ISSN -(Print) ISSN -005(Online) J Korean Soc Qual Manag Vol., No.:5-0,December 05 http://dx.doi.org/0./jksqm.05...5 종이헬리콥터실험을통한개발단계성능변동의이해와개선 신병철 * 김시웅 * 정순민 * 변재현 * 남용석 ** * 경상대학교산업시스템공학부, 공학연구원 ** 국방기술품질원품질경영본부 Understanding and Reducing Performance Variation in New Product Development Using Paper Helicopter Experiment Byung-Cheol Shin * Si-Ung Kim * Sun Min Jeong * Jai-Hyun Byun * Yong-Seog Nam ** * Department of Industrial and Systems Engineering and Engineering Research Institute, Gyeongsang National University ** Quality Management Bureau, Defense Agency for Technology and Quality ABSTRACT Purpose: In developing new products, reducing performance variation is important for competitiveness factors such as quality, cost, and delivery. This paper aims at evaluating three performance variations; measurement, performance evaluation, and manufacturing variations, and then improving product and process design, focused on paper helicopter making case study. Methods: For measurement system analysis, gage R&R (repeatability and reproducibility), linearity, stability are evaluated. Since gage R&R are not satisfactory, the measurement system is improved by adopting voice memos application of iphone and providing standard measurement procedure. To evaluate performance variation, product deterioration and environment factor (wind speed) is considered. Since the existing design is sensitive to these noise factors, a new product design is developed, which is proven to be robust to the noise factors. Finally, manufacturing variations are evaluated with five factors which can cause variation in flight time. To reduce the impact of three significant factors, three improvement methods are applied. Results: Three performance variations are evaluated and robust paper helicopter design is presented. Conclusion: To reduce measurement and process variations, improved measurement method and paper helicopter making procedure are proposed. A new product design is also presented which is robust to deterioration Received 5 October 05, st revised November 05, accepted November 05 Corresponding Author(jbyun@gnu.ac.kr) c 05, The Korean Society for Quality Management This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 본논문은 0 년도정부 ( 미래창조과학부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된기초연구사업임 (005).
