Manejo Lean de Materiales en la Industria de Baterías
La creciente demanda de baterías de iones de litio, hidruro metálico de níquel, AGM y EFB más eficientes en energía, junto con los cambios en su diseño, está impulsando a los fabricantes de baterías a adoptar la manufactura esbelta y un manejo de materiales más eficiente.
Ya sea por el aumento en la demanda de vehículos eléctricos (EV) e híbridos enchufables (PHEV), el crecimiento de la electrónica de consumo portátil y los dispositivos móviles, o el impulso imparable hacia energías verdes y renovables, además de numerosos incentivos gubernamentales y créditos fiscales a nivel mundial, la innovación y el crecimiento en la industria de baterías están en su punto más alto.
Tabla de Contenido
1. Introducción al Lean en la Fabricación de Baterías
Las tendencias en la fabricación de baterías pueden describirse mejor como un estado de cambio constante. El cambio es la norma, y la escalabilidad tanto en el diseño como en la producción de baterías es clave para el éxito.
Para los fabricantes de baterías, esto significa adaptarse a diseños que cambian rápidamente, impulsados por la necesidad de una mayor eficiencia energética, mejor calidad y mayor seguridad para el consumidor. Con este cambio constante, surge la necesidad de adoptar metodologías probadas de manufactura esbelta (lean manufacturing).
Ya sea mediante la gestión de la cadena de suministro Justo a Tiempo (JIT), sistemas de inventario Pull, las mejores prácticas de Kaizen o el método 5S (Clasificar, Ordenar, Limpiar, Estandarizar y Sostener), todos estos enfoques son esenciales para aumentar el rendimiento de producción, reducir costos, eliminar desperdicios y disminuir las tasas de defectos en baterías.
Lamentablemente, adoptar manufactura esbelta no es suficiente. Aplicar procesos de mejora continua tampoco lo es. Se necesita más. Por eso, los fabricantes de baterías actuales deben extender su mentalidad lean a cómo manipulan, almacenan, trasladan y utilizan los materiales.
2. Fabricación y Ensamblaje de Baterías para Vehículos Eléctricos (EV)
La fabricación de baterías para vehículos eléctricos —especialmente las de iones de litio— se divide en cuatro etapas secuenciales dentro de una línea de ensamblaje. A lo largo de estas etapas, el manejo seguro de las baterías es prioritario para garantizar la seguridad de los trabajadores y la calidad del paquete final.
Fabricación de Electrodos
La primera etapa en una línea de ensamblaje de baterías para EV es la fabricación de electrodos. Este paso implica producir el ánodo y el cátodo de la batería, los cuales se recubren y prensan mediante rodillos (calandrado) antes de ser divididos.
Ensamblaje de Celdas
La segunda etapa del proceso consiste en el ensamblaje de celdas, donde la batería se ranura, se apilan las capas y luego se sueldan las pestañas.
Finalización de Celdas
El tercer paso es la finalización de celdas. Aquí es donde los ánodos y cátodos se colocan dentro de un recipiente metálico sellado, se secan al vacío y luego se introduce el electrolito. La batería debe estar a temperatura ambiente para permitir que el electrolito penetre adecuadamente. Este compuesto permite que los iones se muevan libremente entre ánodos y cátodos dentro del recipiente. El proceso de desgasificación es el paso final de esta etapa.
Producción del Paquete
La cuarta y última etapa es la producción del paquete. Todas las baterías pasan por un proceso de “envejecimiento”, que implica cargas y descargas repetidas. Varias celdas se agrupan en módulos, y estos módulos se ensamblan en paquetes de baterías. Finalmente, se agregan las placas de enfriamiento, la carcasa y los conectores para completar el paquete de batería.
Problemas Comunes
El proceso de fabricación de baterías para vehículos eléctricos implica múltiples procesos individuales y etapas de ensamblaje. La precisión extrema en la manipulación, traslado, almacenamiento, uso y ensamblaje de materiales es fundamental. Los cambios frecuentes en el diseño son comunes, y siempre se debe dar prioridad al manejo de componentes pesados y a la seguridad de los técnicos y ensambladores.
