많은 설계하는 분들이 생각보다 DFMEA에 대한 지식이 부족하거나 거의 없는 분들이 많다. 자신이 설계를 하고자 하시는 분들은 꼭 이 DFMEA 고장형태와 영향분석 작성하는 방법은 알아두는 것이 좋을 것이라고 말씀드리고 싶다.
어떤 회사건 특히 자동차업계에서는 이 DFMEA를 작성하지 않는 기업이 없을것이며, 기본역량에 들어가 있는 항목이다. 때문에 이 DFMEA를 작성해봤냐? 못해봤냐는 면접에서 상당한 결과를 초래할 것이다. 그렇기 때문에 자신의 이력서에 DFMEA를 작성해보고 프로젝트를 진행해봤다는 것 만으로도 상당히 좋은 점수를 얻을 수 있다는 소리다.
지금부터 DFMEA에 대한 정의와 작성방법에 대해 알아보고 공부해보도록 하자. 물론 필자는 현업에서 관련된 내용을 교육도 하고 있고, 관리도 하고 있다. 이 글이 많은 분들에게 도움을 드렸으면하며, 현업에서 실질적으로 사용되는 것들은 자료화 하지 못하지만 보고 이해하는데는 도움이 충분히 될 것이라고 생각합니다.
FMEA 정의
1) 제품/공정의 잠재적 고장과 그 고장의 영향을 인식하고 평가
2) 잠재적 고장 발생의 기회를 제거하거나 줄일 수 있는 조치를 파악
3) 전과정을 문서화
이는 고객 만족을 위해 설계 또는 공정이 무엇을 해야 하는가를 정의하는
과정을 보완하는 것이다
- 모든 FMEA는 제품이든 공정이든 설계에 주안점을 둔다
◆ FMEA + (P) ----> (P)FMEA
Potential : 잠재적 (발생할 가능성이 있는)
Failure : 고장 (불량)
Mode : 형태
& : (와)
Effects : 영향
Analysis : 분석
제품 및 공정에서 ①발생할 수 있는 잠재적 고장형태와 그 영향을 인식하여(심각도) ②원인/발생과정을 파악하고(발생빈도) ③검출/관리방법을 평가하여(검출도)
각각 점수화(1~10)한 후 이들의 곱을 위험우선수(RPN, 1 ~ 1000)로 정하며,
높은 위험우선수의 고장유형에 대하여 적절한 대책(시정조치)을 세움으로써,
고장의 위험을 사전에 예방한다는 것을 보장하는 수단임. ==> 설계 품질 보증서
선택과 위험
※ 발생확률 X 중요도(심각도) X 예방가능성_(사전 검출율)
= RPN(Risk Priority Nunber)
FMEA의 실행
1) FMEA는 사후실행이 아니라 사전조치를 의미한다.
2) FMEA 작성의 기본적인 경우
- 경우1 : 새로운 설계, 새로운 기술, 새로운 공정 (범위는 전체)
- 경우2 : 기존의 설계 또는 공정의 변경
(범위는 변경으로 생길 수 있는 상호작용 및 시장에서의 이력)
- 경우3 : 새로운 환경, 장소
(범위는 새로운 장소, 환경에 의한 영향)
FMEA의 종류
QS-9000/ISO-9000의 분류
1) 설계 FMEA (DFMEA)
2) 공정 FMEA (PFMEA)
FMEA의 목적 / 필요성
설계단계에서부터 생산단계에 이르기까지 제품이 의도한대로 기능을 발휘할 것. 인가를 평가하고, 만족하지 못할 때는 개선활동을 통해 고장을 사전에 예방하고자 하는 신뢰성 활동이다. 필요성은 아래와 같다.