50 J Korean Soc Qual Manag Vol., No. :5-0, December 05 and environmental variation. This paper is expected to benefit students and practitioners who want to have hands-on knowledge on new product quality improvement. Key Words: Product Development Quality, Measurement System Analysis, Performance Evaluation Variation, Manufacturing Variation, Paper Helicopter Experiment. 서론 제품을개발함에있어서제품의주요성능이원하는수준을달성하도록설계변수의최적조건을구하는것은중요한일이다. 이에못지않게노력을기울여야하는것은주요성능이제기능을꾸준하게발휘할수있도록성능변수의변동요인을찾아내고성능변동을줄이기위해제품및공정을개선하는것이다. 제조공정을대상으로성능변동을이해하고이를줄이기위한문헌조사를위하여품질공학분야의대표학술지인 Quality Engineering, Journal of Quality Technology, Quality and Reliability Engineering International에게재된논문을중심으로정리하고요약해보았다. Escalante() 는제품이나공정의변동과결함에대한품질대가들의의견, 주장과관점을요약했는데, 변동의정의, 영향, 측정, 변동감소와공정개선을위한처방과기법, 변동감소활동의혜택등을정리하여제시하였다. 그는기업의품질실무자들이효과적으로변동을측정하고제어하며이를줄이기위해서는기술적이고과학적인사고를갖출것을주문하였다. Anand() 는제조공정의기본적인변동요인인사람, 재료, 기계, 작업방법, 측정의 5가지를대상으로, 공정변동의감소를위한방법을사례중심으로제안하였다. MacKay and Steiner() 는기업체컨설팅경험에근거하여품질특성치의변동을줄이기위한방법이품질특성검사방법의도입과개선, 피드백제어의도입과개선, 프로세스입력의변동감소, 피드포워드제어의도입과개선, 프로세스입력의변동에대한강건성확보의 5가지로분류될수있음을주장하였다. Lawless et al.() 은다단계 (Multistage) 제조공정을거치는제품의성능에영향을미치는주요단위공정을찾기위하여회귀분석과분산분석을이용한변동전이 (Variation Transmission) 모형을제안하고, 이를자동차부품제조와조립공정에적용하였다. Agrawal et al.() 은이러한변동전이분석방법이측정오차가있을때에는적합하지못한결론을이끌어낼수있다는것을보이고, 측정오차를포함한공정데이터를이용한최우추정법 (Maximum Likelihood Estimation Method) 을제시하였다. Heredia and Gras(00) 는 Lawless et al.() 의변동전이모형을확장하여공정이항상관리상태에있을수없을때와공정변수를직접측정할수없는경우에통계적공정관리방법을통합한접근법을제시하였다. Liu(00) 는변동흐름 (Stream-of-Variation) 과통계적공정관리를변동전파 (Variation Propagation) 모형, 공정모니터링, 진단능력측면에서비교하고, 차체조립공정의사례를통하여이두가지방법에대한최근의연구성과가다단계재조공정의변동을효과적으로줄일수있음을보였다. Palumbo et al.(0) 은통계적, 기술적해석을통하여다단계공정에서전이되는변동과추가되는변동을구분하여최종단계의성능변동에크게기여하는변동요인을찾는방법을제시하였다. 위와같이성능변동을이해하고이를줄이기위한방법에대한일부연구는있지만, 개발단계에서성능변동의요인을탐색하고개선하기위한연구결과는현재까지발견할수없었다. 본논문에서는제품의개발단계에서검토해야할변동으로서측정시스템, 성능평가, 생산공정의변동을고려한다. 측정변동은동일한환경과조건을유지한상태에서제품의성능변수를측정할때, 측정시스템에의해발생하는변동을의미한다. 부적합한측정시스템으로얻은데이터는성능평가의오류를발생시킨다. 즉이러한측정시스템으로제
Shin et al. : Understanding and Reducing Performance Variation in New Product Development Using Paper Helicopter Experiment 5 품의성능을측정하게되면, 좋지않은제품이합격하거나좋은제품이불합격될확률이증가한다 (Mader et al. ). 따라서측정시스템의변동을체계적으로파악하고관리하여측정시스템의신뢰성을확보하는것은매우중요하다. 성능평가변동은개발품이운용환경에서목표한성능을제대로발휘하는지평가하는시험평가시에여러가지잡음요소에의해발생한다. 성능에영향을미치는잡음은외부잡음과내부잡음으로나눌수있는데, 외부잡음은사용온도, 습도등과같이제품의운용환경에서발생하는것이고, 내부잡음은제품의사용기간이길어짐에따라발생되는노후화, 마모에의한것이다. 제품운용시에이러한잡음을직접통제하는것은불가능하거나가능하다고하더라도고난이도의기술이나고비용을초래하므로, 개발단계에서잡음에강건하도록제품을설계하는것이필요하다. 제작변동 ( 생산공정변동 ) 은실제양산에서발생할수있는재료, 공정변수, 작업자의산포에의해제품간발생하는변동이다. 