Línea de Ensamblaje de Baterías para Vehículos Eléctricos
Un tema común a lo largo de una línea de ensamblaje de baterías para vehículos eléctricos es cómo el ensamblaje final —el paquete de batería— crece constantemente en tamaño y complejidad. Esta complejidad aumenta tanto en los procesos de ensamblaje y prueba, como en las dimensiones y tamaño general del paquete terminado.
Desde la combinación del cátodo y el ánodo, el recubrimiento y calandrado, el ranurado, el envejecimiento de las baterías y el ensamblaje de módulos, hasta la eventual unión de estos módulos en paquetes de batería aún más grandes, los requisitos de manejo de materiales y ensamblaje se vuelven más exigentes en cada etapa del proceso de fabricación de baterías para vehículos eléctricos.
Con tantos pasos de producción solo para fabricar una batería, antes de combinar múltiples baterías en un módulo y varios módulos en un paquete, se vuelve esencial contar con soluciones lean de manejo de materiales que puedan seguir el ritmo.
- Múltiples tamaños y configuraciones de materiales
- Diversos requerimientos de manejo de materiales
- Numerosos procesos de ensamblaje y pruebas
- Manipulación de subcomponentes/piezas semiterminadas pesadas
- Cambios frecuentes en el diseño
- Preocupaciones constantes por la seguridad
Sistema de Manejo de Materiales Modular y Escalable de Flexpipe
La solución de Flexpipe es ideal para los constantes cambios de materiales y productos en proceso (WIP) que experimentan los paquetes de baterías semiterminados. Este sistema de tubos de acero y uniones permite a los fabricantes de baterías personalizar cualquier estructura de manejo de materiales, estación de trabajo o diseño de célula de trabajo según sus necesidades, y modificarlos cuando lo requieran, sin necesidad de recurrir a contratistas externos.
Para cada etapa del proceso de fabricación de baterías para vehículos eléctricos y en cada paso de la línea de ensamblaje, existe una estructura de manejo de materiales Flexpipe que puede ser cortada, personalizada y adaptada para almacenar, manipular y trasladar ese material o componente.
Desde carritos personalizados para kits, carritos de empuje y carritos tirados conectados a Vehículos Guiados Automáticamente (AGVs), hasta tableros Takt, tableros de instrucciones de 4 paneles y estaciones de manufactura y ensamblaje modulares, escalables y de tamaño personalizado, así como células de trabajo lean completas, todo el equipo necesario para el manejo de materiales y baterías puede fabricarse con Flexpipe.
Gestión de materias primas, productos en proceso (WIP), piezas semiterminadas y terminadas
Carritos para kits
- Gestión de órdenes de trabajo
- Gestión de materias primas
- Fabricados a medida según los requisitos de kitting personalizados
Carritos de empuje
- Gestión y transporte de materiales
- Gestión de piezas en proceso (WIP)
- Personalizados según tamaños de piezas y contenedores
Carritos tirados
- Transporte de materiales a granel en gran volumen
- Transporte de productos terminados al almacén
- Solución rápida para carga y descarga en todo el almacén
Estructuras para Manejo de Materiales en la Línea de Ensamblaje de Baterías para EV
Estantes FIFO de flujo
- Niveles inclinados para facilitar la toma de piezas
- Tope en los niveles para mantener las cajas en su lugar
- Minimiza el desperdicio de movimiento
Carritos personalizados para WIP
- Fabricados a medida para sostener piezas semiterminadas
- Plataforma compatible con ESD que protege las piezas
- Solución durable y de alta resistencia para cualquier tamaño de pieza
Estantes de gravedad para línea de producción
- Minimiza movimientos para la toma de piezas o materiales
- Acceso rápido a piezas y contenedores de material
- Fácil de escalar o modificar
Ubicaciones para Instrucciones e Información de Ensamblaje
Tableros takt de 1 y 2 caras
- Personalizados para un fácil seguimiento de la producción
- Ruedas industriales que permiten una fácil maniobrabilidad
- Tablero esencial para la gestión visual
Tableros de información de cuatro paneles
- Seguimiento de fechas límite
- Resumen de objetivos diarios
- Seguimiento de indicadores clave de desempeño (KPI) y métricas
Tableros para espacios de reunión
- Lluvia de ideas
- Resumen de obstáculos
- Asignación de recursos
Estaciones de trabajo modulares y ergonómicas
Carros de estación de trabajo móviles
- Plataforma compatible con ESD
- Fácil maniobrabilidad con ruedas industriales
- Personalizado según los requisitos de partes y materiales
Estaciones de trabajo fijas y móviles
- Estantería inclinada para facilitar la recuperación de partes
- Panel posterior metálico compatible con ESD para colocación de herramientas
- Plataforma y panel posterior compatibles con ESD
Mesas de trabajo personalizadas
- Superficie nivelada y tamaño fácilmente personalizable
- Amplia área de trabajo
- Ideal para instrucciones de ensamble y desensamble
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3. Baterías para Electrónica de Consumo
La producción de baterías para el consumidor incluye la fabricación de baterías pequeñas individuales que se adaptan fácilmente a dispositivos móviles de mano, consolas de videojuegos, laptops, tabletas y otros productos electrónicos de consumo. Sin embargo, el proceso no es menos complejo.