● 사외 : ◆ 고객만족(CS) 실현 --- 고객에게 제품의 신뢰성 보장
◆ 고객 및 모기업의 제품/공정의 품질보증 일환 (QS-9000, ISO-9000 )
◆ 발생 가능한 고장유형의 RISK 대비 (PL 소송 등)
● 사내 : ◆ 고장 정보의 DATA BASE --- 기술의 축적 ↔ 회사의 실력
◆ 최적 제품/공정 설계를 위한 고장유형 평가방법
◆ 철저한 설계관리 및 공정관리 방안을 도출하기위한 기본자료
FMEA의 작성
·제품 설계 담당자 또는 공정 설계 담당자 : 작성 을 책임짐
·팀에 의한 작성 : 설계, 시험, 시작, 생산, 품질, 정비, 구매, 업체 전문가 참석
·납품 업체 책임 부품(Black/Gray Box)에 대해서는 업체가 작성 : 설계/공정FMEA
·제조업체 책임 부품(White Box)에 대해서도 업체가 작성 : 공정FMEA
* FMEA 작성 대상
.신규 부품 / 시스템 (법규 / 안전 부품 / 시스템)
.기존 부품 / 시스템의 적용 환경 변화
● ” The FMEA is a Living Document”
- 설계 개념 (Design concept)의 마무리 시점이나 그 이전에 시작하고,
- 변경사항이 발생하거나 제품개발단계를 통하여 추가 정보가 얻어질 때
지속적으로 갱신되고,
- 양산이후의 조치사항을 포함하여 항상 최근의 조치도 반영해야 한다.
FMEA의 도입
설계 FMEA는 잠재적 고장형태와 이에 관련된 원인 및 발생과정 (매커니즘)이 다루어진다는 것을 보장하는 수단임.
• 설계책임이 있는 엔지니어 또는 팀에 의해 사용되어지는 분석적 기법
• 연관된 모든 시스템, 서브 시스템, 구성품, 완제품까지 평가 되어야 함
• FMEA는 가장 가혹한 상태에서 설계될 때의 팀의 생각을 종합한 것임
1) 설계의도 파악
- 설계과정에서 무엇이 수행되기를 기대하고, 무엇이 수행되지 않기를 기대하는 목록
(FMEA를 실시하려 하는 대상 제품의 임무를 확인)
● 설계요구 또는 설계사양서의 파악
● 품질기능 전개(Quality Function Deployment)
- 고객 요구사항을 제품 품질 특성과 연계한다
● 차량요구사항과 관련된 문서의 파악
●과거 품질분제 파악
● 제조/ 조립공정의 요구사항 파악
2) 분석수준 (LEVEL) 결정
- 시스템/하위시스템/구성품의 구성 분석 (Family Tree Sheet)을 수행하여 분석수준 (LEVEL) 설정
- 시스템/하위시스템/구성품의 경계와 분석수준은 수평팀 (CFT) 에서 결정
◆ FMEA 분석 내용
- 각 ITEM간의 연계성과 상호작용
- 각 ITEM의 기능과 고장형태
1) 시스템 FMEA
- 샤시 시스템, 구동 시스템, 내장 시스템등
- 주안점은 다른 시스템과의 연계성(Interface) 및 상호작용(Interaction)이다
2) 하위시스템 FMEA
- 시스템의 하부 집합체로 프론트 서스펜션 서브시스템(샤시시스템의 하부 집합)등
- 주안점은 각 하위시스템간의 연계성 및 상호작용이다
3) 구성품 FMEA
- 하위 시스템을 구성하고 있는 하부 구성품에 주안점을 둔다
1. 시스템: 요구되는 임무를 달성할 수 있는 모든 기능 을 가진 복잡한 제품
2. 서브 시스템: 시스템의 임무를 분담해서 달성할 수 있는 기능을 가진 시스템의 일부
3. 구성품: 시스템, 서브 시스템을 구성하는 단체 또는 결합체
-기능품: 단독으로 범용성있는 독자적 기능을 가진 것
-조립품: 2개 이상의 부품이 접속된 것으로 서브 시스템의 기능을 보완하는 특정의 기능을 가진 것
-부 품: 파괴 하는 것 외에 더 이상 분해 할 수 없는 것으로 설계상 한정된 기능을 가진 것
1) 블록 다이어그램(Block Diagram) 분석
- 설계 FMEA는 분석되어야 할 시스템, 서브 시스템 및 구성품에 대한 블록 다이어그램분석에서 부터 시작된다.