이러한제작변동을줄이기위해서는생산단계에서지속적인관리를하는것도중요하지만개발단계완료후양산으로이관하기전에주요변동요인을파악하여그에대한대응책을마련하거나재료및공정의변동을감소시키면양산공정의부담을현격하게줄일수있다 (Taylor, ). 본논문에서는종이헬리콥터낙하실험을이용하여이러한세가지변동요인을이해하고변동요인의영향을줄이기위한방법을제시하고자한다. 각변동요인의영향을이해하고개선안을내기위하여낙하실험데이터를확보하고, 통계소프트웨어인 Minitab 버전을이용하여이들데이터를분석하였다 (Minitab, 00). 우선데이터측정환경의변동요인을파악하고적합한측정시스템을구축하기위한개선안을제시하였다. 그다음잡음을고려한성능시험을통해성능평가변동을분석하고잡음에강건한설계방안을고안하였다. 세번째로제작프로세스를분석하여양산환경에서발생할수있는제작변동요인을도출하고제작변동을줄이기위한개선방안을제안하였다. 본연구의결과는품질관련교과목을공부하는학생이나기업의제품개발자들에게개발단계의성능변동요인을찾고제품의성능변동을줄이기위한방법을모색하는데에참고가될수있으리라기대한다. 제 장에서는종이헬리콥터낙하실험을통하여측정시스템의변동요인을파악하고문제가있는부분을개선하여정확하고정밀한측정시스템을구축하는방법을, 제 장에서는잡음을고려한성능시험을통해성능평가시변동요인을확인하고개선하는방법을제안한다. 제 장에서는제작프로세스를분석하여양산공정에서발생할수있는제작변동요인을추출하여그에대한개선안을기술하고, 본논문의결론은제 5장에요약한다.. 측정변동분석 측정시스템의변동은정확도 (Accuracy) 와정밀도 (Precision) 로구분할수있는데, 정확도는치우침 (Bias), 선형성 (Linearity), 안정성 (Stability) 으로분류되고, 정밀도는반복성 (Repeatability) 과재현성 (Reproducibility) 으로분류된다. 정확도는측정값이참값과일치하는정도를나타내는것으로서측정값의평균과관련된문제이고, 정밀도는측정값의산포와관련된 Gage R&R(Repeatability and Reproducibility) 에대한것이다 (Bai et al. ; Montgomery, 0). 본연구에서는종이헬리콥터낙하시간측정에사용되는측정시스템의분석을통해문제가있는부분을확인하고개선안을제시하였다. 실험은높이 5cm 의실험실천장에서종이헬리콥터를떨어뜨린후바닥에닿을때까지의시간을초시계로측정하였다. <Figure > 에종이헬리콥터의형상및각부분명칭을, <Table > 에 Gage R&R 측정에사용된 0개의서로다른제품의사양을나타내었다. 이들은일정한범위내다양한제품을통해측정시스템의올바른평가를위한것으로날개, 허리, 몸통길이를변화시켜, 전체길이가.~.cm 범위에있도록하고, 날개너비 (.cm) 는동일
5 J Korean Soc Qual Manag Vol., No. :5-0, December 05 하게유지하였다. 낙하실험데이터는 명의측정자가 0개의제품을임의로하나씩선택하여측정하였고, 이를 명의측정자가 회반복수행하였다. 날개너비 (x) x 날개길이 (a) 자르는선 ( 실선 ) 접는선 ( 점선 ) 허리길이 (b) (y) 전체길이 몸통길이 (c) Figure. Paper Helicopter Design Table. Sample Dimensions of Paper Helicopters for Gage R&R 번호날개길이 (cm) 허리길이 (cm) 몸통길이 (cm) 전체길이 (cm).. 5.........0..... 5...0......0. 5.......... 0.0...0 ( 날개너비 :.cm) 종이헬리콥터의경우에는실험에필요한소량의제품만생산하기때문에공정의변동량을잘대변할수없으므로
Shin et al. : Understanding and Reducing Performance Variation in New Product Development Using Paper Helicopter Experiment 5 공차대비측정시스템의정밀도를나타내는 % 공차 (%Tolerance) 를평가지표로활용한다. 종이헬리콥터는낙하시간이길수록좋은성능을가진제품이므로식 () 과같이규격하한 (Lower Specification Limit) 만주어진경우의 % 공차계산식을이용해야한다. 식 () 에서 & 은 Gage R&R의표준편차이고, 는측정한데이터의총평균이다. 상수값 5.5는표준정규분포에서 % 범위를포함하는구간으로 Gage R&R을규격의폭 ( 공차 ) 과비교하기위한값이고, 한쪽범위만비교하기위해 로나누었다. 낙하시간에대한규격하한을.5초로정하고 % 공차를구해평가하기로하였다. & 공차 () 본논문에서는 Gage R&R 평가를위해 % 공차와더불어구별범주, 즉측정시스템이구별할수있는부품군의수를평가지표로삼았다. % 공차와구별범주의평가기준은 <Table > 와같다 (Lee, 00). Table. Gage R&R Evaluation Criteria 항목평가기준평가지침 % 공차 구별범주 0% 미만 합격 0%~0% 개선을전제로조건부합격 0% 이상 불합격 ~ 부적합 5 이상 적합 <Table > 과 <Figure > 에 Gage R&R의분석결과를나타내었다. <Table > 을보면총 Gage R&R의 % 공차 = 5.0%, 구별범주 = 이므로구별범주는만족스럽지만 % 공차의값이좋지못해측정시스템의개선이필요하다고판단하였다. 총 Gage R&R을세부적으로살펴보면반복성과재현성모두변동이크므로각각에영향을주는원인을찾고조치를취해야한다. Table. Gage R&R Study Before Improvement 요인 % 공차 총 Gage R&R 5.0 반복성. 재현성.5 부품대부품.5 총변동 50. 구별범주 =
