Programación de la producción para la fabricación de baterías (Li-ion)

Esta guía orienta a los planificadores de producción y gerentes de operaciones en la configuración y programación de una línea de producción de baterías Li-ion en Schantt, desde la mezcla de pasta hasta las pruebas y el embalaje de celdas. Construirá un modelo hybrid-flowshop con mezcla batch (lote), recubrimiento continuo, máquinas paralelas en cada etapa y cambios de formato impulsados por la química.

Esta guía sigue una empresa ficticia compuesta basada en investigación industrial sobre la fabricación de baterías de iones de litio; todos los nombres, parámetros y cifras son ilustrativos.

Contexto de la industria

Una línea de producción de baterías Li-ion abarca la preparación de electrodos, el ensamblaje de celdas y el acabado. El proceso comienza con la mezcla de pasta — combinando materiales activos, aglutinantes y disolventes en grandes mezcladores para producir una pasta de electrodo uniforme. La pasta se recubre sobre una lámina metálica, se seca y se calandra para comprimir el electrodo hasta un grosor preciso. La lámina recubierta se corta en tiras más estrechas y se entalla para darles forma, luego se ensambla en celdas mediante bobinado (cilíndricas) o apilado (bolsa) de las capas de electrodo juntas. Las celdas ensambladas se llenan con electrolito, se someten a un protocolo de formación de carga-descarga, se envejecen y, finalmente, se prueban y embalan.

El entorno de producción presenta varias complejidades estructurales. Combina procesamiento batch (lote) y flow (flujo continuo) — la mezcla es una operación discreta por lotes, mientras que cada etapa río abajo opera como un flujo continuo o semicontinuo. Múltiples máquinas paralelas operan en cada etapa, algunas específicas de cada etapa (bobinadoras para celdas cilíndricas, una apiladora para celdas de bolsa) y otras intercambiables. Los cambios de química imponen tiempos de limpieza direccionales que difieren significativamente según el par desde-hasta. Una espera de formación y envejecimiento de varias horas separa el llenado de celdas de las pruebas, y varias etapas comparten una atmósfera de sala seca cuya ventana de mantenimiento trimestral detiene todas las máquinas dentro del recinto.

Celerion emplea aproximadamente a 85 personas en una sola instalación de 2.800 m², produciendo dos clases de producto — celdas cilíndricas NMC (la ruta completa de ocho etapas) y celdas de bolsa LCO sin formación (que omiten la etapa de formación) — en 8 etapas de producción ordenadas. Un equipo de planificación de 3 personas (un planificador, un supervisor de turno y el gerente de planta) gestiona de 8 a 12 SKU activos en cantidades de ejecución típicas de 10.000 a 50.000 celdas por SKU, trabajando sobre pedidos de compra confirmados en un horizonte de 1 a 4 semanas. La planta opera en un calendario de dos turnos, de lunes a viernes, 16 horas de producción al día (06:00–22:00), para una semana laboral de 80 horas, con tres excepciones anuales al calendario y una ventana trimestral de mantenimiento HVAC de la sala seca de 12 horas.

Descripción general del proceso

flowchart LR
  A["Mezcla de pasta"]
  B["Recubrimiento y secado"]
  C[Calandrado]
  D["Corte y entallado"]
  E["Ensamblaje de celdas"]
  F["Llenado de electrolito"]
  G["Formación y envejecimiento"]
  H["Pruebas y embalaje de celdas"]
  A --> B --> C --> D --> E --> F --> G --> H
  F -.-> H

El proceso de fabricación de baterías Li-ion fluye de izquierda a derecha a través de ocho etapas. Una ruta discontinua muestra el camino de omisión de formación para variantes de celdas pre-litiadas (sin formación).

Nota sobre la ruta de omisión. Para las clases de producto que omiten la etapa de formación y envejecimiento — como la variante pre-litiada LCO-pouch-formation-free — el cronograma conecta directamente desde el llenado de electrolito hasta las pruebas y el embalaje de celdas con un breve tiempo de transferencia solo de manipulación, sin pasar por la espera de formación de varias horas.

