Bij een zakkenvulinstallatie zijn dat: het plaatsen van de zak, doseren, vullen, sealen en afwerpen. Wie de bottleneck onder deze vijf stappen identificeert, vindt de grootste hefboom – en vermijdt de meest voorkomende misinvestering: een snellere doseerinstallatie aanschaffen, terwijl het handmatig plaatsen van de zakken het tempo beperkt.

Dit artikel ontleedt de cyclustijd van een verpakkingsinstallatie in zijn onderdelen, toont de typische bottlenecks en de methoden om de langste deelcyclus te verkorten.

De cyclustijd – in de zakverpakkingssector vaak synoniem gebruikt met taktduur – meet de tijd die nodig is voor een volledige machinecyclus: vanaf het moment dat een lege zak de vulopening bereikt, tot het moment dat de gevulde, gesealde zak het station verlaat en de volgende cyclus kan beginnen. De eenheid is seconden per zak. De omrekening naar doorvoer is direct: 3.600 gedeeld door de cyclustijd in seconden levert het aantal zakken per uur op. Bij 12 seconden zijn dat er 300, bij 10 seconden 360 en bij 8 seconden 450.

Het onderscheid met de doorlooptijd is de kern van dit artikel: De cyclustijd als onderdeel van de doorlooptijd meet alleen de pure machinetijd per zak. De doorlooptijd meet de totale orderduur, inclusief instellen, wachten en transporteren. Het artikel over doorlooptijd laat zien dat de cyclustijd doorgaans slechts 30 tot 50 procent van de totale doorlooptijd uitmaakt – maar het is de factor die de theoretische maximale doorvoer bepaalt. Als de cyclustijd niet aan de behoefte voldoet, helpt geen enkele organisatorische optimalisatie van de overige tijdsdelen.

Kletti en Schumacher verankeren de cyclustijd in het OEE-raamwerk: de prestatiegraad als verhouding tussen de werkelijke en de nominale cyclustijd laat zien hoe dicht de installatie bij haar theoretische maximum werkt. Een installatie met een nominale cyclustijd van 10 seconden, die in werkelijkheid 12 seconden nodig heeft, heeft een prestatiegraad van 83 procent – 17 procentpunten gaan verloren door korte stilstanden en verminderde snelheid, zonder dat de installatie ooit als „gestoord” wordt gemeld. Juist deze verborgen prestatieverliezen worden zichtbaar wanneer men de cyclustijd in zijn deelcycli opsplitst.

Elke zak doorloopt in een verpakkingsinstallatie een vaste reeks processtappen – en elke stap heeft zijn eigen duur, die afhangt van de configuratie van de installatie, de mate van automatisering en het stortgoed. De totale cyclusduur is niet de som van alle deelcycli, maar – bij moderne installaties met parallellisatie – de duur van de langste afzonderlijke stap plus de overdrachtstijden tussen de stations. Maar om de bottleneck te vinden, moet men elke deelcyclus afzonderlijk kennen:

De tabel toont twee patronen die cruciaal zijn voor de knelpuntanalyse:

Ten eerste: Het aanbrengen van de zak is bij handmatige bediening veruit de langste afzonderlijke stap – 5 tot 10 seconden, terwijl alle andere stappen samen 9 tot 20 seconden duren. De operator is de bottleneck, niet de machine. Automatisch zakken opzetten halveert deze deelcyclus tot 2 tot 3 seconden en verplaatst de bottleneck naar de dosering – waar deze thuishoort, omdat de doseertijd wordt bepaald door het product, niet door de operator.

Ten tweede: De dosering (grove plus fijne fase) is de deelcyclus die het sterkst afhankelijk is van het stortgoed. Een vrij stromend granulaat met een stortdichtheid van 600 g/l wordt in 4 tot 5 seconden gedoseerd. Een cohesief poeder met 50 g/l, dat neigt tot brugvorming en na het stoppen van de dosering doorstroomt, heeft 8 tot 11 seconden nodig – niet omdat de machine langzamer is, maar omdat het product langzamer stroomt en de nastroming langer duurt. Een hogere meetresolutie versnelt het doseren, omdat de weegbesturing het omschakelpunt tussen grof- en fijnstroom nauwkeuriger kan instellen en de doserstop eerder kan activeren – elke milliseconde nauwkeurigere meting bespaart seconden in de fijne fase.

Het sealen is zelden de bottleneck – ultrasoon lassen met 1 tot 2 seconden is sneller dan elke andere deelcyclus. Maar het kan een bottleneck worden als thermisch lassen wordt toegepast (3–5 seconden) of als de sonotrode versleten is en de lasenergie niet meer voldoende is, waardoor dubbele lasnaden nodig worden.

De bottleneck is de deelcyclus die de totale doorlooptijd bepaalt – alle andere stations wachten hierop. Het identificeren ervan is een voorwaarde voor elke zinvolle optimalisatie, omdat elke seconde die bij de bottleneck wordt gewonnen, de doorvoer van de gehele lijn verhoogt – terwijl een seconde die bij een niet-bottleneckstation wordt gewonnen, alleen de wachttijd van dat station verlengt.

Bij zakverpakkingsinstallaties verschuift het knelpunt afhankelijk van de installatieconfiguratie en het product:

Bij handmatige bediening domineert het opzetten van de zak. Met 5 tot 10 seconden per zak is dit de langste afzonderlijke stap en tegelijkertijd de meest variabele – vermoeidheid tijdens de dienst, zakformaat, ervaring van de operator. Automatisch zakken opzetten verkort de deelcyclus tot 2 tot 3 seconden en verplaatst de bottleneck naar de dosering. Daarmee lost het niet alleen een tijdsprobleem op, maar ook een variatieprobleem: de cyclus wordt reproduceerbaar, omdat deze niet meer afhankelijk is van de mens.

