설계 고장 모드 및 영향 분석(DFMEA)은 무엇입니까?

설계 고장 모드 및 영향 분석(DFMEA)은 엔지니어가 설계와 관련된 잠재적 위험의 영향을 이해하는 데 도움을 주는 공정입니다. 설계 단계에 FMEA를 도입하는 것이 다음과 같은 질문에 답하는 데 도움이 될수있습니다.

• 설계에서 무엇이 잘못될 수 있습니까?
• 특정 유형의 고장으로 인해 어떤 결과가 발생합니까?
• 고장이 사용자에게 어느 정도 명백합니까?
• 고장을 어떻게 감지합니까?
• 제품 신뢰성이나 안전에 대한 고장의 영향을 어떻게 완화할 수 있습니까?
• 처음부터 고장을 어떻게 예방할 수 있습니까?

고장 모드 및 영향 분석(FMEA)은 무엇입니까?

DFMEA가 무엇인지 이해하려면 먼저 고장 모드 및 영향 분석(FMEA)을 명확하게 이해해야 합니다. FMEA는 시스템, 제품 또는 공정의 잠재적 고장을 인식하고 평가하는 체계적인 방식입니다. FMEA는 고장 또는 조치의 영향과 결과를 식별하고 제품 개발자가 고장의 영향을 제거하거나 완화하는 데 도움을 줍니다.

모든 제품에는 구성 요소부터 시스템 및 그 사이의 모든 것에 이르기까지 서로 다른 통합 수준의 고장 모드가 있습니다. 각 고장 모드는 제품의 효능, 신뢰성 및 안전에 잠재적인 영향을 미치며 감지, 완화 및 예방에 대한 과제를 제시합니다. FMEA는 다음과 같은 방법으로 이러한 문제를 해결하는 데 도움을 주는 툴입니다.

• 제품 설계와 관련된 고장 위험 식별
• 영향력이 가장 큰 위험을 줄이기 위한 작업 계획 수립
• 위험을 감소시켜 조치의 책임 및 추적 가능성 보장

1940년대 후반에 미군이 처음 개발한 FMEA 기술은 1960년대에 NASA에서 채택되었고 이후 1970년대에는 자동차 산업에서 채택되었습니다. 1980년대 자동차 산업에서의 노력으로 FMEA 모범 사례를 통합하고 표준화하여 다양한 제품 개발 단계에서 품질 향상 및 위험 평가 도구로서의 방식이 최적화될 수 있었습니다. 오늘날 높은 신뢰성과 제품 안전이 매우 중요한 고려사항인 에너지 및 헬스케어와 같은 주요 산업에서는 공급업체 및 제품 자격에 대한 산업 표준(예: SAE J1739-FMEA)을 충족하기 위해 FMEA 사례를 채택하고 있습니다.

DFMEA 및 FMEA 비교

FMEA는 시스템/제품 설계 또는 공정/워크플로 설계에 적용되는지에 따라 크게 설계 및 공정 방식으로 구분됩니다. 이 문서에서는 DFMEA라고 하는 설계 FMEA를 주로 다룹니다.

어떤 산업에서 DFMEA를 사용합니까?

DFMEA는 모든 설계 공정에서 중요하지만 신제품 도입(NPI)과 신기술 통합 속도가 빠른 산업에서 특히 중요합니다. 본질적으로 신제품과 기술에는 고장 이력이 없을 수 없습니다. 이전 제품이나 기술과의 유사성을 평가하는 것이 유용할 수 있지만 신뢰성의 물리적 원칙과 DFMEA 공정을 기반으로 발생 가능한 고장 모드와 메커니즘을 식별하는 체계적인 방식은 위험 완화에 매우 중요합니다. DFMEA를 중요한 설계 단계 도구로 사용하지 못하게 되면 생산, 자격 테스트 또는 현장에서도 값비싼 고장 비용이 발생할 수 있습니다.

생산 팀에서 DFMEA를 사용하면 제품 개발 초기에 잠재적 설계 고장 모드를 이해할 수 있으므로 제품을 설계할 수 있습니다. 설계 요소, 감지 방법 또는 제품의 전반적인 운영 및 물류 지원 개념을 통해 이러한 고장의 영향을 완화할 수 있습니다. DFMEA 개념을 도입한 산업은 다음과 같습니다.