Desafíos de programación y cómo los maneja Schantt

En una planta típica de baterías Li-ion, el cronograma se define a partir de pedidos de compra confirmados en un horizonte de 1 a 4 semanas. Si su planta se rige por pronósticos o un modelo de fabricación para inventario, la configuración de programación sigue siendo la misma — solo cambia la fuente de entrada. Schantt optimiza para minimizar el tiempo total de producción — el tiempo de finalización general de todos los trabajos programados — programando hacia adelante desde una fecha de inicio seleccionada. Para las ejecuciones de planta que abarcan una semana completa, el horizonte práctico de esta guía es una semana de producción, suficiente para capturar los cambios de química, las esperas de formación y las ventanas de mantenimiento que caracterizan las líneas Li-ion. En el modo Auto, Schantt decide la secuencia de trabajos, las asignaciones de máquinas y el momento exacto. En el modo Semi-Auto, usted establece el orden de producción y el sistema optimiza las asignaciones de máquinas dentro de esa secuencia fija.

Qué maneja bien Schantt

• Producción secuencial multi-etapa. Schantt modela la línea ordenada electrodo-a-embalaje como una secuencia de etapas con tiempos de transferencia. La ruta de cada producto se encadena a través de sus etapas requeridas en orden.

• Etapas multi-máquina con asignación automática. Cada etapa tiene múltiples máquinas paralelas (mezcladores, recubridoras, bobinadoras, estaciones de llenado). En los modos Auto y Semi-Auto, Schantt selecciona qué máquina maneja cada trabajo.

• Flujos mixtos batch y flow. La mezcla de pasta (batch) alimenta el recubrimiento continuo (flow) y luego etapas posteriores — todo en una misma ruta. La simulación gestiona el desabastecimiento con pausas por espera de material y admite transferencias parciales cuando es realista.

• Cambios dependientes de la secuencia. Las duraciones de limpieza por química (vasijas de mezcla, matrices de recubrimiento, tuberías de cabezal de llenado) se modelan como tiempos de cambio direccionales por máquina. El optimizador favorece las secuencias que reducen el tiempo total de cambio.

• Disponibilidad y tiempos de inactividad conscientes del calendario. Los turnos de trabajo, las ventanas de mantenimiento programado, las paradas por regeneración de la sala seca y los festivos se modelan mediante calendarios e inactividades de máquina. Las rutas se sincronizan para evitar períodos no laborables y paradas programadas.

• Ruta por clase con omisión de etapa. Una clase de producto que omite la formación utiliza una ruta que excluye esa etapa, con un tiempo de transferencia puente a través de la omisión.

Cómo maneja Schantt cada desafío

1. Cambios impulsados por la química.

• La planta ejecuta clases de producto NMC y LCO-pouch en equipos compartidos. Un cambio de química en un mezclador puede tomar hasta 4 horas de limpieza (240 minutos de NMC a LCO), mientras que el inverso toma 2,5 horas (150 minutos). Las matrices de recubrimiento toman de 90 a 150 minutos por cambio, y la tubería de las estaciones de llenado toma de 60 a 90 minutos. Con 3 a 4 cambios de química por semana, la planta pierde de 18 a 28 horas de capacidad productiva en cambios.

• Schantt modela los cambios como duraciones direccionales por máquina — usted ingresa cada par desde-hasta en la página de detalle de la máquina (por ejemplo, 240 minutos en Mixer-C de NMC-cylindrical a LCO-pouch-formation-free, y 150 minutos para el inverso). Dado que el tiempo de cambio está incorporado en el inicio de cada operación y, por lo tanto, en el tiempo total de producción, el optimizador favorece naturalmente las secuencias que agrupan trabajos de la misma química, reduciendo el tiempo total dedicado a cambios. En el modo Auto, el sistema reordena los trabajos para encontrar una secuencia con menos cambios; en el modo Semi-Auto, mantiene su orden fijo mientras sigue gestionando el tiempo de cambio mediante las opciones de asignación de máquinas. Usted ingresa las duraciones según sus propias políticas de química — Schantt utiliza los tiempos direccionales que usted proporciona sin derivar ni validar la razón detrás de la asimetría.