5 J Korean Soc Qual Manag Vol., No. :5-0, December 05 낙하시간에대한 Gage R&R( 분산분석 ) 백분율 0 0 변동성분 % 기여 % 연구변동 % 공차.5 낙하시간 ( 제품번호 ) 표본범위 표본평균 0 Gage R&R 0. 0. 0.0.5.5 반복 5 0 5 0 제품번호 재현성 R 관리도 ( 측정자기준 ) 측정자에의한 Xbar 관리도 5 0 제품번호 5 부품 - 대 - 부품 0 UCL=0. _ R=0.0 LCL=0 UCL=.5 _ X=. LCL=.5.5.5.5 평균.5.5 5 제품번호 측정자 5 0 제품번호 낙하시간 ( 측정자 ) 제품번호 * 측정자교호작용 Figure. Gage R&R for the Flight Time Before Improvement 0 측정자 앞서수행한 Gage R&R 측정방법에는두가지문제점이있다. 첫째, 낙하시간을측정자의감각 ( 눈, 귀 ) 에의존해서측정하기때문에측정자간변동이발생하였다. 둘째, 종이헬리콥터를낙하하는자세의변화에따라불필요한손동작이바람을일으켰다. 첫번째문제점을개선하기위해아이폰의음파측정기 (Voice Memos Application) 로낙하시작시점과낙하종료시점에소리를인지하여그간격을계산하였다. 실험자는낙하를시작함과동시에특정소리를냈고, 종이헬리콥터가바닥에닿아소리가발생할때를낙하종료시점으로정하였다. 두번째문제점에대해서는측정매뉴얼을표준화하여이를충분히숙지한측정자를통해체계적인실험을수행하였다. 개선방안을도입하여수집한데이터로분석한결과를 <Table > 와 <Figure > 에나타내었다. <Table > 의결과를보면 % 공차 =., 구별범주 = 로산출되어 <Table > 의평가기준을모두만족한다. 따라서우수한반복성과재현성을가진측정시스템을구축하였다. Table. Gage R&R Study After Improvement to be Applied 요인 % 공차 총 Gage R&R. 반복성. 재현성.5 부품대부품. 총변동. 구별범주 =
Shin et al. : Understanding and Reducing Performance Variation in New Product Development Using Paper Helicopter Experiment 55 낙하시간에대한 Gage R&R( 분산분석 ) 백분율 00 50 변동성분 % 기여 % 연구변동 % 공차.5 낙하시간 _( 제품번호 _) 표본범위 표본평균 0.0 0.05 0.00 0 Gage R&R.5.5 5 반복 0 제품번호 _ 재현성 R 관리도 ( 측정자 _ 기준 ) 5 0 5 0 제품번호 _ 5 부품 - 대 - 부품 측정자 _에의한 Xbar 관리도 0 UCL=0.0 _ R=0.0 LCL=0 UCL=.0 _ X=.5 LCL=.0.5.5.5 평균.5 5 제품번호 _ 낙하시간 _( 측정자 _) 측정자 _ 제품번호 _ * 측정자 _ 교호작용.5 5 0 제품번호 _ Figure. Gage R&R for the Flight Time After Improvement 0 측정자 _ Gage R&R 평가이후에는치우침과선형성분석이수행되어야한다. 치우침분석은측정값의평균이기준값과일치하는지를평가하기위한것이고, 선형성분석은계측기의측정일관성을평가하기위한것으로기준값의변화에따른치우침의변화량을관찰한다. 기준값을모를때는기준값을정의하는활동이선행된다. AIAG(00) 에의하면측정수준이높은계측기로수집한데이터는그평균을기준값으로삼을수있다. 본연구에서는음파측정기를이용하여 곳의높이에서 0번반복측정한값을기준값으로삼았다. <Table 5> 에낙하높이에따른낙하시간의기준값을정의하였다. Table 5. Reference Values of the Flight Time for Measurement Systems Analysis 높이 (cm) 50 00 50 00 기준값 (sec).0..50 <Table 5> 에나타낸각각의높이에서낙하시간을 0번씩반복실험한데이터로치우침과선형성을분석한결과를 <Figure > 에나타내었다. 치우침에대한평가는공정변동백분율이 % 이하이면치우침이양호하다고판정하고, 선형성은가설검정 (H0: 회귀선에대한기울기와상수의값이 0이다, H: 회귀선에대한기울기와상수의값이 0이아니다 ) 을통해귀무가설이사실이면양호한것으로판정한다 (Lee, 00; AIAG, 00). 결론적으로 <Figure > 의분석결과를보면공정변동백분율이 0.0% 이하로나타나치우침이거의없고, 선형성에대한상수와기울기의 P값이각각 0., 0. 이므로선형성이양호한것으로판정하였다.