Proceso de Producción de Baterías para el Consumidor
La producción de baterías para el consumidor implica tres etapas: fabricación de electrodos, ensamblaje de celdas y acabado.
Fabricación de Electrodos
En la fabricación de electrodos, las materias primas (níquel, cobalto, etc.) pasan por un proceso de síntesis química antes de que la mezcla (slurry) sea recubierta sobre láminas metálicas. Estas láminas luego se secan y se enrollan (calandrado). Una vez finalizado este proceso, los rollos se cortan al tamaño específico requerido para la batería en cuestión.
Ensamblaje de Celdas
Durante el ensamblaje de celdas, los electrodos y separadores se colocan dentro de una lata o carcasa metálica antes de ser laminados. Después, se introducen los electrolitos.
Acabado
En la etapa de acabado, el objetivo es activar los electrolitos para iniciar una interfaz sólida de electrolito (SEI, por sus siglas en inglés). La batería se carga y se forma la interfaz en el ánodo.
Problemas Comunes
Al igual que la fabricación de baterías para vehículos eléctricos, la producción de baterías de pequeño formato presenta varios desafíos para los fabricantes. En primer lugar, no solo los diseños cambian constantemente, sino que también el volumen y la variedad de tipos de baterías para el consumidor están en constante aumento.
En segundo lugar, la producción de baterías de consumo requiere continuamente baterías más nuevas, de menor tamaño, más potentes y de mayor duración.
En tercer lugar, debido al cambio constante en las preferencias del consumidor, los fabricantes de baterías deben producir grandes volúmenes con tiempos de entrega cortos, lo que significa que los requisitos para el empaquetado, almacenamiento y manejo de baterías están en constante evolución.
- Materiales de alta mezcla y alto volumen
- Tipos de baterías de alta mezcla y alto volumen
- Cambios constantes en el diseño
- Tiempos de respuesta rápidos
- Mejoras constantes en la eficiencia energética
- Demanda de baterías de tamaño reducido
- Fabricación compatible con ESD
Compatibilidad ESD en la Producción de Baterías
Comprende la importancia crítica de la protección contra descargas electrostáticas en entornos de fabricación de baterías.
Soluciones de Manejo de Materiales Flexpipe
El sistema Flexpipe ofrece numerosas soluciones compatibles con ESD para fabricantes de baterías de pequeño formato. Desde carros y estaciones de trabajo ESD para ensamblaje electrónico hasta estaciones de empaquetado de baterías, todo se puede construir con Flexpipe.
Ya sea estaciones de trabajo compatibles con ESD con superficies adecuadas para ensamblaje y manejo de partes, o carros WIP personalizados y carros de empuje compatibles con ESD para mover partes y materiales semiterminados, la solución Flexpipe permite un nivel máximo de personalización.
Las superficies de trabajo compatibles con ESD son esenciales en la producción de electrónica y baterías de consumo, tanto para la seguridad del personal como para la calidad del producto terminado. Las superficies ESD ayudan a reducir las tasas de rechazo de baterías y garantizan una superficie segura para el ensamblaje y el manejo de partes.
Además de estaciones de trabajo seguras contra ESD, los fabricantes de baterías necesitan estanterías de flujo móviles y compactas para manejar materiales cada vez más reducidos. Con Flexpipe, las estanterías de flujo móviles pueden combinarse con carros ESD para ensamblaje electrónico, asegurando que cada estación de trabajo tenga un suministro constante de piezas y materiales críticos.