- 다이어그램의 사본은 FMEA와 함께 보관되어야 할 것이다.
● 기능별 블록 다이어그램
- 시스템/하위시스템/구성품의 기능 이해 (Input / Function / Output)
● 신뢰성 블록 다이어그램
- 제품 기능의 신뢰성에 대한부품의 구성과 영향도 이해
2) PART LIST (BOM, EPL) 작성
- 모든 구성 부품을 파악하여 DFMEA 작성시 반영 (주요제품특성 포함)
3) 고장유형의 파악
- 부품별 고장유형에 대한 매트릭스 작성
4) Fault Tree Analysis 실시
- 고장유형에 대한 고장원인 관계도 작성
신뢰성 블록다이어그램
설계 FMEA의 전개_(설계 FMEA FORM 작성요령)
1) FMEA의 번호 : 문서추적을 위해 사용
2) 시스템, 하위시스템 또는 구성품의 이름과 번호
3) 설계책임 : 설계 책임 부서명 기입, 알고 있다면 공급자 이름기입
4) 작 성 자 : 작성 책임자 이름, 전화번호, 회사명 기입
5) 모델년도 / 차종
6) 완료예정일 : 계획된 양산도면 배포일을 초과하지 않는 초기의 FMEA 완료예정일
7) FMEA 최초 작성일/ 최근 개정일 : 개정에 대한 이력표현 필요
8) 핵 심 팀 : 팀원의 이름과 부서 기입
9) 항목(ITEM)/기능
● 분석하고자 하는 항목의 이름과 번호를 기입
● 설계의도에 맞게 분석하고자 하는 부품의 기능을 간단 명료하게 기입
● 시스템 작동에 관련된 환경 정보 포함 (온도, 압력, 습도의 범위, 설계수명)
● 서로 다른 고장형태의 한가지 이상의 기능을 가진다면 → 모든 기능을 분리하여 나열
10) 잠재적 고장형태
● 구성품, 하위 시스템, 시스템이 의도된 기능을 만족할 수 없을 것이라는 방식(manner)
● 부품 및 기능에 대한 설계의도를 만족치 못하는 각각의 잠재적 고장형태를 나열
● 과거 실패사례, 결함 보고서, 브레인스토밍 등을 검토하는 것을 권장
● 특정 작동조건 및 사용조건에서 발생 될 수 있는 고장형태도 고려
● 전형적 고장형태 : 균열, 고착, 변형, 전기단락, 느슨함, 산화, 누수, 누유, 파손 등
● 고장형태는 고객이 감지하는 증상이 아닌 기술적, 물리적 용어의 표현 이어야 함
고장형태 조사를 위한 질문
1.시스템/부품은 어떠한 방식으로 상위 시스템이 의도된 기능을 수행하지 못하게 되는가
2.시스템/ 부품은 제조/조립될 때 무엇이 잘못될 수 있는가
3.그 기능이 시험되었다면 어떤 고장이 검출될 수 있는가
4.이 제품은 어떤 환경 조건에서 작동될 것인가
5.이 시스템/부품은 상위단계의 어셈블리에 어떻게 사용될 것인가
6.이 시스템/부품은 다른 시스템/부품과 어떻게 상호 작용하는가
※고장형태의 예
변형, 균열, 파손, 탄성 불안정, 마모, 부식, 표면흠, 표면의 거칠음, 헐거움,
탈락, 고착, 소손, 이물, 오손, 누설, 번짐, 침식, 변질, 개방, 단락, 잡음
★ 기능적 접근법 (Functional Approach)
★ 하드웨어 접근법 (Hardware Approach)
11)고장의 영향
● 고객이 인지하는 것으로, 고장형태가 기능에 미치는 영향
- 고장이 나면 어떤 결과가 나타날 것인가 ?
