제 4 장 FMEA ( 고장모드및영향분석 ) B. Bertsche, Reliability in Automotive and Mechanical Engineering. VDI-Buch, Doi: 10.1007/978-3-540-34282-3_4, c Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2008
96 기계와자동차산업의신뢰성공학 EA(Failure Mode and Effects Analysis) 는신뢰성방법론분야에서가장흔히사 FM용되고또한잘알려진정성적신뢰성방법론이다. FMEA는시스템변경이나부품변경을위해설계단계에서수행하는예방차원의신뢰성방법론이다. FMEA의목적은신뢰성평가의최적기준을달성하기위해경험적인관점에서부품을분석하고변경하는것이다. 그한가지중요한기준이이장에서설명하는 RPN(Risk Priority Number, 위험우선순위 ) 이다. FMEA는 1960년대중반미국항공우주국 (National Aeronautics and Space Administration, NASA) 에서아폴로프로젝트를위해개발되었다. 이후 FMEA는항공우주및항공공학분야의절차에적용되었다. FMEA 의문헌들은대부분미군의표준규격인 MIL-STD-1629A [4.1] 에서나온것이며, 항공우주및항공공학분야의모든부품에대한승인기준으로요구된다. FMEA는정교하고세부적이며, 명확하게정의된절차를가지고있다. 또한 FMEA는원자력기술분야와자동차산업분야에까지사용되고있다. 미국포드사는자동차업계최초로 FMEA 방법을자사의품질보증개념에포함시켰다 ( 그림 4.1 참조 ). 그림 4.1 FMEA 의유래 고객, 새로운법조항 ( 제조물책임법 [4.5]), 그리고규격 (DIN ISO 9000 ff[4.2]) 에의한품질요구사항의증가, 제품의복잡성증가, 비용증가, 개발기간단축에대한요구, 그리고마지막으로환경에대한인식이높아지면서, FMEA는오늘날의품질보증에있어필수구성요소가되었다. 독일자동차협회 (Verband der Automobilindustrie, VDA)[4.7] 가작성한 FMEA 절차는독일에서 FMEA 분석의방법적적용을위한가장일반적인표준규격이다. 다음으로는 FMEA 방법론의일반적인기초와기본원칙, 그리고 VDA 86에따른 FMEA
제 4 장 FMEA( 고장모드및영향분석 ) 97 양식절차에대해알아본다. 중점부분은 4.4절에설명된 VDA 4.2에따른 FMEA이다. VDA 4.2에따른 FMEA 절차는특히독일과유럽의자동차업계에서가장널리사용되는절차이다. 4.1 FMEA 방법론의기본원칙과일반적인기초사항 FMEA는 Failure Mode and Effects Analysis 의약어다 ( 그림 4.2 참조 ). FMEA 방법은 1980년이래 DIN 25448[4.3] 에이용어로명시되어있다. F M E A? Failure Mode and Effects Analysis 고장영향분석 (Failure Effects Analysis)(DIN 25488) ( 고장 ) 거동분석 (Behaviour analysis) 고장모드, 고장영향및고장원인분석 (Analysis of failure modes, failure effects and failure causes) 그림 4.2 FMEA 용어의정의 FMEA는시스템적방법 (systematical method) 으로, 그기본아이디어는시스템, 서브시스템또는부품에대한발생가능한모든고장모드를결정하는것이다. 동시에, 가능한고장영향및고장원인이제시된다. FMEA 절차는최적화조치를위해위험평가와설명으로끝맺는다 ( 그림 4.3 참조 ). 이방법의목표는가능한빨리제품의위험및약점을파악하여적시에개선할수있도록하는것이다. FMEA 는부품혹은시스템의구성품을위해아래의사항을발견하는방법이다. 잠재적인고장모드 잠재적인고장영향 잠재적인고장원인위험을평가하고최적화를위해시정조치가결정된다. 그림 4.3 FMEA 의기본아이디어 FMEA 는신제품의개발및공정계획에통합된위험평가를다룬다. 이는새로운생산단계가시작되기전에품질보증에있어중요한요소이다. FMEA는신뢰성분석에속하