2. Desabastecimiento en la interfaz batch-flow.

• La mezcla de pasta opera en modo batch — cada mezclador produce un lote de 200 kg en 170–225 minutos — mientras que la línea de recubrimiento funciona continuamente a 3.000–3.600 celdas por hora. Esta transferencia crea desabastecimientos recurrentes: cuando una línea de recubrimiento agota su búfer actual antes de que el siguiente lote esté listo, la producción se detiene. Los registros de planta muestran de 2 a 4 eventos de desabastecimiento por semana.

• Schantt maneja esto mediante su modelo de flujo mixto batch y flow. Cada etapa se tipifica como batch (mezcla de pasta) o flow (todas las etapas posteriores), y la simulación alimenta cada etapa río abajo desde las finalizaciones de la etapa río arriba utilizando el tiempo de transferencia de 15 minutos entre mezcla y recubrimiento. Cuando la línea de recubrimiento se queda sin material antes de que llegue el siguiente lote, el cronograma inserta una pausa por espera de material — visible en el Gantt como un segmento etiquetado con el motivo al pasar el cursor — para que pueda ver el momento exacto y el impacto de cada evento de desabastecimiento. Las transferencias se sincronizan de forma realista mediante la sincronización en cadena y la configuración de tiempos de transferencia, y usted verifica en el Gantt que los tiempos de inicio río abajo caen dentro de la ventana viable de exposición a la humedad del electrodo.

3. Complejidad en la asignación trabajo-a-máquina.

• Con 18 máquinas en 8 etapas — algunas con una sola máquina (calandrado), otras con tres unidades paralelas (mezcla, corte) o cuatro (ensamblaje de celdas) — el planificador enfrenta de 40 a 60 decisiones individuales de asignación trabajo-a-máquina cada semana. Cada decisión repercute en la capacidad río abajo y en la sincronización de los cambios.

• En los modos Auto y Semi-Auto, Schantt gestiona la asignación de máquinas automáticamente. Cada máquina pertenece a una sola etapa, y el sistema explora qué máquina maneja cada trabajo en cada etapa, restringido a las máquinas capaces de procesar esa clase de producto. El modo Auto explora tanto la secuencia de trabajos como las asignaciones de máquinas conjuntamente; el modo Semi-Auto mantiene su orden fijo y optimiza las asignaciones dentro de él. El Gantt muestra la máquina resultante en la fila de cada operación, y puede agrupar la vista por máquina para ver los carriles de capacidad de cada etapa. Cuando una clase de producto utiliza múltiples máquinas en una etapa — por ejemplo, tres cortadoras para NMC y tres para LCO — se pueden habilitar transferencias parciales en los traspasos críticos: en la interfaz de corte a ensamblaje, configurado con una cantidad de un rollo de electrodo, para que el ensamblaje de celdas comience en la primera porción utilizable mientras el corte continúa.

4. Intervalo de formación que se extiende a través de fines de semana y festivos.

• La etapa de formación y envejecimiento impone una espera programada de aproximadamente 24 horas en cada celda — una combinación de humectación de electrolito, ciclos de formación de carga-descarga y envejecimiento a corto plazo. Debido a que esta espera transcurre en tiempo real, un lote que termina de llenarse el viernes por la tarde no sale de formación hasta el sábado tarde o domingo temprano — horas no laborables — retrasando el inicio de las pruebas hasta el lunes por la mañana. El intervalo efectivo se extiende a aproximadamente 60 horas para un lote del viernes por la tarde.

• Schantt modela la espera de formación como una transferencia temporizada desde el llenado de electrolito hasta las pruebas y el embalaje de celdas — un retardo unidireccional de 1.440 minutos (24 horas) que transcurre de forma continua en lugar de avanzar según el calendario laboral. Para las clases de producto que omiten la formación, una transferencia puente de 30 minutos evita la espera por completo. El cronograma encadena cada etapa subsiguiente para que comience solo después de que la espera se complete, y el tiempo no laborable del fin de semana se muestra como superposiciones sombreadas en el Gantt para que pueda ver exactamente por qué algunas operaciones abarcan varios días calendario. Usted verifica manualmente que los lotes de celdas concurrentes no excedan las posiciones de rack de formación disponibles, ya que Schantt programa el retardo pero no realiza un seguimiento de la ocupación de racks. Las instalaciones que ejecutan un protocolo de envejecimiento de varios días dividen el cronograma en dos grupos — pre-formación y post-formación — para mantener el horizonte de programación manejable.

