Manufacturing Process

Manufacturing Process

학습 목표 • 제조 프로세스의 유형 및 각각의 장단점은 무엇인가? • 제조 프로세스의 유형을 선택할 때 고려해야 하는 요소들은 어떤 것들이 있는가? • 제조 프로세스의 유형별로 설비 배치는 어떻게 해야 하는가?

목차 • 제조 프로세스 유형 • 프로세스 비교 • 프로세스의 선택

제조 프로세스의 유형 • 제조 프로세스의 분류(Process Flow Structures) • Continuous Process • 매우 대량의 표준화된 제품을 끊이지 않고 연속해서 생산 • 정유, 화학, 제지, 음료, 전기 등 속성상 나눌 수 없는 것들이 대부분임 • Flow Shop • 대량의 표준화된 제품을 생산, 단위 제품 • 자동차 조립, 전자 제품 조립 등 • Job Shop • 다양한 종류의 제품을 소량 단위로 생산 • 공작 기계, 주문형 PCB 생산 등 • Cellular Production • 유사한 특징을 갖는 제품들을 셀(Cell) 단위로 묶어서 생산 • Project Operations • 고객 주문에 따라 규모가 큰 단일한 제품을 일정 기간 동안 생산 • 토목 공사, 항공기/선박 제조 등 Note: 하나의 공장내에 두 개 이상의 프로세스 유형이 존재하는 경우가 일반적임 예) 맥주 공장: 맥주 제조(연속 공정) + Bottling (Flow Shop)

Continuous Process • 특징 • Fluid-type input material: 원유, 밀, 우유, 목재 등 • 높은 수준의 자동화, 전용 설비의 사용, 공정간 정밀한 타이밍 조절이 중요  개별 장비 및 전체 프로세스의 초기 setup이 매우 복잡하고 중요함. • 장비 위주의 생산, 인력 사용은 최소  매우 높은 고정 비용, 변동 비용은 주로 원자재 비용이며 인건비의 비중이 매우 낮음. • 고정비용이 매우 높으므로 중단하지 않고 운영  대부분 24시간 가동. Note: 1. Continuous process의 선택 여부는 대부분 제품의 특징에 따라 결정됨 2. 프로세스의 정지 및 재가동 비용이 매우 높음  운영 관리의 핵심은 연속적인 생산의 보장

Flow Shop • 특징 • Continuous process와 유사하게 대량의 표준화된 제품 생산에 적합하나 제품이 개별 단위로 구분이 가능(Discrete product/service) • 자동화된 전용 장비(Special purpose equipments) 사용 • 거의 동일한 제품을 거의 동일한 공정을 통해 생산  Fixed input, Fixed throughput time, Fixed output • 비용구조: 높은 고정비용(전용 장비), 낮은 변동비용  소수의 표준화된 제품의 대량 생산에 적합 부품 자재 완제품 작업장 1 작업장 2 작업장 3 작업장 4

Flow Shop • 장점 • 규모의 경제성: 대량 생산에 의한 낮은 제품 단가, 대량 구매 할인  Cost Efficiency • 표준화 • 공정의 표준화: 일정한 작업 시간, 낮은 수준의 WIP • 자재/부품 표준화: 자재 구매/발주/재고 관리 용이 • 관리의 용이성 • 인력: 비숙련 노동자, 소수의 관리자 • 공간 활용: 자재/부품의 이동을 위한 공간 소요가 적음(Conveyor belt등 사용) • 단점 • Low Flexibility: 낮은 제품 다양성/낮은 Volume 유연성 • 단순 작업의 반복: 작업자의 지루함 유발, 능력 개발이 어려움 • Incentive 체계 도입의 어려움: 작업 시간 및 작업량이 고정되어 있으므로 성과에 따른 차등 성과급 체계 도입이 어려움 • 이상 상황 발생시 라인 전체의 작업 중단: 단일 장비 또는 컨베이어의 고장, 자재 부족 등이 발생할 경우 전체 라인의 중단 • 부품/작업의 표준화 및 작업량의 balancing이 필수적임