98 기계와자동차산업의신뢰성공학 며, 중간에방해나회피없이, 또한팀별로하는것이아니라체계적으로수행되어야한다. FMEA와유사한 FMECA(Failure Mode, Effects and Criticality Analysis) 는기존의 FMEA 에위험특성 (risk characterization) 을포함한다. FMEA는평가되는시스템의유형및복잡성, 또는의도하는결과에따라다양한절차를구성한다. < 그림 4.4> 에는가장흔히사용되는다양한 FMEA 유형이나타나있다. 그림 4.4 FMEA 의유형 FMEA 의실행은다양한부서 ( 설계, 시험, 품질, 재무, 물류, 영업, 생산, 생산계획등 ) 에서차출된 FMEA 팀에의해이루어진다. 분석에의해영향을받는모든운영부서를통합해야하기때문에팀으로 FMEA 를시행하는것은적절하다. 실제로 FMEA 방법론에정통한 FMEA 조정자의지휘아래 FMEA 를시행하는것은유익하다고밝혀졌다. 이런식으로 FMEA 방법에관한시간소모적인논의를피할수있다. 일반적으로, FMEA 팀은 FMEA 방법론에대해잘아는한명의조정자와분석하고자하는제품이나프로세스에대한기술적인지식을잘알고있는 FMEA 팀원들로이루어진다. 또한해당제품이나프로세스에관해기본적지식을알수있는조정자는팀구성원들이 FMEA 방법론에대해기본적지식을확실히습득할수있게해야한다. FMEA 과제의초반부에간단한교육을제공하면좋다. 설계 FMEA 팀은다양한분야의전문가들로구성되며 ( 그림 4.5 참조 ), 최소한 < 그림 4.5> 에 X 표시가된분야, 즉설계및생산계획분야의전문가를포함해야한다.
제 4 장 FMEA( 고장모드및영향분석 ) 99 그림 4.5 FMEA 팀의구성 다양한분야의기술적지식과 FMEA 실행방법론간의차이는각분야의전문가들이 FMEA 방법론의고려사항과상관없이오직자신의기술지식만을제공한다는점이다. 그러므로팀내전문가들은 FMEA에대해기본지식만가지고있어도충분하다. FMEA 팀구성원은 4 6명사이가가장이상적이다. 만약 FMEA에참석하는팀원이 3 4명보다적다면, 중요한하위부문이간과되거나적절히처리되지못할위험이있다. 반면, 팀원이 7 8명이상으로구성되면, 동적인그룹효과가크게약화되어팀원들이토론에동참하고있다는느낌을가지지못하게되고결과적으로 FMEA 모임에혼란을줄수있다. 성공적인 FMEA를위해중요한사항들은아래와같다. FMEA 작업을눈에보이게명확하게지원하는관리자 좋은방법론지식과의견을조율하는지식을제공하는조정자 제품과밀접한관련이있는팀원들로구성된소규모의성공지향적인팀 FMEA 조직구성에대한추가적제안사항은 < 그림 4.6> 에나와있다.
100 기계와자동차산업의신뢰성공학 D: 부서프로젝트책임관리자 ( 발기인 ) R:FMEA 프로젝트책임자 ( 설계자, 기획자, 도안자, 영업 ) E: 전문가 ( 설계자, 도안자, 시험엔지니어, 기획자, 생산자, 연구원, 자원관리자, 시험설계자, 기능공, 기계운영자, 다른지식인 ) M:FMEA 방법전문가 ( 전문가또는과제책임자의한사람과일치할수도있다 ) 그림 4.6 VDA 4.2 에따른 FMEA 팀 4.2 VDA 86(FMEA 서식 ) 에따른 FMEA 최초의 FMEA 절차는서식을이용하여수행하였다. 작업흐름은서식의왼쪽열에서오른쪽으로계속해서채워나가도록되어있다. FMEA 절차는설계 FMEA와공정 FMEA로나눈다. 서식의첫번째행에는부품과그기능에대한설명이기록된다. 서식의그다음부분은서식의대부분을차지하는위험분석을다룬다. 위험분석다음에는많은고장원인들의순위를매기기위한위험평가가따른다. 서식의마지막단계는위험평가분석에서도출한개념최적화이다 ( 그림 4.7 참조 ).
