UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DELLA BASILICATA POTENZA FACOLTÀ DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA IN INGEGNERIA MECCANICA TESI DI LAUREA POLITICHE DI GESTIONE DELLE SCORTE: ANALISI DELL APPROCCIO MAGAZZINO VIRTUALE MEDIANTE LA SIMULAZIONE RELATORE Dott. Ing. Paolo Renna CANDIDATO Giuseppe Pagano matr. 22672/IM ANNO ACCADEMICO 2006/2007
mediante la simulazione Tesi di laurea specialistica Introduzione INTRODUZIONE Il presente lavoro di tesi consiste nella presentazione e descrizione di alcune problematiche riguardanti le politiche di gestione e controllo delle scorte, unitamente alla analisi di tre casi specifici modellizzati mediante l ausilio di moderni ed idonei strumenti software per l analisi delle informazioni e la simulazione. La tesi è suddivisa in cinque capitoli ed è corredata da una bibliografia, una sitografia ed una appendice. I cinque capitoli sono articolati nel seguente modo: 1. il primo capitolo affronta l argomento sulle politiche di gestione delle scorte da un punto di vista essenzialmente teorico; esso serve ad introdurre l argomento in via del tutto generale e soprattutto a sollevare alcune problematiche che interessano i sistemi di gestione delle scorte e dei magazzini nelle moderne industrie manifatturiere; 2. nel secondo capitolo viene presentata una breve introduzione di carattere generale ai moderni strumenti software per l analisi delle informazioni, comunemente adoperati per la gestione ed il controllo di sistemi di produzione all avanguardia: verranno trattate alcune tematiche riguardanti le politiche, le metodologie, gli strumenti, le regole, le procedure che stanno alla base del funzionamento dei moderni pacchetti software per l analisi delle informazioni e la gestione e controllo della produzione industriale nelle moderne 1
mediante la simulazione Tesi di laurea specialistica Introduzione industrie manifatturiere. In particolare, verrà trattato ampiamente e con dovizia di particolari l approccio all analisi dinamica dei sistemi, meglio noto come System Dynamics Approach, che regola il funzionamento di pacchetti software specifici (detti System Dynamics Oriented) quali il Powersim Studio, adoperato per lo svolgimento del presente lavoro di tesi; 3. nel terzo capitolo vengono proposti i 3 modelli simulativi System Dynamics per l analisi di dettaglio, realizzati con l ausilio del software Powersim Studio. I 3 modelli System Dynamics sono mutuati da casi reali e nel corso del capitolo vengono copiosamente descritti e commentati; le simulazioni prodotte dai 3 modelli System Dynamics sono realistiche ed i risultati da esse ricavati attendibili e consistenti con la realtà; 4. il quarto capitolo contiene il piano sperimentale con i risultati numerici delle simulazioni realizzate per la campagna sperimentale; i dati sono presentati sotto forma di tabelle e grafici e saranno esaminati e riccamente commentati nel quinto capitolo; 5. nel quinto capitolo vengono esposte le conclusioni del presente lavoro di tesi, e vengono analizzati e commentati i risultati sperimentali delle simulazioni esibiti al quarto capitolo. L appendice contiene essenzialmente una descrizione del contenuto multimediale di un CD accluso alla tesi e riporta in allegato tre esempi di tabelle di risultati numerici ricavati da alcune delle simulazioni della campagna sperimentale; le tre tabelle contenenti i dati sperimentali sono riportate in appendice a titolo puramente illustrativo. 2
CAPITOLO 1 Le politiche di gestione delle scorte 1.1 Introduzione Il controllo e la gestione delle scorte nella moderna industria manifatturiera costituiscono delle problematiche che rientrano nell ambito delle tematiche riguardanti, più in generale, la gestione della produzione industriale. Gestire la produzione significa generare e sfruttare informazioni (come ad esempio il portafoglio ordini, le previsioni di vendita, il livello delle scorte, i cicli di lavorazione) in guisa da coordinare nel modo più appropriato i flussi dei materiali e l assegnazione nel tempo delle risorse produttive (quali le macchine, la manodopera, gli stampi), interagendo da una parte con i clienti e dall altra con i fornitori. Lo scopo del presente capitolo è quello di introdurre in via generale i problemi legati alla gestione della produzione, in particolare le problematiche riguardanti il controllo e la gestione delle scorte. Nel paragrafo 1.2 sono illustrati due esempi introduttivi che permettono di acquisire familiarità con le tipiche problematiche di controllo delle scorte, di coordinazione in sistemi multistadio. Scopo del paragrafo 1.3 è fornire un quadro di riferimento per la classificazione dei problemi di gestione della produzione in generale: questi ultimi, infatti, differiscono per il tipo di processo tecnologico coinvolto, per l organizzazione fisica dell impianto, per il 3