• 자동차
• 항공 우주
• 방산
• 산업
• 제조
• 헬스케어
• 소프트웨어

제품 개발에서의 DFMEA의 목적과 이점 알아보기

시제품 설계부터 생산 단계에 이르기까지 제품 수명 주기 전반에 걸쳐 DFMEA를 사용할 수 있습니다. 주요 목표는 생산하기 전에 신뢰성이나 안전에 영향을 미치는 잠재적 고장을 감지하는 것입니다. 그림 1과 같이 제품 비신뢰성으로 인한 비용은 상당할 수 있으며 제품 수명 주기에서 늦게 감지될수록 그 비용은 기하급수적으로 늘어납니다.

제품 개발 계획에 DFMEA를 구현하는 방법을 알아보려면 Ansys Reliability Engineering Services 팀에 문의하십시오.

DFMEA 공정 이해하기

DFMEA 공정에는 특정 핵심 자원과 시간이 필요하지만 복잡한 통계 분석과 해석이 필요한 다른 수많은 신뢰성 평가 방법에 비해 간단합니다. DFMEA 공정의 이점을 극대화하려면 다음을 수행합니다:

• DFMEA는 일회성 연습이 아니므로 설계 공정 초기와 공정 내내 분석을 수행합니다. 초기 DFMEA는 당시 설계에서 식별된 위험을 완화하는 데 필요한 조치를 세웁니다. 중대한 설계 변경사항이 발생하면 최신 위험 및 완화/예방 전략이 반영되도록 DFMEA를 업데이트해야 합니다.
• 팀으로 작업합니다. 전체 제품 개발, 배포 및 지원 공정(예: 설계, 제조, 테스트 및 물류 지원)에 해당하는 분야의 참가자를 포함합니다. 이러한 각 분야는 공정에 대한 서로 다른 관점과 경험을 제공하며 다양한 팀에서 고장 모드와 가장 효과적인 완화 및 예방 전략을 식별할 수 있는 최상의 기회를 제공합니다.
• 조력자를 사용합니다. 조력자는 제품 설계 전문가가 아닐 수 있지만 DFMEA 공정 전문가여야 합니다. 궁극적으로 조력자의 역할은 DFMEA의 범위를 올바르게 지정하고 팀 작업에 대한 상세 문서와 개발된 위험 제거 및 완화 전략을 구현하는 데 필요한 주요 조치에 대한 정의를 통해 공정을 결론까지 진행하는 것입니다.

DFMEA의 자세한 단계는 표준에 따라 약간씩 달라질 수 있지만 DFMEA의 핵심 공정은 범위 지정, 고장 모드 및 영향 정의, 위험 평가 및 위험 완화입니다(그림 2).

DFMEA 범위 지정 

DFMEA 범위는 고려해야 할 세부 수준을 정리합니다. 예를 들어 구성 요소 수준에서 범위가 지정된 DFMEA는 설계 구성 요소마다 고장 모드와 위험 완화 전략을 고려합니다. 구성 요소 수준 DFMEA에서 단락, 개방, 정전 용량 손실 또는 커패시터의 높은 누설 전류와 같은 고장 모드를 고려할 수 있습니다.

구성 요소 수준 DFMEA가 유용할 수 있지만 구성 요소 수준 DFMEA의 결과를 시스템 수준 영향 및 위험으로 확장하는 것은 더욱 어렵습니다. 대안으로 DFMEA 범위를 하위 시스템이나 기능 블록 다이어그램 수준으로 지정할 수 있습니다. 이렇게 하면 설계 초기 단계에서 분석을 시작할 수 있으며 설계가 진행됨에 따라 더욱 세분화된 범위를 사용하여 DFMEA 기준을 설정할 수 있습니다.

고장 모드 및 영향 정의

범위가 확인되면 DFMEA 팀의 초기 작업은 시스템 고장(범위 정의와 일치), 시스템 각 부분의 잠재적 고장 모드 식별 및 제품 기능에 대한 각 모드의 영향을 사용자가 인지하는 대로 식별에 중점을 둡니다. 예를 들어 사용자가 전원 스위치를 "ON" 위치로 돌렸지만 해당 표시등이 켜지지 않으면 사용자는 고장 모드를 "표시등이 켜지지 않음"이라고 말할 수 있습니다. 이 고장의 영향을 "부정확한 전원 켜짐 상태 표시" 또는 "부정확한 전원 상태 표시로 인한 사용자에게 고전압 위험"으로 말할 수 있습니다. 고장 모드마다 여러 가지 영향이 있을 수 있으며 DFMEA 팀은 모든 관점에서 이러한 영향을 신중하게 고려해야 합니다.