제 4 장 FMEA( 고장모드및영향분석 ) 101 그림 4.7 VDA 86 에따른 FMEA 서식 각부분의진행과정은 < 그림 4.8> 에나타나있다. FMEA의기초단계는가능한모든고장모드를찾는것이다 ( 제4열 ). 이단계는가장주의를기울여실행해야한다. 우리가찾지못한고장모드로인해위험한고장영향이발생하여, 차후엄청난신뢰성문제를초래할수있다. 고장모드를찾기위해사용되는옵션들은 < 그림 4.9> 에나타나있다. 여기서반드시지켜야하는원칙은유사한경우에서이전에발생했던고장을살펴보는것이다. FMEA 모든팀원들의경험을이용하여고장모드를찾을수있다. 이작업은 FMEA 조정자가주도하는팀모임에서수행된다. 긍정적인그룹효과가고려되어야만한다. 통상, 고장모드를찾는데보조체크리스트가사용된다. 특별히위험한경우에는모든고장모드를찾는데창의적인수단을사용하는것이도움이된다. 한가지매우시스템적인접근방식은고장기능및고장나무와함께모든기능을조사하는것이다.
102 기계와자동차산업의신뢰성공학 그림 4.8 FMEA 서식의절차 손상통계 FMEA 참가자의경험 체크리스트 ( 고장모드리스트 ) 창의적방법 ( 브레인스토밍, 635, 델파이기법, ) 기능혹은고장기능에대한시스템적분석 ( 고장나무 ) 그림 4.9 고장모드결정방법
제 4 장 FMEA( 고장모드및영향분석 ) 103 완성된서식은 < 그림 4.10> 처럼 나무구조 (tree structure) 로나타난다. 특정부품은하나이상의기능과일반적으로다수의고장모드를가진다. 각고장모드는다시여러개의고장영향과서로다른고장원인을가진다. 그림 4.10 FMEA 서식의 나무구조 위험분석후에는위험평가가따르는데, 발견된많은수의고장원인들중에서중대위험은순위를매겨서결정한다. 위험평가는 3개기준에따라수행된다. 발생도 O(= Occurrence) 는해당고장원인이발생할가능성이얼마나되는지추정하는값이다. 이는고장이가상인지아니면현장에서이미자주발생하는지에대한물음에답한다. 심각도 S(=Severity) 는고장영향의심각성을나타낸다. 예를들어, 사람이위험에처하면심각도는더높고, 반면에쾌적함에다소제약이있다면심각도는낮은값을가진다. 감지도 D(=Detection) 는고장원인이고객에게전달되기전에얼마나성공적으로발견되는지를결정한다. 여기서최고의측도는고객이다. 고장으로인해이미추가비용이발생했으나고객이신뢰할수없는제품을받지는않는다. 3개의개별적인평가를종합해하나의평가지표인 RPN(Risk Priority Number: 위험우선순위 ) 이나오게되며 RPN은 O S D
104 기계와자동차산업의신뢰성공학 가된다 ( 그림 4.11 참조 ). RPN을사용하여확인된고장원인들의순위를정하고이들의고장이고장영향과연결된다. 즉, 고장원인들의우선순위는 RPN을통해가능하다. 그림 4.11 위험평가 위험평가값의척도는일반적으로 1에서 10까지의정수이다. 평가값 1( 매우낮은발생도, 최소심각도, 최적감지도 ) 은제품이신뢰할수있다고긍정적으로평가될때주어진다. 평가값 10은극도로부정적으로평가될때주어진다. 평가값을할당할때표와차트가유용한자료로종종활용된다 (4.4.4절의 VDA 표참조 ). RPN은 1(1*1*1) 부터 1000(10*10*10) 까지나올수있다. 평균 RPN은일반적으로 125(5*5*5) 이다 ( 그림 4.12 참조 ). 위험평가 - 값의척도 값척도는 1 에서 10 까지가짐긍정적, 좋은경우 = 1 부정적, 나쁜경우 = 10 평가값은표 (VDA) 를이용하여할당한다. 개별평가값들의곱 = RPN( 위험우선순위 ): 확인된잠재고장원인의위험 그림 4.12 위험평가에대한값의척도 FMEA의마지막단계는위험평가다음에수행하는최적화단계이다. 먼저, 계산된 RPN 값들에순서를매긴다. 최적화는 RPN 값이가장큰고장원인들부터시작하여분석