tipo di scenario produttivo e di mercato, per il livello gerarchico, per le misure di prestazione e gli obiettivi da conseguire. Qualsiasi sia il problema da affrontare, esso richiede un adeguato sistema informativo per fornire alle procedure di gestione le informazioni necessarie. Nel paragrafo 1.4 vengono messi in luce i principali fabbisogni informativi dei pacchetti software commercialmente disponibili. 1.2 Alcuni esempi introduttivi La gestione dei flussi di materiali in un sistema di produzione comporta l adozione di un gran numero di decisioni diverse, correlate tra di loro da complessi legami di causa ed effetto. In questo paragrafo illustriamo due esempi, piuttosto schematici, di problemi di gestione della produzione, il cui fine è proprio quello di introdurre il modo pratico e concreto alcune classi di problemi. Il primo esempio tratta specificatamente alcune problematiche che si incontrano nel controllo e gestione delle scorte a magazzino, mentre il secondo esempio riguarda più in generale i sistemi produttivi multistadio, che sono caratterizzati da diverse tipologie di scorte e da magazzini a diversi livelli. In generale, in un sistema produttivo di tipo manifatturiero, esistono diverse tipologie di scorte; ciascuna tipologia è collegata al corrispondente magazzino, che è appunto il luogo in cui vengono stoccati fisicamente i beni. Fondamentalmente è possibile distinguere tre principali tipologie di scorte, insieme con i loro relativi magazzini: 1. materie prime; 4
2. semilavorati; 3. prodotti finiti. Qualunque sistema di produzione, ancorché semplice, presenta almeno un magazzino per ognuna delle tre tipologie di scorte sopraelencate. Controllo delle scorte Si consideri il sistema illustrato in figura 1.1, costituito da un magazzino prodotti finiti, che viene alimentato da un sistema produttivo rappresentato da una scatola nera. Figura 1.1 Un sistema produttivo con magazzino prodotti finiti Assumiamo che il sistema produttivo contenga un unico magazzino per le scorte prodotti finiti; altri tipi di scorte (materie prime e semilavorati) con i loro rispettivi magazzini sono sicuramente presenti nell ambito della produzione, ma a noi non interessano ai fini dell esempio corrente. Il sistema produttivo viene visto come una scatola nera in quanto essa rappresenta semplicemente una entità in grado di soddisfare, con un certo ritardo, gli ordini di riempimento del magazzino; in effetti, non distinguiamo il caso di ordini di 5
acquisto (nel qual caso la scatola nera è un fornitore) da quello di ordini di produzione. Come si vede dal grafico di figura 1.1 il livello di magazzino I scende nel tempo, con un tasso che dipende dalla frequenza e dall entità degli ordini da parte dei clienti. Un problema di controllo delle scorte richiede di stabilire quando occorre lanciare un ordine e quanto occorre ordinare. Un possibile approccio consiste nel determinare un punto di riordino R: quando il livello del magazzino scende sotto il livello R, si lancia un ordine per un quantitativo Q; dopo un intervallo di tempo LT, detto lead time, il lotto ordinato è stato prodotto od acquistato ed è quindi pronto per essere versato a magazzino. In un problema di controllo e gestione delle scorte il lead time è il tempo intercorrente tra il lancio di un ordine e l arrivo delle parti: in questo caso è un dato più o meno certo del problema. Il lead time costituisce praticamente il tempo materiale necessario per produrre i beni e trasportarli (come materie prime, semilavorati, prodotti finiti) sia all interno che all esterno del sistema produttivo (da e verso il sistema di produzione). A volte il lead time dipende dalla quantità Q ordinata e dal momento in cui viene lanciato l ordine (inteso come istante temporale), ossia allorquando il livello I del magazzino raggiunge il punto di riordino R. Nel determinare i parametri R e Q occorre tenere conto di esigenze contrastanti. Da una parte, sarebbe opportuno ordinare piccoli quantitativi di prodotto con una frequenza abbastanza alta, in guisa da tenere il livello del magazzino il più basso possibile e minimizzare quindi i costi di giacenza. Dall altra parte, occorre evitare di lanciare ordini con una frequenza eccessiva, a causa dei costi legati al lancio di un ordine di acquisto e, nel caso di ordini di produzione, alla 6