궁극적으로 팀은 사용자가 인지한 제품 성능에 미치는 영향을 반영하여 수치화된 심각도 평가나 지수(보통 1~10)를 사용하여 가장 심각한 영향을 기준으로 고장 심각도를 정량화합니다. DFMEA 팀은 고장 정의 공정을 시작하기 전에 사용할 평가 척도에 동의해야 합니다.  그림 3에서는 SAE J1739 표준에 제시된 평가 척도 예를 보여줍니다. 

위험 평가

위험 평가의 목적은 심각도, 발생 가능성 및 감지 능력의 측면에서 전반적인 고장 위험을 정량화하는 것입니다. 발생 가능성이 높고 감지하기 어려운 심각한 고장이 최고 위험을 나타냅니다. 발생 가능성이 낮고 감지하기 쉬운 심각도가 가장 낮은 고장은 최저 위험으로 평가됩니다.

위험 평가는 위험 우선 순위 번호(RPN)라고 하는 가중 요소이며 고장 위험을 최고부터 최저까지 순위를 매기는 데 사용됩니다. 심각도 정의와 마찬가지로, 발생 가능성과 감지 가능성을 정의하려면 제품 수명 주기 전반에 걸쳐 다양한 경험을 보유한 DFMEA 팀원의 의견을 취합해야 합니다. DFMEA 팀은 고장을 정의하기 전에 조력자의 도움을 받아 일반적인 발생 가능성, 감지 정의 및 평가 척도를 설정해야 합니다.

위험 완화 및 예방

DFMEA 공정의 마지막 단계는 관리 계획 실행을 통한 위험 완화 및 예방과 관련됩니다. 관리 계획에는 소유권과 책임뿐만 아니라 각 개별 예방 또는 완화 작업의 완료 일정이 자세히 설명되어 있습니다. 제품 설계, 특성 및 사양이 변경되면 취해진 조치가 업데이트되어 시행된 변경사항을 통해 새로운 위험 평가가 결정됩니다. 이 공정은 업스트림 및 다운스트림 공급망 그룹 모두의 커뮤니케이션 도구 역할을 하여 잠재적 위험 요인을 식별할 뿐만 아니라 제거 또는 감소시킵니다.

DFMEA 및 템플릿 예

방산 및 군사 분야의 한 대형 이동통신 제품 회사는 Ansys Reliability Engineering Services(RES) 팀에 차세대 GPS 제품의 인쇄 회로 기판 어셈블리(PCBA)에 대한 DFMEA 분석 진행을 요청했습니다. RES 팀은 각 블록의 회로를 구성하는 모든 구성 요소를 고려하여 블록 수준에서 분석 범위를 지정하고 분석을 수행했습니다.

설계, 생산, 공급업체 품질 및 공급망 관리를 담당하는 팀에서 분석을 수행했습니다. 설정된 순위 및 임계값 기준에 따라 주요 위험 요인을 식별했습니다. 또한 유사 시스템을 통한 경험을 바탕으로 RES 팀은 높은 신뢰성을 보장하기 위한 PCB 제조 지침 및 모범 사례, 구성 요소에 적합한 품질 등급 선택, 정전기 방전 및 전기 과부하(ESD/EOS) 고장을 완화하기 위한 보호 전략 등을 제공하여 설계가 향상되도록 기여했습니다. 

고객은 관리 계획을 준수했으며 현장에서 ESD 및 EOS 고장이 완화되도록 보드 수준에서 2단계 상호 연결 개선을 구현하고 외부 보호 기술을 채택하여 상당한 비용을 절약하고 현장 고장을 예방했습니다.

연락처

곧 제품을 출시할 예정이며, 제품 신뢰성을 평가하려고 하고 제조 전에 잠재 위험에 대해 잘 모르는 경우 이곳을 통해 문의또는 요청사항을남기거나 Ansys Reliability Engineering Services Sales 팀(301-640-5831)에 연락하여 상담 시간을 예약하십시오.