Flow Shop • 설비 배치: Product Layout  개별 제품/서비스 단위로 조직화 • 작업장간의 작업량의 균등 배분이 중요  Line Balancing Problem 12 11 9 F 1일 생산량: 500대 1일 작업시간: 7시간(420분)  Cycle Time =(60초X420분)/500대=50.4초 최소 작업장수 = 195초(총작업시간)/50.4 = 3.87  4개 B C 45 8 9 A G J K 12 15 12 D E H 12 50 I 12 11 9 F B C 45 A 9 8 G J K 12 15 12 효율성 = 195/(5*50.4) = 0.77 (실제 소요 Cycle time 대비 작업장의 유휴 시간이 발생) D E H 12 50 I

Job Shop • 특징 • 서로 다른 공정들을 필요로 하는 다양한 제품을 소량 단위로 생산 • 인력 및 장비를 기능에 따라 그룹화  기능별 조직 • 작업 순서를 변경하면서 다양한 종류의 제품 생산이 가능  제품 종류별로 다양한 경로가 존재 • 비용구조: 비교적 낮은 고정비용(범용장비), 높은 변동비용(숙련노동자)  다양한 종류의 제품을 소량 단위로 생산할 때 적합, 고객 주문에 따른 customization 가능

Job Shop • 장점 • High Flexibility: 제품 다양성, Customization 가능 • 범용장비(General purpose equipments) 사용: 낮은 고정 비용, 낮은 설치/유지 비용 • 기능별 조직: 특수 작업의 집중화 가능 • 특별한 기술을 보유한 작업자, 특수 장비의 집중화  높은 수준의 utilization • 위험한 작업, 소음이 심한 작업, 특별한 환경을 요구하는 작업의 분리 배치(방음, clean room 등) • 동기 유발 및 자기 개발 • 유사한 기술 보유자들을 그룹화  지식/기술 공유 • 성과에 따른 차등 성과급제 도입 가능 • 단일 장비 고장에 따른 영향이 적음: 재고 활용, 범용 장비 대체 가능 • 단점 • 높은 변동 비용: 범용 장비의 사용, 숙련공 필요  높은 제품 단가 • 높은 수준의 재고: 다양한 종류의 원자재, 많은 WIP  긴 대기 시간 • 공간 활용 및 이동 수단: 부서간 이동을 위한 별도의 장비 필요  공간 소요 증가(+ 재고보관) • 관리의 어려움: 다양한 제품들이 다양한 경로로 이동되면서 생산되므로 각 제품별 작업 현황의 파악이 어렵고 완성 시점의 예측도 어려움

Job Shop • 설비 배치: Process Layout  공정 단위로 조직화 • Job shop의 설비 배치 문제는 매우 복잡함 • 일반적으로 부서간 이동 물량이 가장 적도록 배치 • 그러나, 생산하는 제품의 종류가 시간에 따라 변화하므로 정확하게 부서간의 이동 물량을 산출하기가 매우 어려움  과거의 평균 데이터 및 예측값 활용

Cellular Production • 특징 • Job shop의 특별한 형태로 Flow shop의 장점을 도입 • 제품들을 유사한 작업 프로세스를 갖는 그룹 단위(Part Family)로 묶어서 생산  Group Technology, Cell 형성

Cellular Production • 장점 • Job shop의 Flexibility와 Flow shop의 비용 효율성을 모두 가지나 제한적임 • 장비를 특정 제품 그룹별로 배치  Job shop 대비 유연성 감소 • 제품당 Volume이 Flow shop보다 작음  Flow shop 수준의 규모의 경제 달성 불가 • Setup Time 감소: 유사한 제품을 생산하므로 setup time이 크게 감소 • 단위 시간당 제품 생산량 증가 • Batch size 감소 가능  Mix 유연성 증가, WIP 감소, Lead time 감소, 수요예측의 정확도 증가 • 관리의 용이성 증가: 제품이 한 셀에서 생산되므로 생산 통제 용이, 작업자의 책임감 제고 • Teamwork: 한 셀에서 제품 생산을 책임지므로 팀워크 제고 가능 • 이동 물량 및 시간 감소 • 단점 • Job shop과 Flow shop의 단점을 모두 가지나 제한적임 • 특정 제품 그룹의 수요가 감소하는 경우 셀의 재배치 또는 폐지 필요 • Volume이 작으므로 Flow shop과 같은 전용 장비의 도입이 경제적이지 못함 • Job shop보다 제한된 Customization