necessità di attrezzare le macchine. Si tratta quindi di dimensionare il lotto Q in modo da trovare il miglior compromesso. In molti casi, infatti, il costo di lancio di un ordine, sia che si tratti di un ordine di acquisto che di un ordine di produzione, è un costo fisso, ossia è indipendente dalla quantità Q di merce che occorre acquistare o produrre. Qualora si verifichi ciò conviene naturalmente cercare di ordinare la maggior quantità possibile di merce, in guisa che il costo fisso di lancio dell ordine viene ammortizzato sul quantitativo di beni prodotti od acquistati, con l ovvia conseguenza che il costo unitario del singolo bene diminuisce. Si pensi, ad esempio, ad una industria manifatturiera che effettua delle lavorazioni per asportazione di truciolo su pezzi metallici grezzi trasformandoli in componenti meccanici ad alto valore aggiunto; la fabbrica adopera dei centri di lavorazione per il taglio dei metalli unitamente ad altri tipi di macchine utensili a controllo numerico computerizzato; la fabbrica produce, ad esempio, tre diverse tipologie di componenti meccanici in lotti comprendenti un determinato numero di parti di un certo tipo: quando, nell ambito della produzione, si cambia tipologia di pezzo, è necessario preparare ed equipaggiare i centri di lavorazione con gli utensili e le attrezzature idonee al fine di metterli nelle condizioni di produrre correttamente le parti della tipologia di pezzo che si intende fabbricare. Quando si predispone un moderno centro di lavorazione CNC per la realizzazione di un certo tipo di pezzo, non ci si riferisce solamente ad operazioni puramente meccaniche (come ad esempio la sostituzione degli utensili preesistenti con quelli adatti a produrre quel determinato tipo di pezzo), ma anche ad operazioni di tipo informatico, che possono essere il caricamento dei part program per 7
la tipologia di pezzo da produrre; in generale, le operazioni di preparazione di un centro di lavoro CNC, sia di tipo informatico che meccanico hanno un determinato costo fisso ed impiegano un certo tempo. Il costo delle operazioni di set up (attrezzaggio e carcamento dei part program) delle macchine utensili CNC ed il tempo necessario ad eseguirle correttamente è praticamente indipendente dalla dimensione del lotto (che esprime appunto il volume di pezzi di un certo tipo). Allo scopo, quindi, di ridurre il costo unitario della singola parte prodotta conviene aumentare la dimensione dei lotti di produzione e conseguentemente diminuire la frequenza delle operazioni di set up, che come abbiamo visto richiedono tempi e costi fissi non indifferenti. La presenza di tempi e costi di set-up portano a produrre lotti più grandi, con un conseguente incremento nei livelli delle scorte, il che si traduce in costi di giacenza sempre più grandi. In taluni casi, quando si tratta di ordini di acquisto di beni verso fornitori, si possono adottare delle politiche di sconto sulla base della quantità ordinata; in tal caso il costo di lancio dell ordine non è più un costo fisso, indipendente dal quantitativo di merce ordinata. Il fornitore può adottare delle scontistiche secondo le quali il costo di lancio dell ordine varia in funzione della quantità ordinata, in particolare diminuisce all aumentare del volume di merce ordinato; in pratica il fornitore fissa diversi costi di lancio dell ordine unitamente a degli intervalli di valori per i volumi di merce da ordinare: a ciascun intervallo corrisponde un determinato costo; quando il fornitore riceve un ordine per un quantitativo Q di merce, per fissare il costo dell ordine non deve fare altro che individuare in 8