제 4 장 FMEA( 고장모드및영향분석 ) 105 의복잡도, 특정한하한, 혹은파레토원리에의해 RPN 값들의 20 30% 가최적화된후에끝난다. 개별평가값이큰경우는또한 RPN 값과함께고려되어야한다. O>8인값은고장이매우자주발생한다는것이다. 당연히이경우도최적화되어야한다. S>8인심각도는안전위험뿐아니라심각한기능손상을나타내는것이다. 그러한경우들에대해서도보다면밀히검토되어야한다. D>8인값에서는고장을감지하기가매우어렵다. 그러므로이러한경우는고객에게전달되기전에고장이해결되지않는상황이발생한다 ( 그림 4.13 참조 ). RPN 값에따라고장원인의순위매김 RPN 값이가장큰고장원인을가지고개념최적화시작 - 미리지정한한계 RPN 까지 ( 예 :RPN = 125) - 혹은고장원인의특정양까지 ( 파레토원리에따라일반적으로약 20 30%) 개별측정값 O>8 혹은 S>8 혹은 D>8 인고장원인 FMEA 결과는개별적으로관측된다. 그림 4.13 개념최적화절차 신규최적화조치는최적화된고장원인에대한서식의오른편에기입하며책임자도기록한다. D, O, 그리고 S에할당되는새로운평가값을사용하여개선된상태에대해개선된 RPN을계산한다 ( 그림 4.14 참조 ). 그림 4.14 서식에서개념최적화
106 기계와자동차산업의신뢰성공학 4.3 VDA 86 에따른설계 FMEA 의예 이절에서는자동변속기예제를이용하여전형적인 FMEA 절차에대해설명한다. 자동변속기에실제로발생한손상이분석을위한예로사용되었다. 이고장모드만고려하여 FMEA의효과성을보여준다. 5단기어자동변속기의다이어그램은 < 그림 4.15> 와같다. 그림 4.15 FMEA 예제 - 자동변속기 [4.4] 특정한손상경우의분석을위해서변속기의작은부분인앞차축베어링만고려하는것으로충분하다 ( 그림 4.16 참조 ). 이베어링은고정스테이터샤프트 (fixed stator shaft) 의맞은편에있는외측회전클러치플레이트캐리어 (outer rotating clutch plate carrier) 를지지한다. 축베어링레이스는스테이터샤프트를따라작동된다. 다른레이스는구동디스크를통해실행된다. 스페이서도축베어링에속하며변속기에서발생하는축방향유격 (axial play) 을균등하게한다. 특정손상인경우, 즉관측된고장모드는구동디스크와스페이서간의교체이다. 부품의교체 는모든단순체크리스트에포함되는표준고장모드이다. 자동변속기의경우, 이러한교체는베어링파괴, 더나아가변속기고장을가져올수있다. 게다가공장에서기능시험은결함에대한원인을찾지못한채마쳤다. 기능시험은 0.1 mm 폭의뜨임없는스페이서 (untempered spacer) 가견딜수있는비교적작은부하를가지고수행되었다. 스페이서는고부하에서또는장기운전시심하게변형되어축베어링과변속기전체를차단한다. 그러므로비교적사소한원인이심각한손상을초래할수있다.