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Fabricación Aditiva (FA) en entornos de Operaciones Internacionales

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Imagen del artículo Fabricación Aditiva (FA) en entornos de Operaciones Internacionales

Gonzalo Santamaría Freire
ISDEFE

INTRODUCCIÓN

 Cuando se produce una avería en un determinado Sistema que requiera una pieza de repuesto para solucionarla, existen diferentes formas de satisfacer esta necesidad: suministro a partir de una compra anticipada, compra directa o fabricación por encargo utilizando diferentes técnicas. Cada una estas alternativas ofrecen ventajas e inconvenientes que se reducen finalmente a dos parámetros: el coste (C) y la disponibilidad operativa (A0). 

El problema a resolver por el planificador logístico es decidir cuál de estas posibilidades es la más eficiente, considerando las necesidades del usuario del Sistema, así como los costes a los que debe hacer frente la Organización. Es decir, debe ser capaz de encontrar el punto óptimo entre las dos variables mencionadas anteriormente (C - A0). 

Este problema complejo, en el mundo de la Defensa y de las operaciones militares lo es aún más, ya que la inoperatividad de un Sistema puede implicar problemas de seguridad u objetivos tácticos/operativos difíciles de cuantificar en términos económicos. 

Por último, las nuevas tecnologías de fabricación, principalmente la FA, abren las puertas a considerar nuevos escenarios logísticos mucho más eficaces y eficientes que los considerados hasta la actualidad. 

OBJETIVOS

 El propósito de este documento es doble: por un lado, definir una metodología que, en un entorno de Operaciones Militares Internacionales, permita evaluar las alternativas de suministro de piezas de repuestos y decidir objetivamente cuál es la opción más eficiente en cada caso. Por otro lado, evaluar la idoneidad del empleo de la tecnología de FA frente a otras estrategias logísticas para dicho suministro. 

CONCEPTOS PREVIOS

 Antes de avanzar en la resolución del problema, es importante definir las variables que influirán en la determinación del método de suministro más eficiente: Disponibilidad Operativa, Tiempo de Suministro, Coste de Suministro Estrategia de Suministro y Coste de Oportunidad. 

  • La disponibilidad operativa (A0) de un Sistema se define como la capacidad de que éste realice una función según las condiciones para las que fue diseñado, medida a lo largo de un intervalo de tiempo dado, bajo las limitaciones impuestas por la red de apoyo del Sistema. 

1 MTBF: Mean Time Between Failure
2 MDT: Mean Down Time

  • El tiempo total de suministro de una pieza de repuesto puede definirse como la diferencia entre la fecha de comunicación de la necesidad por parte del usuario y la fecha de recepción de la pieza en el centro de trabajo responsable de su montaje. Este tiempo incluye el tiempo de procesamiento y análisis de la solicitud, tiempo de adquisición, tiempo de preparación y transporte, diseño y producción, etc. 
  • El coste del suministro es la valoración económica de todas las actividades logísticas necesarias para suministrar una pieza de repuesto. Los principales factores a tener en cuenta son: coste de adquisición, degradación/pérdida de existencias en almacén, obsolescencia, almacenamiento, transporte, fabricación, alquiler o compra de instalaciones, formación, personal, materiales, energía, diseño, etc. 
  • Las estrategias de suministro son las diferentes alternativas para cubrir la demanda de piezas de repuesto, entre las que se incluyen: Distribución de las existencias en stock de almacén, Compras directas, Fabricación centralizada y Fabricación en destino. 
  • El Coste de oportunidad se refiere a los costes generados por la no disponibilidad del repuesto que no son puramente económicos. En el caso del ámbito que nos ocupa, son los relacionados con la seguridad, con el cumplimiento de la misión, etc.

METODOLOGÍA

La metodología a emplear, debe ser capaz de responder a la siguiente pregunta: 

¿Qué es más interesante para el objetivo general de una misión, tener un repuesto en 8 días a un costo de 5.000 Unidades Monetarias (UM) o recibir el mismo componente en 15 días a un costo de 4.000 UM? 

Para responder a esta pregunta se requiere un método que permita valorar este coste de oportunidad y, para ello, traducir el tiempo de espera de una determinada pieza de repuesto (o variación A0) en una cantidad de dinero. 

Teniendo en cuenta las características de un entorno de Operaciones Militares, de todas las estrategias anteriormente mencionadas, las dos únicas dos viables desde el punto de vista operativo son: 

  • Opción 1: Abastecerse de un stock previamente calculado y trasladado a la Zona de Operaciones (ZO) 
  • Opción 2: Aprovisionamiento mediante un proceso de fabricación que se inicia en el momento en que se presenta la necesidad.