5. Dependencia compartida de la sala seca.

• Doce máquinas en cinco etapas — recubrimiento y secado, calandrado, corte y entallado, ensamblaje de celdas y llenado de electrolito — operan dentro de un recinto de sala seca. Cuando llega la ventana trimestral de mantenimiento HVAC de la sala seca de 12 horas para la regeneración del desecante y el reemplazo de filtros, cada máquina en el recinto debe detenerse. Introducir esto como un único cierre general de fábrica en el calendario detendría toda la planta, incluidas las etapas fuera de la sala seca.

• En Schantt, usted ingresa la ventana de mantenimiento de 12 horas como una entrada de inactividad individual en cada máquina dentro del recinto de la sala seca: Coater-1, Coater-2, Calender-1, Slitter-1, Slitter-2, Slitter-3, Winder-1, Winder-2, Winder-3, Stacker-1, Fill-1 y Fill-2. El algoritmo enruta el trabajo alrededor del período de indisponibilidad de cada máquina individualmente, mientras deja libres las etapas no afectadas río arriba (mezcla de pasta) y río abajo (pruebas y embalaje de celdas). Las inactividades se muestran como bandas sombreadas en el Gantt con el motivo de mantenimiento visible al pasar el cursor. Usted aplica la misma ventana a cada máquina en lugar de ingresar un único evento propagable.

Qué modelar en Schantt

La planta Celerion se configura a partir de cinco entidades de primera clase, que se crean como objetos de nivel superior:

La subconfiguración adicional — rutas por clase, tiempos de transferencia, cambios, excepciones de calendario e inactividades de máquina — se establece en las páginas de detalle de estas entidades.

Configuración paso a paso

1. Cree las etapas en orden. Agregue ocho etapas desde mezcla de pasta (posición 1) hasta pruebas y embalaje de celdas (posición 8). Configure la mezcla de pasta como tipo batch y todas las demás como flow. En la página de detalle de cada etapa, ingrese los tiempos de transferencia entre etapas consecutivas:

• Mezcla de pasta → Recubrimiento y secado: 15 minutos
• Recubrimiento y secado → Calandrado: 10 minutos
• Calandrado → Corte y entallado: 10 minutos
• Corte y entallado → Ensamblaje de celdas: 15 minutos
• Ensamblaje de celdas → Llenado de electrolito: 10 minutos
• Llenado de electrolito → Formación y envejecimiento: 1.440 minutos (espera de formación de 24 horas)
• Formación y envejecimiento → Pruebas y embalaje de celdas: 30 minutos

Para la ruta de omisión de formación, agregue también una transferencia puente directamente desde el llenado de electrolito hasta las pruebas y el embalaje de celdas: 30 minutos.

2. Agregue las máquinas a cada etapa. Cree las 18 máquinas distribuidas en las ocho etapas:

• Mezcla de pasta: Mixer-C, Mixer-A, Mixer-S (3 mezcladores batch)
• Recubrimiento y secado: Coater-1, Coater-2 (2 recubridoras flow)
• Calandrado: Calender-1 (1 calandra flow)
• Corte y entallado: Slitter-1, Slitter-2, Slitter-3 (3 cortadoras flow)
• Ensamblaje de celdas: Winder-1, Winder-2, Winder-3 (bobinado cilíndrico), Stacker-1 (apilado de bolsa)
• Llenado de electrolito: Fill-1, Fill-2 (2 estaciones de llenado flow)
• Pruebas y embalaje de celdas: Tester-1, Tester-2, Pack-1 (pruebas y embalaje final)

3. Cree las clases de producto y defina la ruta por clase. Agregue dos clases:

• NMC-cylindrical — ruta a través de las 8 etapas en orden
• LCO-pouch-formation-free — ruta a través de las etapas 1–6 y 8, omitiendo formación y envejecimiento

En la página de detalle de cada clase de producto, habilite la transferencia parcial en la etapa de corte y entallado con una cantidad de 1 (un rollo de electrodo). Esto permite que el ensamblaje de celdas comience en la primera porción de electrodo utilizable mientras el corte continúa, reduciendo la ventana de exposición del material.