● 안전이나 법규에 영향을 미치는 품질특성은 명확하게 표현
● 구성품, 하위시스템, 시스템 사이에 계층적 관계가 존재한다는 것을 검토.
● 전형적 고장의 영향 :소음, 거칠음, 불규칙한 작동, 작동불능, 조잡한 외관
냄새, 성능,기능, 신뢰성, 법규불만족
* 계층적 단계간의 고장 영향
부품 ………………………... 파손
상위 어셈블리……………………….. 진동한다
시스템 ………………………. 간헐적으로 작동한다
차량 ……………………….. 성능이 저하된다
고객 ……………………… 매우 불만족 한다
법규 ………………………. F/CMVSS#108을 만족하지 못한다
심각도 (S : Severity)
● 고장이 발생 할 경우 구성품, 하위시스템, 시스템 이 고객에 미치는 영향의
심각한 정도를 평가한 것
● 심각도는 단지 영향에 의해서만 판단된다
● 기본적으로 심각도의 등급감소는 불가능하다, 설계변경만으로 가능함
* 제안된 평가 기준
수정을 한다 할지라도 팀은 평가기준과 등급체계는 의견일치를 보아야 하며,
일관성을 유지하여야 한다
* 비고
1. 등급 9와 10은 기준을 변경하는 것을 권고 하지 않는다
2. 심각도 1등급은 더 이상 분석해서는 안될 것이다.
3. 높은 심각도 등급은 설계변경으로 줄어들 수 있다 ( 예: run flat tires )
13) 분류
● 추가적인 설계 또는 공정관리가 요구되는 특별한 제품특성을 분류
: CC(CRITICAL), SC(SIGNIFICANT) 등
● 특별특성에 대한 추가적인 공정관리 요구
14) 고장의 잠재적 원인 및 메커니즘
● 고장의 원인은 설계 취약성의 표시로 정의되고, 그 결과는 고장형태이다
● 고장 메커니즘은 고장의 구조적 원인의 나열을 의미한다
● 브레인스토밍 등을 이용해 PROCESS를 점검 한다
● 고장원인의 예
- 잘못된 재료선정, - 부적절한 신뢰성의 추정 - 부적절한 공차
- 잘못된 표준 - 잘못된 가정 - 윤활방법의 부적절 - 부적절한 표면처리
- 사용환경에 대한 검토 미흡 - 잘못된 연산방식
전형적인 고장원인 매카니즘의 예
- 휘어짐 (Yield)
- 피로 (Fatigue)
- 자재의 불안정성 (Material Instability)
- 늘어짐 (Creep)
- 마모 (Wear)
- 부식 (Corrosion)
- 화학적 산화 (Chemical Oxidation)
- 전자기 이동 (Electromigration)
<고장원인의 조사방법>
1. 고장원인의 2개의 가정
1) 설계의 결함
2) 제조/조립의 잘못
2. 원인조사를 위한 질문
★ 고장을 일으킬 원인은 무엇인가?
★ 어떤 환경(자극; Stress)이 기능을 수행치 못하도록 하는가?
★ 왜 설계 규격을 만족시키지 못하는가
★ 부품이 왜 잘못 조립되어 질 수 있는가?
★ 설계 규격/공차가 제조 공정에서 가능한가?
※ 설계FMEA는 설계의 잠재적 취약성을 공정관리에 의존하지는 않지만 제조/조립공정의 기술적, 물리적 한계에 대하여 고려한다
- 표면처리의 한계
- 조립 공간/공구의 한
- 공정능력의 한계
15) 발생도 (O : Occurrence)
● 발생도란 설계수명 동안에 특정한 원인/ 메커니즘이 발생할 수 있는 가능성이다
● 발생도를 줄이는 유일한 방법은 그 원인 혹은 메커니즘을 예방하거나
CONTROL 할 수 있도록 설계변경 및 설계과정을 변경하는 것이다.