Para obtener la relación entre el coste (euros) y la disponibilidad de las piezas de repuesto, Isdefe ha desarrollado una metodología propia basada en el método "Reliability Based Sparing" (RBS) [Optimal Inventory Modeling of Systems. C. Sherbrooke. Springer Science & Business Media, 2006.]que se considera proporciona una relación objetiva y fiable entre estas dos variables. 

Este método obtiene la probabilidad de necesidad de cada repuesto individual ("Expected Back Order" o EBO) a partir del análisis de los datos históricos y, relacionando esta probabilidad con el tiempo de servicio del repuesto, permite estimar el impacto que tendría en el A0 el hecho de tener este repuesto en las estanterías del almacén. 

Sin profundizar demasiado en los principios matemáticos, esta metodología se compone de los siguientes pasos: 

  1. Creación de una muestra suficientemente grande para garantizar la fiabilidad de los datos. Para ello, mediante técnicas de ‘bootstrap’, la muestra se divide en períodos de tiempo iguales al período de suministro y se contabiliza el consumo en cada uno de esos períodos. 
Fig 1. Aplicación Bootstrap a consumo de repuestos

2. A continuación, mediante un contraste estadístico, se analiza qué función de distribución se ajusta mejor al caso de estudio y, una vez determinada esta función, es posible, mediante la aplicación de valores tabulados según esta distribución, calcular el EBO de cada unidad de repuesto. 

  • EBO (1) = 1x Prob (D=2) + 2 x Prob (D=3) + 3 x Prob (D=4) + 4 x Prob (D=5)…. 
  • EBO (2) = 1 x Prob (D=3) + 2 x Prob (D=4) + 3 x Prob (D=5)...
  • EBO (n) = 1 x Prob (D=n+1) + 2 x Prob (D=n+2) + …. 

3. Después, se obtiene la contribución de cada uno de estos repuestos a la disponibilidad operativa de la flota afectada mediante la siguiente relación: 

4. Por último, calculando las contribuciones incrementales a la disponibilidad de cada unidad de repuesto y el coste acumulado de la adquisición de cada una de estas unidades, es posible llegar al gráfico en el que se muestra la relación buscada entre el A0 y el coste. 

Fig 2. Relación Ao - Coste a partir de EBO
Fig 3. Representación Gráfica Ac - Coste para el "Repuesto 1"

Este método, que por su finalidad divulgativa se ha simplificado considerablemente, es la base que se aplica en diferentes Organismos del ámbito de la Defensa para la estimación de las necesidades de piezas de recambio, tanto para calcular las necesidades a adquirir a nivel global como para definir los niveles de utilización de cada una de las Unidades o misiones. El resultado de estos cálculos se materializa en curvas como la que se muestra a continuación: 

Fig 4. Curvas teóricas y reales de A0 vs. Coste para una flota de vehículos de alta movilidad.

Una vez que se dispone de esta relación entre la disponibilidad operativa y el coste de las piezas de repuesto necesarias para garantizarla, es posible evaluar cuánto costaría lograr un aumento de A0 mediante un aumento de las existencias almacenadas (en una Unidad misión), es decir, el "coste de oportunidad" deseado. 

DISEÑO DE EXPERIMENTO

Aunque la metodología definida está muy consolidada a nivel de determinación de necesidades de repuestos, se consideró interesante ponerla a prueba bajo el concepto de coste de oportunidad en un entorno real de Operación. Para ello, y con las premisas de evitar los riesgos que conlleva una misión real, se optó por realizar una prueba de aplicación durante el ejercicio combinado de capacidades logísticas de países de la Unión Europea ‘Combat Logistician 19’ que tuvo lugar en Polonia en junio del año 2019. 

El diseño del experimento se realizó de acuerdo a la siguiente metodología de trabajo: 

Actividades preparatorias

Antes de realizar el experimento, es necesario realizar una serie de actividades previas imprescindibles para la correcta ejecución del mismo. 

Generación de escenarios

Para la realización del experimento, se definieron un total de 8 escenarios con el objetivo de validar la metodología considerando cualquier estrategia de suministro susceptible de ser empleada en un entorno de Operaciones.

En la siguiente figura se puede ver un resumen gráfico de las situaciones y escenarios propuestos: 

Fig 5. Esquema de las opciones de suministro

Datos de entrada

A fin de poder proporcionar un estudio cuyas conclusiones sean fiables, debe disponerse de una amplia variedad de datos validados, relativos tanto al contenedor de fabricación de piezas como al resto de la red logística que interviene en los procesos de suministro de piezas de repuesto. 