quale intervallo di volumi rientra il quantitativo Q ordinato e risalire di poi al corrispondente costo. Se U è il costo di lancio dell ordine e Q il quantitativo di beni da ordinare, la politica di sconto appena discussa, nel caso di quattro distinte fasce di costo, si può riassumere nella seguente formula: U 1 se Q < Q1 U2 se Q1 Q < Q2 U = (1.1) U 3 se Q2 Q < Q3 U 4 se Q3 Q < Q4 in cui naturalmente è U 1 < U2 < U3 < U4 e Q 1 < Q2 < Q3 < Q4 ed inoltre i valori dei costi U i e dei volumi Q i sono stabiliti dal fornitore. Altri fattori di cui occorre tenere conto sono costituiti dalla variabilità della domanda e del lead time: maggiore è l incertezza associata, più grande sarà il livello di riordino R, con un conseguente aumento dei costi di giacenza. I costi di giacenza possono essere molteplici e di norma sono tra i più onerosi; di seguito elenchiamo brevemente i diversi tipi di costi di giacenza che si possono incontrare nella gestione di un magazzino con delle scorte: costi legati al livello delle scorte; i materiali depositati presso un magazzino costituiscono una forma di capitale immobilizzato; costi di gestione e mantenimento dei locali adibiti ad uso magazzino, tra cui: acqua, energia elettrica, combustibili per riscaldamento; bisogna considerare anche i costi di affitto dei locali se questi ultimi non sono di proprietà o i costi per la realizzazione dei fabbricati destinati ad uso magazzino, nonché i costi per interventi di manutenzione ordinaria e straordinaria, ristrutturazioni, etc ; 9
costi per la movimentazione dei materiali dal magazzino, verso il magazzino, all interno del magazzino, compresi i costi di acquisto, gestione e manutenzione (sia ordinaria che straordinaria) dei macchinari idonei alla movimentazione delle scorte; costi delle attrezzature, arredi, suppellettili idonei ad uno stoccaggio corretto, pratico, sicuro e flessibile dei colli; costi per assicurare le scorte in caso di furti o danneggiamenti (sia parziali che totali) da parte di terzi; costi derivanti dal rischio di obsolescenza, deterioramento o deperimento; costi del personale preposto alla gestione e manutenzione del magazzino, nonché addetto al material handling and storage system; costi per la realizzazione delle condizioni più idonee e favorevoli per uno stoccaggio sicuro e duraturo delle scorte. Sistemi produttivi multi-stadio Nell esempio precedente abbiamo trattato il sistema di produzione in modo estremamente semplificato: esso è semplicemente modellato da un lead time, cioè da un ritardo. Questo è, in generale, non appropriato. La struttura produttiva può essere estremamente complessa, ed occorre valutare come il suo limite di capacità produttiva influenza il lead time. Questo infatti è una conseguenza del numero di ordini da servire, e non un dato a priori; se si raggiunge il punto di riordino contemporaneamente per molti prodotti, verranno lanciati molti ordini di produzione, che verranno accodati sui centri di lavorazione, con il risultato di congestionare il 10
sistema produttivo ed allungare il lead time. Inoltre, in un sistema di produzione esistono diversi tipi di scorte. In figura 1.2 è rappresentato un sistema multi-stadio composto da due stadi in serie. Figura 1.2 Un semplice sistema multi-stadio La figura evidenzia l esistenza dei tre livelli di scorte già accennati: materie prime, semilavorati, prodotti finiti. Va notato che le materie prime sono intese come tali dal punto di vista della gestione della produzione; in pratica si può trattare di componenti molto complessi prodotti da un fornitore. Nell esempio di figura 1.2 il primo stadio trasforma le materie prime in semilavorati, che vengono di poi trasformati in prodotti finiti nel secondo stadio e versati nel corrispondente magazzino. Come nel caso del controllo delle scorte illustrato nell esempio precedente, occorre controllare i flussi di materiali e le giacenze ai tre livelli in modo da trovare un compromesso tra esigenze contrastanti. Da una parte il livello di scorte deve essere tale da assicurare la regolarità del flusso dei materiali, evitando di bloccare la produzione per mancanza di materiali. Dall altra parte, un livello di scorte eccessivo, pur garantendo un elevato utilizzo delle risorse, comporta un costo elevato di giacenza, nonché un aumento del tempo di 11
attraversamento del sistema. Il tempo di attraversamento (flow time o lead time, oppure anche throughput time) è il tempo intercorrente tra l ingresso delle materie prime nel sistema e l uscita del prodotto finito. Trovare un compromesso ragionevole richiede una attenta sincronizzazione delle attività produttive nei diversi stadi. Il tempo di attraversamento di una parte in un sistema produttivo manifatturiero non è solamente il tempo necessario a fabbricare la parte, ma comprende anche i tempi di trasporto, i tempi di attesa in coda, i tempi di set-up delle macchine, etc, tutti tempi morti, ma comunque indispensabili per condurre a termine le lavorazioni; ad esempio, nel caso dell industria manifatturiera che