Con la solución Flexpipe, las estanterías de flujo móviles pequeñas y las unidades modulares pueden personalizarse según el tamaño de las cajas de materiales, garantizando un uso óptimo del espacio de inventario. Gracias a estaciones de trabajo de producción personalizadas y carros de empaquetado de baterías, cada paso crítico del proceso está cubierto con Flexpipe.
4. Almacenamiento de Energía Estacionario
Los sistemas de baterías estacionarias son sistemas de baterías a gran escala y en ubicaciones fijas que almacenan altos volúmenes de energía eléctrica. Ya sea para mejorar la estabilidad de la red eléctrica o para alimentar maquinaria y equipos en sitio, estos sistemas de baterías de gran tamaño y ubicación fija rara vez, si es que alguna vez, se mueven.
Componentes de Baterías Estacionarias en Ubicaciones Fijas
Varios componentes intervienen en la fabricación de sistemas de baterías estacionarias. Primero, la batería en sí suele ser de ion de litio, hidruro metálico de níquel, plomo-ácido o de óxido de litio-cobalto.
En segundo lugar, todas las baterías estacionarias incluyen sistemas de control integrados que brindan al personal en sitio acceso a los niveles de carga y almacenamiento de energía. Estos sistemas también proporcionan gestión térmica y gestión de energía esenciales, lo que permite a los operadores manejar de forma segura la distribución de energía y el calor generado por la batería del sistema.
En tercer lugar, dado que los sistemas de baterías en ubicaciones fijas generan corriente directa (DC), los inversores bidireccionales son esenciales para convertir esta corriente directa en corriente alterna (AC).
Soluciones de Manejo de Materiales Flexpipe
Para los fabricantes de sistemas de baterías estacionarias, la resistencia de la estructura de manejo de materiales y de las estaciones de trabajo, así como la capacidad de adaptarse rápidamente a cambios en el proceso de fabricación, es fundamental. También es importante que estas estructuras sean duraderas, resistentes a impactos y siempre seguras.
Flexpipe cumple con todos estos criterios y más.
Con Flexpipe, los fabricantes de sistemas de baterías estacionarias pueden personalizar estanterías de flujo modulares de alta resistencia y sistemas transportadores según sus necesidades. Desde estanterías de flujo modulares independientes para distintos tamaños de materiales hasta estructuras de transportadores móviles, todo puede ser diseñado, ensamblado, modificado o ajustado internamente.
Dado el tamaño de los sistemas de baterías estacionarias actuales, contar con carros de transporte e instalación móviles, personalizados, de gran tamaño y alta resistencia es esencial. Ya sea que se necesiten carros robustos para manejar envíos del tamaño de tarimas o superficies más suaves para ensamblajes integrados más grandes, todo, desde los tubos de acero y las uniones hasta el material de la plataforma y las ruedas industriales, proviene de Flexpipe.
5. Herramientas y Soluciones Esenciales de Manejo de Materiales Lean
Ya sea para la fabricación de paquetes de baterías de ion de litio para vehículos eléctricos, baterías de pequeño formato para productos de consumo o sistemas de baterías estacionarias, adoptar la manufactura esbelta (lean manufacturing) es fundamental.
Aunque el sistema Flexpipe es una herramienta lean, existen muchas otras. Adoptar todos los principios lean junto con metodologías de mejora continua permite a los fabricantes de baterías controlar costos, eliminar desperdicios, garantizar la seguridad y mejorar la calidad, al mismo tiempo que escalan la producción según sea necesario.
Metodología 5S
5S significa: Seleccionar, Ordenar, Limpiar, Estandarizar y Sostener. Es un pilar en los entornos de manufactura esbelta. En la fabricación de baterías, 5S garantiza la limpieza de cada estación de trabajo, ayudando a mejorar el flujo de trabajo y a reducir errores humanos.
Con Flexpipe, construir, modificar y mantener estaciones de trabajo 5S es sencillo. El sistema permite una personalización total, con la flexibilidad de realizar cambios en cualquier momento.
Gestión de Inventario Justo a Tiempo (JIT)
Con la gestión de inventario Justo a Tiempo (JIT), el enfoque es eliminar los factores de costo más comunes del inventario del fabricante, asegurando al mismo tiempo un suministro constante de inventario disponible. Se enfoca en eliminar todas las formas de desperdicio relacionadas con el inventario para garantizar un suministro fluido e ininterrumpido de piezas y materiales.