5 J Korean Soc Qual Manag Vol., No. :5-0, December 05 0.0 0.0 회귀 5% CI 데이터평균치우침 Gage 선형성 예측변수 계수 SE 계수 P 상수 -0.0000 0.0 0. 기울기 0.0000 0.005 0. S 0.0 R-제곱 0.% 선형성 0.00 % 선형성 0. 치우침 0.0 0.00 0 Gage 치우침 기준 치우침 % 치우침 P 평균 0.0055 0. 0.00.5 0.000 0. 0.5. 0.000 0.0 0.0 0.00 0. 0.0. 0.000 0. 0.5-0.0 0. 공정변동백분율 -0.0.5.0.5.5.0 기준값 백분율 0. 0.0 선형성 Figure. Gage Linearity and Bias Study Results 치우침 안정성분석의목적은시간의경과에따라변화하는온도, 습도, 진동등각종환경요소에성능특성의측정값이어느정도영향을받는지를파악하고자함이다. 사양이서로다른 개의종이헬리콥터로실험실에서측정가능한시간대를고려하여오전 시, 오후 시, 오후 시, 오후 시, 오후 시로나누고각시간대에 회반복측정하였다. 일동안시간의변화에따른측정값을 Xbar-R 관리도로나타내었다 <Figure 5>. 측정값이모두관리한계선내에존재하고, 특별한주기나경향성을보이지않으므로안정성이양호한것으로판정하였다. 낙하시간의 Xbar-R 관리도 표본평균..0.. UCL=.050 _ X=.5. LCL=. 5 표본 0 0. UCL=0. 표본범위 0. 0. _ R=0. 0. 0.0 LCL=0 5 0 표본 Figure 5. Xbar-R Control Chart for Stability Evaluation. 성능평가변동분석 성능평가변동분석은잡음을고려한성능시험을통해잡음요소가성능변동에얼마나크게영향을미치는지파악하고자하는것이다. 성능변동이높게나오면변동을줄이기위한방안을모색하고, 잡음에강건하도록재설계를해야한다 (Taguchi and Wu, ). 본연구에서는종이헬리콥터의성능인낙하시간에주요하게작용할것으로예상되는잡음요소두개를선정하였다. 내부잡음으로는날개의노후화를선정하고, 종이헬리콥터의날개를접었다편
Shin et al. : Understanding and Reducing Performance Variation in New Product Development Using Paper Helicopter Experiment 5 횟수에따라 0회, 00회로수준을정하였다. 외부잡음으로는바람의영향을인자로정하고, 천장에달린히터에서나오는바람의세기에따라수준을구분하였다. 잡음인자와수준은 <Table > 과같이나타낼수있다. Table. Noise Factors and Their Levels 수준 날개의노후화 바람의영향 고수준 00 강풍 저수준 0 약풍 잡음이낙하시간에얼마나영향을미치는지파악하기위해날개, 허리, 몸통길이가각각.0,.,.cm 이고, 날개너비가.cm 인헬리콥터를대상으로요인배치법을이용하여, <Table > 과같이 인자 수준의 회반복실험을수행하였고, 실험순서는 <Table > 의랜덤순서를따랐다. <Table > 에나타낸분산분석의결과를보면바람, 노후화, 바람과노후화의교호작용이모두성능저하에유의한효과임을알수있다. Table. A Replicated Design for Evaluating Noise Factors 표준순서 랜덤순서 바람 노후화 낙하시간 반복 반복 약풍 0..5 5 강풍 0.. 약풍 00.5.5 강풍 00.0. Table. Analysis of Variance Table for the Noise Factors 요인제곱합자유도평균제곱 F P-value 바람... 0.000 노후화 0.5 0.5. 0.000 바람 * 노후화 0. 0. 5.50 0.00 오차 0.00 0.00 계.5 변동을줄이기위해잡음이성능에미치는근본원인을분석한후개선방안을도출하였다. 바람이없는실험조건에서종이헬리콥터를낙하하면몸체의흔들림없이낙하중심을유지하지만, 바람이불면낙하중심이흔들리면서낙하시간의산포가커졌다. 