produce componenti meccanici metallici per asportazione di truciolo di cui all esempio precedente, un pezzo metallico grezzo deve subire determinate lavorazioni per asportazione di truciolo presso i centri di lavoro CNC per diventare il componente meccanico finale ad elevato valore aggiunto. Ora ogni lavorazione di taglio alla macchina utensile impiega un certo tempo, durante il quale la macchina stessa è occupata; il cliente paga in base al tempo necessario alla macchina utensile ad effettuare le lavorazioni meccaniche di taglio previste dal part program, ossia in base al tempo in cui realmente il pezzo grezzo subisce una trasformazione meccanica che ne incrementa il valore aggiunto. In realtà esistono anche altri tempi, necessari ad espletare funzioni ed operazioni fondamentali ed essenziali ai fini del corretto funzionamento di un moderno impianto manifatturiero; tali operazioni possono essere ad esempio: operazioni di trasporto: dei pezzi grezzi dal magazzino materie prime verso l area di produzione, dei semilavorati all interno dell area di produzione tra una macchina e l altra, dei prodotti 12
finiti dall area produzione verso il magazzino finale; le operazioni di trasporto delle parti (intese come materie prime, semilavorati e prodotti finiti) hanno comunque un costo che non viene ripagato dal cliente; attesa in coda dei semilavorati che stazionano nei buffer (magazzini intermedi) presso le stazioni di lavorazione (o workstations); durante i tempi di attesa in coda i pezzi non subiscono alcuna lavorazione tecnologica che ne incrementi il valore aggiunto; operazioni di set-up delle macchine CNC per: cambio utensile, cambio magazzino utensili, spostamenti in rapido per i moti di appostamento dell untesile, cambio pallet, cambio pezzo, caricamento part program, cambio dell orientamento del pezzo, etc ; nel lasso di tempo necessario ad compiere le suddette operazioni la macchina non lavora compiendo trasformazioni tecnologiche sul pezzo. Tutte le succitate operazioni, ancorché essenziali, necessitano di tempi morti per essere portate a termine, tempi morti che in ogni caso costituiscono dei costi e durante i quali il pezzo in lavorazione non viene ultimato dato che non subisce trasformazioni tecnologiche e quindi i costi scaturiti dai tempi morti di lavorazione non vengono ripagati dal cliente. Il tempo di attraversamento di una parte in un sistema produttivo manifatturiero rappresenta il coacervo di tutti i tempi menzionati sopra ed è per questa ragione che deve essere ridotto al massimo adottando una attenta e corretta politica di sincronizzazione delle attività produttive nei singoli stadi di lavorazione. 13
1.3 Interfaccia con il mercato Nel definire la strategia di gestione della produzione occorre tenere conto del modo in cui l azienda si interfaccia con il mercato; ciò dipende dal grado di personalizzazione del prodotto, dal volume delle vendite, dal lead time e dal livello di concorrenza sul mercato. Nel caso di prodotti molto complessi, costosi e personalizzati, l azienda produrrà strettamente su commessa; si pensi, ad esempio, al caso di una grande nave che deve essere costruita in un cantiere navale. In situazioni di questo tipo non è possibile mantenere un magazzino di prodotti finiti cui attingere nel momento in cui viene ricevuto un ordine da un potenziale cliente; la produzione, difatti, è avviata solo a fronte di un ordine cliente specifico, ed il cliente può essere costretto ad attendere la consegna del prodotto finito per un lead time dell ordine di mesi o addirittura di anni. In questo caso si parla di strategia make-to-order. Nel caso di strategia make-toorder di fatto non esiste una accumulazione fisica di beni in un magazzino prodotti finiti: il prodotto appena ultimato viene immediatamente spedito al cliente. Si possono avere casi in cui non solo si produce, ma si progetta su ordine; situazioni di questo tipo vanno sotto il nome di engineer-toorder e rappresentano un estremizzazione del make-to-order. Per esempio il caso della nave, poc anzi menzionato, è un chiaro esempio in cui si combinano entrambe le strategie, sia quella maketo-order che quella engineer-to-order: la realizzazione di una nave, infatti, essendo un opera molto complessa necessita di un ampia ed accurata progettazione sia prima di iniziare la costruzione che in corso d opera. Un altro esempio di strategie make-to-order ed engineer-to-order combinate insieme è la costruzione di una grande 14