Logística con Sistema Pull
Con un sistema pull (tirar), la demanda del cliente y del mercado impulsa la logística del inventario y la cadena de suministro. A diferencia del sistema push (empujar), en el que las empresas impulsan productos al mercado con base en proyecciones, el sistema pull reacciona de acuerdo con las condiciones cambiantes del mercado y del cliente.
En un sistema push, el exceso de inventario y el desperdicio son comunes, ya que se basa en una demanda proyectada. Con un sistema pull, este tipo de desperdicio no ocurre.
Con los sistemas pull, la logística de inventario y cadena de suministro se optimiza para adaptarse a las necesidades del cliente en tiempo real. A medida que la demanda disminuye, los niveles de inventario bajan y se reducen los costos. Cuando la demanda aumenta, el uso de materias primas y partes incrementa y se maximiza la eficiencia de producción.
Los fabricantes de baterías que adoptan sistemas pull mantienen una mejor comunicación con sus clientes y tienen una comprensión más precisa de la demanda del mercado.
Gestión Visual
Los marcadores y carteles visuales de seguridad aseguran que los empleados de producción estén siempre alertas ante posibles riesgos. La gestión visual también es fundamental para garantizar el cumplimiento en toda la planta. Desde limitar errores humanos y asegurar la seguridad hasta mejorar la comunicación y transmitir objetivos y metas, adoptar la gestión visual es una parte crítica de cualquier entorno lean.
Ergonomía
La ergonomía es esencial para reducir accidentes laborales y lesiones musculoesqueléticas. Menos accidentes laborales significan menor ausentismo y mayor productividad. Con la solución Flexpipe, las estaciones y superficies de trabajo ergonómicas pueden adaptarse para limitar esfuerzos excesivos de levantamiento, arrastre y empuje, ayudando a reducir la cantidad de accidentes en la planta.
6. Superando Desafíos Comunes con Estructuras de Manejo de Materiales Fijas o Soldadas
Las mesas de trabajo soldadas y los carros, carritos, estanterías de flujo y mesas de trabajo para manejo de materiales no pueden ser modificados o ajustados internamente. No se pueden ajustar ni escalar, lo que hace imposible la flexibilidad en la distribución de plantas de baterías. Las mesas soldadas son estructuras fijas que ocupan el mismo espacio sin importar cómo cambien las necesidades y diseños de producción de baterías.
Las soluciones modulares de manejo de materiales Flexpipe son todo lo contrario y la solución perfecta para estos desafíos comunes en la fabricación de baterías.
Cambio Rápido
Las soluciones modulares de manejo de materiales Flexpipe permiten cambios fáciles para adaptarse a los diseños de baterías en constante evolución. Con diferentes materiales y dimensiones, los equipos de producción pueden ajustar cualquier carro, carrito, estantería de flujo o superficie de trabajo Flexpipe para acomodar nuevos tamaños de cajas, piezas en proceso (WIP) y productos terminados.
Todos los cambios pueden realizarse internamente, a diferencia de las estructuras soldadas que deben ser enviadas a contratistas fuera de la planta. Cortar los tubos de acero es sencillo, lo que hace que los cambios en las estructuras sean rápidos y sin complicaciones.
Modular y Escalable
El sistema Flexpipe es la personificación de la escalabilidad y flexibilidad. Cualquier estructura de manejo de materiales, estación de trabajo o célula de trabajo lean puede ser modificada para adaptarse a cambios en el diseño de piezas de baterías, requisitos de manejo de materiales, volúmenes y procesos de ensamblaje.
Bajo Costo
Las mesas de trabajo, estaciones, estanterías de flujo, carros y carritos fijos y soldados son costosos. Cambiarlos o modificar estas estructuras soldadas es aún más caro. Flexpipe no lo es.
Flexpipe empodera a los técnicos de línea, gerentes de producción de baterías y empleados de producción para que tomen el control de sus requerimientos de manejo de materiales con una alternativa de bajo costo.
Solución duradera y de alta resistencia
Los tubos de acero Flexpipe son tubos de acero estirado en frío que son increíblemente duraderos y resistentes a impactos, además de tener una resistencia excepcional. El acero estirado en frío ha pasado por un tratamiento térmico y enfriamiento para aumentar su resistencia y durabilidad.