● 발생도 :- 유사부품/서브시스템/시스템의 고장에 대한 고객/서비스/필드로 부터의 사례
- 유사제품/CARRY OVER품의 과거 품질 수준
- 구성품/ 시스템에 얼마나 변경이 있었는가
- 환경의 변화는 무엇인가
- 발생율 추정을 위한 기술적 분석이 이용되었는가
● 발생도 등급은 FMEA내에서 상대적인 평가이지 실제의 발생 가능성을
반영한 절대값은 아니다
16) 현 설계관리
● 설계 유효성 확인, 설계검증활동의 목록으로 고장형태, 원인, 메커니즘으로부터설계 안정성을 보증하는 것이다
● 현 관리는 동종이거나 유사한 설계에서 현재 사용되어지고 있는 것 이다
● 설계검토, 고장/안전설계, 수학적연구, 가상/실험실(Rig, Lab)시험, 타당성검토, 시작품시험, 주행 테스트, 가속시험 등으로 설계관리의 개선이 요구된다
● 설계관리와 다루어져야 할 형태는 다음의 2가지 형태다.
(1) 예방 : 고장형태의 원인/매카니즘으로부터의 예방 혹은 발생율의 감소
(2) 검출 : 부품이 생산으로 이관되기 전에 분석적/물리적방법으로 고장 또는 원인/매카니즘의 검출 방법
※ 적절한 접근방법은 원인의 예방으로 부터 고장의 검출로 진행한다.
<설계관리 방법>
설계관리방법은
1. 고장형태 또는 그의 1차 원인의 예방을 위해 사용되는 방법, 시험 ( P )
2. 고장형태, 원인의 검출에 의한 설계 타당성 검증활동 ( D )
● 설계관리방법의 선택은 앞에서 전술된 2가지 형태중 예방관리로 부터 검출관리로 적용한다
1. 고장형태의 발생을 예방하기위한 고장원인(조건, 사양)의 검증방법
예) 실험계획등에 의한 표면처리 사양의 결정
2. 고장형태, 원인을 검출하기 위한 기존의 검출방법
예) 시험조건으로 크랙의 발생을 검출하는 시험
예) 설계검증 시험, 설계검토, 승인시험, 컴퓨터 시뮬레이션, 대체계산, LAB TEST, VEHICLE TEST,외주 기술용역 의뢰, 벤치마킹, 경쟁사 사양 비교 조사
17) 검출도 (D : Detection)
검출도란 잠재 원인/형태를 검출하기 위한 현 설계관리의 검출방법에 의한 검출능력을 의미한다.
검출능력의 향상을 위해서는 설계 유효성 확인 혹은 각종 검증활동이 개선되어야 한다.
18) RISK PRIORITY NUMBER (RPN) ; 위험우선수
● RPN= S x O x D -- (S) 심각도, (O) 발생도, (D) 검출도
● Pareto를 이용하여, 위험우선 순위를 검토한다
● 심각도가 높을 때는(8 이상) 특별한 주의를 기울여야 한다
● RPN 조치는 고객에 의해 요구 되어지지만, RPN지수 100 이상은 개선 조치되어 져야 한다.
주요 부품일 경우에는 50~30 이상의 경우도 개선 요구되어 진다
19) 권고 조치 사항
● 고장형태가 RPN에 의해 평가 되었다면, 높은 평가 부분과 주요 부품에 대한 정확한 조치가 지시되어야 한다.
● 추천된 조치는 심각도, 발생도, 검출도를 줄여야 한다.
● 설계 타당성확인과 검증 활동의 강화는 단지 검출도의 수준을 높일 뿐이다.