4. Agregue un producto por clase. Cree dos SKU representativos:

• NMC-18650-2.5Ah (gris) — perteneciente a la clase NMC-cylindrical
• LCO-pouch-1.8Ah (teal) — perteneciente a la clase LCO-pouch-formation-free

5. Configure los parámetros de capacidad y cambios de cada máquina. Una vez creadas las clases de producto, configure los parámetros por clase de cada máquina en su página de detalle:

• Mezcladores batch — duración del ciclo y tamaño de lote:
• Mixer-C: 210 min / 200 kg (NMC), 195 min / 200 kg (LCO)
• Mixer-A: 180 min / 200 kg (NMC), 170 min / 200 kg (LCO)

• Mixer-S: 225 min / 200 kg (NMC), 210 min / 200 kg (LCO)

• Máquinas flow — tasa de producción por hora:

• Coater-1: 3.200 (NMC), 3.600 (LCO); Coater-2: 3.000 (NMC), 3.400 (LCO)
• Calender-1: 3.500 (NMC), 3.800 (LCO)
• Slitter-1: 3.400 (NMC), 3.700 (LCO); Slitter-2: 3.200 (NMC), 3.500 (LCO); Slitter-3: 3.600 (NMC), 3.800 (LCO)
• Winder-1/2/3: 2.400 (solo NMC); Stacker-1: 960 (solo LCO)
• Fill-1: 1.200 (NMC); Fill-2: 960 (LCO)

• Tester-1/2: 800 (ambas clases); Pack-1: 1.600 (ambas clases)

• Tiempos de cambio (direccionales, por máquina):

• Mixer-C y Mixer-S: NMC→LCO 240 min, LCO→NMC 150 min
• Coater-1 y Coater-2: NMC→LCO 150 min, LCO→NMC 90 min
• Slitter-1/2/3: 15 min en ambas direcciones
• Calender-1: 0 min (sin tiempo de cambio entre estas clases)
• Fill-1 y Fill-2: NMC→LCO 90 min, LCO→NMC 60 min

6. Configure calendarios, excepciones e inactividades (opcional). El calendario predeterminado ya está configurado de lunes a viernes, 06:00–22:00, 80 horas semanales. Agregue tres excepciones al calendario: Año Nuevo (1 de enero, no laborable), Día Internacional de los Trabajadores (1 de mayo, no laborable) y cierre de fin de año (31 de diciembre, no laborable). Agregue el mantenimiento trimestral HVAC de la sala seca como una inactividad de 12 horas (06:00–18:00) en cada máquina de la sala seca — Coater-1, Coater-2, Calender-1, Slitter-1 a Slitter-3, Winder-1 a Winder-3, Stacker-1, Fill-1 y Fill-2 — además de una ventana de cierre por transición de fin de año.

Para obtener instrucciones paso a paso sobre cómo configurar cada uno de estos en Schantt, consulte la documentación de Schantt.

Errores comunes

1. Usar un único cambio global en lugar de tiempos direccionales por par. El cambio de NMC a LCO en un mezclador es de 240 minutos, mientras que el inverso es de 150 minutos. Ingresar un único valor promediado representa incorrectamente la penalización real dependiente de la secuencia, haciendo que el optimizador subvalore o sobrevalore transiciones específicas de producto. Solución: Ingrese ambas duraciones direccionales para cada par de máquina — los valores desde-hasta y hasta-desde que se muestran en la tabla de cambios anterior.

2. Modelar la espera de formación como una etapa con máquinas. La formación y el envejecimiento son una espera programada en la que las celdas permanecen en racks durante aproximadamente 24 horas sin actividad de máquina. Crear una máquina de formación asigna una capacidad y una lógica de disponibilidad que no existen físicamente. Solución: Modele la espera como un tiempo de transferencia (1.440 minutos) entre el llenado de electrolito y las pruebas y el embalaje de celdas. Verifique la ocupación de los racks de formación manualmente en el Gantt cuando varios lotes estén en formación simultáneamente.