Disponibles en varios colores para apoyar cualquier proceso de gestión visual, los tubos de acero Flexpipe están recubiertos con una capa de polietileno termoplástico que proporciona una resistencia superior a impactos y excelente protección contra marcas y rasguños.
Ergonomía y Seguridad Perfectas
Estaciones de trabajo limpias, seguras, ergonómicas y compatibles con 5S son sinónimo del sistema Flexpipe. Desde estaciones de trabajo personalizadas y con tamaño adecuado para requerimientos específicos de ensamblaje de piezas, hasta el uso de cajones deslizables con espuma Kaizen para la colocación de herramientas y piezas, todo en una estación Flexpipe es lean.
7. Estudios de Caso: Aplicaciones en el Mundo Real
Por qué el fabricante adoptó el sistema de manejo de materiales Flexpipe de tubos y uniones de acero
Deseando adoptar un sistema de producción lineal, este fabricante utilizó Flexpipe para ajustarse mejor a los cambiantes requerimientos de la línea de producción. El flujo de trabajo mejoró, se minimizaron los retrasos, aumentó la productividad y los tiempos de capacitación de nuevos empleados se redujeron considerablemente.
Fabricante reduce costos de estaciones de trabajo y estructuras de manejo de materiales en más del 40%.
Cansado de comprar estaciones de trabajo soldadas extremadamente costosas, este fabricante utilizó el sistema de tubos y uniones de acero Flexpipe para rediseñar toda su planta. Desde ahorrar más de $740 por estación de trabajo hasta usar Flexpipe para crear estaciones y células de trabajo lean, este fabricante ha construido más de 700 estaciones de trabajo lean, personalizadas y hechas a medida con Flexpipe, así como células de trabajo lean y estructuras de manejo de materiales.
8. Tendencias futuras en la fabricación lean de baterías
El futuro de la fabricación de baterías es muy prometedor. Se espera que el crecimiento de la industria global de baterías alcance una tasa compuesta anual (CAGR) cercana al 20% entre 2024 y 2030. Esto significa mayores requerimientos para baterías, módulos y paquetes de baterías más pequeños y eficientes.
Con esta creciente demanda global, la necesidad de integrar completamente las filosofías lean y la mejora continua para fabricantes de baterías será aún más importante. La demanda futura implica que las plantas de producción con cumplimiento ESD y ambientes de sala limpia se volverán la norma.
9. Puntos clave
Adoptar Lean y Mejora Continua es imprescindible
Adoptar las mejores prácticas de manufactura lean y mejora continua es esencial para los fabricantes de baterías para reducir costos, disminuir desperdicios y tasas de defectos, mientras aumentan el rendimiento de producción y la seguridad de los trabajadores.
Lean y Flexpipe para manejo de materiales son lo mismo
Las soluciones modulares de manejo de materiales como Flexpipe son la herramienta lean perfecta para que los fabricantes de baterías se adapten rápidamente a los cambios en el mercado y la demanda del cliente. Desde la reducción de costos y mejora del flujo de trabajo hasta proporcionar una solución más ergonómica y segura, Flexpipe mejora la eficiencia.
Fabricantes globales adoptando Lean
Fabricantes en todo el mundo están adoptando enfoques de manufactura lean y mejora continua. Desde aeroespacial, automotriz y electrónica hasta hidráulica, alta tecnología y fabricación de baterías para vehículos eléctricos, la presión por reducir costos y desperdicios hace que adoptar lean sea crucial para asegurar el futuro de la empresa.
10. Sobre Flexpipe y 80/20 Solutions
Las soluciones para la industria de baterías de Flexpipe permiten a fabricantes globales adoptar filosofías lean y metodologías de mejora continua. Los sistemas modulares de tubos y uniones “construye como quieras” que ofrece Flexpipe ayudan a reducir costos de manejo de materiales, mejorar el flujo de trabajo, disminuir desperdicios y aumentar la productividad, a la vez que proporcionan un ambiente de trabajo más seguro y limpio.
Cuando se integran con las soluciones de aluminio T-Slot, Quick Frame® y Ready Tube® de 80/20, los fabricantes de baterías pueden transformar sin esfuerzo su planta, aumentar la producción y reducir aún más los costos.
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