● 설계변경에 의한 고장의 원인과 메커니즘을 제거 혹은 관리 함으로서 발생도를 줄일 수 있다.
● 고장의 영향을 제거/감소하는 설계변경 만이 심각도의 수준을 줄일 수 있다 .
( 2중 장치, 경고 장치, 이모빌라이져, 고장형태의 제거)
● 특정원인에 대한 권고조치사항이 없으면 해당란에 “없음”이라고 기입
20) 책임 및 목표완료 예정일
● 책임있는 조직과 개인의 이름 및 목표완료 예정일 기입
21) 조치결과 및 RPN UP- DATE
● 조치결과 및 핵심 일자는 기록 되어 져야 하고, 내부의 추적방법에 의해 F/UP 되어 져야 한다.
● 한번 조치가 되어 지고 나면 팀은 심각도, 발생도, 검출도의 해당 부분을 조정하여 RPN 지수를 변경하여야 한다.
● 만약 조치가 제한적인 결과 이면 적절하게 재 검토되어 팀이 만족 할 때까지 계속 과정을 진행 시킨다.
22) 후속조치
● 설계책임자는 모든 권고조치사항이 수행되거나 적절히 확인되었다는 것을 보장할 책임이 있음.
● FMEA는 살아있는 문서 ; (1) 최근의 관련조치 반영
(2) 최신설계단계를 반영
(3) 양산시작 이후에 발생한 내용도 포함
설계 FMEA 효과
※ 설계검증 이력관리를 위한 만병통치약?
●고장 형태를 확대 해석하여 원가, 정비성, 공정능력, 재활용 등의 요구사항 및 불만족도 포함
●고장 예방/검출 방법에 설계과정점검, Computer Simulation, Lab 시험, 차량시험, 회의 등을 포함하고 수행한 담당자와 일자를 ( )에 명기하여 설계검증의 실명제화
●검출도를 실제 수행한 설계 검증 방법에 따라서 Update
(예: 설계담당자의 설계과정점검 후 검출도:7 --> 차량시험 후 검출도:2)
●고장 형태의 그룹화
(초기고장,통상사용 시 고장, 과부하 고장, 양산성 문제, 재활용 문제, 원가 문제 등)
작성 사례 / 양식
1) 신뢰성 블록도 작성
2) 과거 불량 이력
3) 품질 기능 전개 _(1차 및 2차 QFD)
4) 부품 고장 분석
5) 부품 고장 분석
전반적인 DFMEA의 흐름을 작성해봤는데? 이해가 되시는가? 이 자료는 '한국 자동차산업 교육원'의 자료를 토대로 작성이 되었으니 참고 바랍니다.
FMEA 또한 꾸준히 국제적 규격에 의해 변경이 이루어지고 있기 때문에 그 양식을 따르고 있습니다. 그리고 작성방법 또한 회사마다 조금씩 틀린 부분이 있기 때문에 그 부분을 감안해서 보시면 좋을 것 같습니다.
하지만, 이 정도의 자료와 내용이면 충분히 현업에서 활용이 가능할 것이며, 적용하는데 크게 무리가 없을 것으로 보여집니다. 자신의 이해 정도차이에 따라서 갈릴 것이기 때문에 적용하는 부분은 많은 연습과 실전에서 사용해보는 수밖에 없으니 그렇게 하시면 되겠습니다.
용어자체가 어렵다보니 사람들이 이해하기 쉽지않은데, 하다보면 익숙해지는것이 어떤 일이든 다 마찬가지로 똑같기 때문에 그렇게 처음부터 욕심내지 마시고, 하루에 하나라도 이해하고 퇴근해보면 어느순간 더 발전한 자신을 발견하게 될 것이라고 생각합니다.
항상 업무에 도움을 드릴 수 있는 자료들로 많은 업데이트를 해 나갈수 있도록 하겠습니다.
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