Bij fijne poeders domineert de fijndosering. Hoe lichter en cohesiever het stortgoed, hoe langer de fijne fase duurt – omdat de materiaalstroom bij lage transportdruk langzamer stroomt en de nastroom na het stoppen van de dosering langer aanhoudt. Bij ultrafijne poeders onder 50 µm kan de fijne fase alleen al 5 tot 8 seconden duren – meer dan het opzetten van de zak, het sealen en het afwerpen samen. De hefboom ligt dan niet in de mechanica, maar in de weegbesturing: Een hogere meetresolutie versnelt de dosering, omdat het omschakelpunt tussen grove en fijne stroom nauwkeuriger kan worden ingesteld en de doserstop bij een lagere restnastroming kan worden geactiveerd. Hoe nauwkeurigheidsklassen de doseersnelheid beïnvloeden, wordt beschreven in het vakartikel over ijkfoutgrenzen en overvulling.

Bij productwisselingen onderbreekt de insteltijd de cyclus volledig. Strikt genomen is dit geen deelcyclus van de cyclustijd, maar een onderbreking in de doorlooptijd – maar het heeft net zo'n effect op de effectieve doorvoer per ploeg als een trage dosering. Een bedrijf met vier productwisselingen van elk 40 minuten verliest 160 minuten per ploeg – bij 300 zakken per uur zijn dat 800 zakken die niet zijn geproduceerd. Productwisselingen als ritmeonderbrekers zijn daarom de reden waarom SMED een rol speelt bij de optimalisatie van de cyclustijd, hoewel SMED eigenlijk een doorlooptijdthema is.

De analysemethode is eenvoudig: meet elke deelcyclus afzonderlijk, bereken het gemiddelde over ten minste 50 cycli, identificeer de langste – daar ligt de hefboom. De meting laat vaak zien dat de waargenomen bottleneck niet de werkelijke is: productieleiders vermoeden dat de bottleneck bij de dosering zit, omdat dit het technisch meest complexe station is – de meting laat zien dat het handmatig opzetten van de zakken of de wachttijd voor het wisselen van pallets de takt bepaalt.

Drie methoden hebben direct invloed op de machinetakt – elk op een ander punt van de bottleneck:

Parallelisering: Deelcycli overlappen elkaar in plaats van achter elkaar te lopen. In een sequentiële lijn wacht elk station tot het vorige klaar is. In een geparalleliseerde lijn begint het volgende zakbevestigingsproces terwijl de gevulde zak nog wordt afgevoerd. Het afwerpen valt buiten het kritieke pad – het kost geen cyclustijd meer, omdat het parallel loopt aan het volgende zakbevestigingsproces. De automatische zakbevestiging verkort de deelcyclus direct en maakt deze parallellisatie tegelijkertijd mogelijk, omdat de automaat de volgende zak klaarzet zonder op de operator te wachten.

Doseeroptimalisatie: Nauwkeurigere meting in plaats van snellere transport. Het intuïtieve antwoord op een trage dosering is: meer transportdruk, snellere materiaalstroom. In de praktijk leidt dit tot overvulling, verhoogde naloop en slechtere reproduceerbaarheid. De effectievere hefboom is de meetzijde: een weegbesturing met een hogere resolutie kan het omschakelpunt grof/fijn eerder instellen en de doseerstop nauwkeuriger activeren. De fijne fase wordt korter, omdat de weegschaal sneller herkent wanneer de gewenste waarde is bereikt. Nastroomcorrectie – de automatische compensatie van het materiaal dat na het stoppen van het doseren nog in de zak sijpelt – verkort de fijne fase bovendien met de wachttijd op de stabiele meetwaarde.

Vulprincipe: Fysische grenzen verleggen door van technologie te veranderen. Als de doseertijd wordt beperkt door het product – cohesief poeder dat niet sneller kan stromen –, helpt parameteroptimalisatie niet meer. Dan is de vraag of een ander vulprincipe de fysieke bottleneck omzeilt. Vacuümverpakking creëert een onderdruk die het poeder actief in de zak trekt in plaats van het passief te laten stromen – bij ultrafijne poeders kan dit de toevoersnelheid aanzienlijk verhogen. Dit is geen optimalisatie binnen de bestaande installatie, maar een technologische beslissing – maar het lost een knelpunt op dat geen enkele parameteraanpassing kan oplossen.

Wie de cyclustijd kent, kent de maximale doorvoercapaciteit. Wie de deelcycli kent, weet waar het knelpunt ligt. En wie het knelpunt kent, weet welke maatregel het grootste effect heeft: automatisch zakken opzetten als de operator de takt beperkt. Doseringsoptimalisatie als het product de takt beperkt. Technologieverandering, wanneer de fysica de takt beperkt. Het systematisch verkorten van de langste deelcyclus heeft meer effect dan de optimalisatie van alle andere samen. De zakverpakkingsoptimalisatie van de productie begint bij het knelpunt – niet bij het gemiddelde.

Bronnen

Kletti, Jürgen / Schumacher, Jochen: Die perfekte Produktion. 2. Auflage, Springer Vieweg, Berlin Heidelberg 2014.