Estos datos se pueden agrupar en dos categorías: 

  • Económicos (red de apoyo logístico y del contenedor entre otros) 
  • Logísticos (Tiempos de suministro, Tiempos de adquisición, Tiempos de gestión, etc.) 

Datos de salida

Para cada uno de los escenarios definidos, se evaluaron los valores obtenidos para cada uno de ellos, aplicando en cada caso los siguientes parámetros: 

A. Escenario 1. Suministro desde almacén central en TN

Este escenario se utiliza para validar el potencial de la estrategia que satisface las necesidades de piezas de repuesto con las existencias de los almacenes del TN. 

Los parámetros necesarios para definir este escenario son los siguientes: 

B. Escenario 2. Suministro a partir de compras en TN

Este escenario se utilizará para validar la estrategia de satisfacer las necesidades de piezas de repuesto a partir de las compras en TN, que se llevarán a cabo cuando surja la necesidad. 

Los parámetros necesarios para definir este escenario son los siguientes: 

C. Escenario 3. Suministro a partir de compras en ZO

Este escenario se utiliza para validar la estrategia de satisfacer las necesidades de piezas de repuesto a partir de compras mediante adquisiciones en el ZO (cuando sea posible) y que se llevarán a cabo cuando surja la necesidad. 

Los parámetros que necesarios para definir este escenario son los siguientes: 

D. Escenarios 4 y 5. Suministro de piezas de fabricación centralizada con y sin prediseño.

Con el objetivo de evaluar sobre el terreno las posibilidades que ofrece la fabricación aditiva frente a otras estrategias, se generó una plantilla de fabricación que fue rellenada por todas las partes interesadas. 

Esta plantilla recoge todos los aspectos incluidos dentro del proceso de fabricación real, desde que surge la necesidad de una pieza de recambio hasta que se satisface completamente. 

En este caso, se analizó el escenario en el que la capacidad de fabricación no se encuentra situada en la ZO. La ubicación de este emplazamiento se consideró TN, si bien otra opción podría ser un escalón avanzado reforzado de fabricación más cercano a la ZO. 

Fig 6. Plantilla para la recopilación de información relativa a la FA

La diferencia entre los casos 4 y 5 sólo radica en que los planos de impresión del repuesto estén disponibles o no con antelación, siendo el parámetro afectado el correspondiente a la casilla “Design Time” .

E. Escenarios 6 y 7. Suministro desde la fabricación en el destino.

Estos escenarios son análogos a los escenarios 4 y 5 con la diferencia de que, en estas dos opciones, la fabricación se realiza directamente en ZO. 

La diferencia entre las estrategias 6 y 7 sólo radica en que los planos de impresión del repuesto estén disponibles o no con antelación, siendo el parámetro afectado el correspondiente a la casilla “Design Time”.

F. Escenario 8. Comprobación de la capacidad de reparación en combate. Battle Damage Repair (BDR).

Finalmente, el último caso se decidió probar se refiere a las posibilidades de utilizar la fabricación aditiva con el concepto de BDR. Para ello, durante la duración del ejercicio se fabricaron e instalaron componentes que se fabricaron en un material distinto al original (fabricación en polímero de un componente originalmente metálico) y se probaron sus prestaciones como posible sustituto del componente original mientras se recibe el suministro de éste. 

NOTA: Para los escenarios 6-8, además de valorar los aspectos asociados a la fabricación en sí misma, se aprovechó para valorar otros aspectos asociados al propio despliegue en ZO del contenedor de FA, como son la capacidad de ser transportado (aire o tierra), la ubicación en el teatro de operaciones, las comunicaciones, interoperabilidad, suministros de agua, electricidad, etc.

CONCLUSIONES

  1. La metodología de coste de oportunidad basada en RBS ha proporcionado resultados muy satisfactorios y refleja la realidad con un grado de precisión cercano al 90%. 
  2. La tecnología de FA se considera que tiene un grado de madurez suficiente como para ser integrada en la red logística de Operaciones Militares. 
  3. La capacidad de FA ofrece una fuerte ventaja estratégica frente a otras opciones al reducir notablemente los tiempos de indisponibilidad de los Sistemas desplegados. 
  4. Sin embargo, la estrategia basada en FA debe considerarse como complementaria a otras estrategias logísticas y de fabricación, ya que no siempre resulta la más ventajosa (principalmente para componentes metálicos o cuando no se dispone de planos de fabricación previos).
  5. La capacidad de fabricación en ZO, tanto la aditiva como la sustractiva, debe ser considerada como capacidades compartidas entre los diferentes integrantes de la misión, ya que las mayores ventajas de esta estrategia en cuanto a eficiencia se refieren, aparecen en un entorno colaborativo. 

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