Process 선택: Volume – Variety Trade-off Source: Operations Management for MBAs 3rd, Meredith

Process 선택: Product Lifecycle Source: Operations Management for MBAs 3rd, Meredith

Appendix 1: Break-Even Analysis • 장비 선택 • 부품 자체생산 (NC기계, Machining Center) vs. 외부 구입 • outsourcing: $200/개 • NC기계를 이용한 내부적 생산: 변동비-$75/개, 고정비-$80,000 • Machining Center: 변동비-$15/개, 고정비-$200,000 비용 (단위:$1,000) outsourcing NC기계 300 250 Machining Center 200 2,000개 150 100 640개 50 수량 500 1,000 1,500 2,000 2,500

Appendix 2: Labor Content, Cost of Direct Labor • Labor Content = 단위당 실제 노동시간 • 1 단위 생산에 필요한 Labor Content = 13 + 11 + 9 = 33분/단위  각 활동별 유휴시간: 활동 1 = 0분, 활동 2 = 2분, 활동 3 = 4분 • 만일 1시간당 임금이 $12이라면 1단위 생산에 필요한 직접노동비용은? (단 수요는 충분하다고 가정할 것)  1단위 생산에 투입되는 총소요 시간 = 3(명) * 13분 = 39분 (why?)  $12 * 39분/60분 = $7.8/단위 • 만일 Line balancing이 완벽하게 이루어져서 모든 활동에 대해 작업시간이 11분이 된다면?  1단위 생산에 투입되는 총소요 시간 = 3(명) * 11분 = 33분  직접노동비용 = $12 * 33분/60분 = $6.6/단위 Line balancing의 효율을 높이면 직접노동비용이 감소(생산성이 증가) 원자재/부품 완제품 Activity 3 Activity 1 Activity 2 13 minutes 11 minutes 9 minutes

Appendix 3: Flexible Line Layout

Appendix 4: Manufacturing Technologies - Hardware • NC (Numerically Controlled) Machines • Machine Tool (Turn, Drill, Grind, etc) + Computer (기계의 작업 제어) • Machining Center • Automatic Tool Changing + Automatic Part Positioning + Automatic Pallet Changer • Industrial robots • Automated material handling (AMH) systems • Automated Storage and Retrieval Systems (AS/RS) • Automate Guided Vehicle (AGV) • FMS (Flexible Manufacturing Systems)

Useful Websites • 공작기계 메이커 (Machining Center, NC Machine, etc) • 두산인프라코어 공기자동화 사업부: http://mt.doosaninfracore.co.kr/kr/main/ • Mazak (Yamazaki) Corporation: http://www.mazakusa.com/ • 생산 프로세스/단위 공정 • AIM Manufacturing Videos and Virtual Tours: http://manufacturing.stanford.edu/

Short Case: Long thin vs. Short Fat • 주택 담보 대출을 주로 취급하는 은행 지점에 1주일 평균 160명의 고객의 대출 신청이 접수된다. 전체 고객을 1주일(5일*8시간 = 40 시간)안에 모두 서비스하려면 Cycle time은 40/160 = 15분이 된다. 이를 만족시키기 위해 이 은행 지점에서는 다음과 같은 두 가지 대안을 고려하고 있다. • 대안1: 대출 심사 과정을 4 개의 단위 작업(각 소요시간 15분)으로 분할 • 대안2: 4명의 직원에게 전체 작업량을 배분 15분 15분 15분 15분 60분 두 대안은 모두 1시간당 4건의 대출 심사를 처리할 수 있다. 그러면 당신은 어떤 대안을 선택할 것인가?

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