3. Asignar todo el trabajo de ensamblaje de celdas a las bobinadoras, ignorando la apiladora dedicada. Las celdas cilíndricas utilizan bobinado (Winder-1, Winder-2, Winder-3 a 2.400 celdas por hora), mientras que las celdas de bolsa requieren apilado (Stacker-1 a 960 celdas por hora). Enrutar celdas de bolsa a una bobinadora produce una operación de ensamblaje incorrecta que no coincide con el proceso físico. Solución: Configure cada clase de producto para que se enrute solo a las máquinas previstas para su método de ensamblaje — las bobinadoras manejan solo la clase NMC-cylindrical; Stacker-1 maneja la clase LCO-pouch-formation-free.

4. Omitir la transferencia puente para la ruta de omisión de formación. Sin una transferencia directa desde el llenado de electrolito hasta las pruebas y el embalaje de celdas, la clase LCO-pouch-formation-free no tiene una ruta válida — el cronograma no tiene recorrido desde la última etapa antes de la omisión hasta la primera etapa después de la omisión. Solución: Agregue un tiempo de transferencia puente (30 minutos, solo manipulación) entre el llenado de electrolito y las pruebas y el embalaje de celdas.

5. Ingresar el mantenimiento de la sala seca como una inactividad general de fábrica en lugar de por máquina. Una inactividad general de fábrica detiene todas las etapas, incluida la mezcla de pasta y las pruebas y el embalaje de celdas, que están fuera del recinto de la sala seca y podrían continuar trabajando. Solución: Aplique la ventana de mantenimiento trimestral de 12 horas individualmente a cada máquina en las etapas de la sala seca (recubridoras, calandra, cortadoras, bobinadoras y apiladora, estaciones de llenado). La mezcla de pasta y las pruebas y el embalaje de celdas permanecen disponibles durante la ventana.

Qué aspecto tiene un buen cronograma

Un cronograma de baterías Li-ion bien configurado en Schantt muestra cada clase de química ejecutándose en bloques compactos, las cargas de las máquinas equilibradas entre los recursos paralelos y la espera de formación separando claramente el llenado de las pruebas sin crear restricciones de capacidad ficticias.

Antes (planificador semanal en una hoja de cálculo):
- De 18 a 28 horas de capacidad productiva consumidas por cambios de química cada semana, con los cambios dispersos en el cronograma en lugar de agrupados
- De 2 a 4 eventos de desabastecimiento en la interfaz batch-flow, cada uno requiriendo una reprogramación manual de la línea de recubrimiento a mitad de semana
- De 40 a 60 decisiones manuales de asignación trabajo-a-máquina por parte del planificador, a menudo resultando en asignaciones subóptimas hacia el final de la semana
- Un lote de formación del viernes por la tarde retrasando silenciosamente el inicio de las pruebas hasta el lunes, oculto en la lógica de filas de la hoja de cálculo

Después (modo Auto de Schantt):
- Tiempo de cambio visiblemente reducido — el optimizador secuencia naturalmente los lotes NMC y LCO en ejecuciones contiguas, eliminando cambios de química innecesarios de ida y vuelta
- Desabastecimiento batch-flow predecible — los segmentos de espera de material en el Gantt muestran exactamente dónde y cuándo se detiene la línea de recubrimiento, lo que le permite ajustar la sincronización mezclador-recubridora en el siguiente ciclo del cronograma
- Asignación de máquinas gestionada automáticamente en los 18 recursos paralelos — el planificador revisa las asignaciones en lugar de construirlas desde cero cada semana
- Espera de formación representada como un intervalo temporizado limpio de 24 horas entre el llenado y las pruebas, con el tiempo no laborable del fin de semana mostrado como superposiciones sombreadas — puede ver de un vistazo por qué las pruebas del lunes por la mañana comienzan más tarde para los lotes del viernes por la tarde

Pruébelo en Schantt

Regístrese en Schantt y cargue el conjunto de datos de ejemplo integrado para construir este escenario usted mismo — cada etapa, máquina, clase de producto, producto y calendario de esta guía, con sus rutas, cambios, tiempos de transferencia e inactividades ya configurados, listo para programar. Su configuración y cronogramas permanecen dentro de su cuenta de equipo. Para profundizar en cualquier paso, consulte la documentación de Schantt.