낙하중심을유지하기위한방법으로종이헬리콥터의몸통끝에클립 (Clip) 을끼움으로써바람의영향을덜받도록하였다. 날개의노후화는날개의처짐현상을발생시켜제기능을발휘하지못하게하므로, 처짐현상이발생하는부분에테이프 (Tape) 를붙이기로하였다. 이렇게나온개선안을적용하여실험을하였으나클립의무게로인해낙하시간이현저히감소하는결과를초래하였다. 클립을끼워낙하중심이흔들리는것은방지할수있었지만종이헬리콥터의낙하시간은크게줄어든것이다. 그래서클립을끼워균형을유지하면서도낙하시간을늘일수있는설계방안을새롭게구상하였다. 몇번의시험결과, 낙하시균형이유지되는상태에서는날개의단면적이넓을수록낙하시간이길어지는것을알수있었다. 이에균형을유지하는한도내에서날개의길이를최대한으로늘이고, 몸통은최소한으로줄였으며, 날개의너비도 배이상늘였다. 종이헬리콥터의전체길이는거의동일하
5 J Korean Soc Qual Manag Vol., No. :5-0, December 05 게유지하면서몸통의길이는줄이고, 날개의길이와너비를늘려제품을재설계하였다 (<Figure >). 치수변경에대한사항은 <Table > 에나타내었다. 설계변경전 설계변경후 Tape Clip Figure. Paper Helicopter Redesign Compared with Original One Table. Change in Dimensions 단위 (cm) 설계변경전 설계변경후 전체길이.0.0 날개길이.0.0 허리길이..5 몸통길이..5 날개너비.. 재설계한종이헬리콥터는클립을끼운상태에서만제성능을발휘하였다. 클립은크기에따라 소형 과 대형 이있고, 테이프는붙이는횟수에따라 번 붙이는것과 번 붙이는것이있다. 클립과테이프가어떤조합에서가장우수한성능을발휘하는지를확인하기위해 가지설계대안을마련하고, 날개의노후화와바람의영향을모두반영하여 가지잡음조합에서실험을수행하였다 (<Table 0>).
Shin et al. : Understanding and Reducing Performance Variation in New Product Development Using Paper Helicopter Experiment 5 Table 0. Experimental Data of Four Redesign Alternatives 바람약풍강풍노후화 0 00 0 00 설계대안 클립 테이핑 y y y y 평균 표준편차 설계 소형 번....5. 0.5 설계 대형 번...0.0.0 0. 설계 소형 번....50.5 0. 설계 대형 번..5...5 0.05 설계변경전 개의잡음을고려한낙하시간실험데이터의평균과표준편차는각각., 0. 이었으므로, 설계변경후평균의변화가거의없으면서산포를줄일수있는설계안은 설계 이다. 즉, 종이헬리콥터에소형크기의클립을끼우고테이프를 번붙임으로써외부잡음 ( 바람의영향 ) 과내부잡음 ( 날개의노후화 ) 에보다강건한종이헬리콥터를만들수있다. 성능변동을줄이기위한설계개선사례는국내개발항공기에서도살펴볼수있다. 경공격기 FA-50 의전방동체안에는레이더가장착되는데, FA-50과구조체가동일한 T-50( 고등훈련기 ) 의경우에는훈련용으로사용되기때문에고가의레이더를장착하지않는다. 레이더가없는 T-50은본래의균형을잃고비행시흔들림이발생한다. 이는조종안정성에문제가되어성능변동의요인이된다. 따라서비행시조종안정성을유지하기위해전방동체안에구조용강재 (Structural Steel) 와밸러스트분동 (Ballast Weight) 을부착하여레이더의무게를대체하였다. Structural Steel 전방동체 Figure. T-50 Advanced Trainer Ballast Weight. 제작변동분석 제품의생산단계에서는개발단계와달리작업자의숙련도, 재료의불균일성, 생산시간의제약등여러가지제작변동요인들이발생하는데, 개발단계에서시험생산데이터를분석하여주요한변동요인들을파악하고이를개선하는것이필요하다. 본연구에서는제작변동분석을위해종이헬리콥터의제조프로세스를 <Figure > 과같이세분화하고, 제작실험을수행하여각프로세스에서발생한변동요인들을추출하였다. 실험계획법을이용하여성능저하에영향을크게미치는주요변동요인을선별하고이를개선하였다.
00 J Korean Soc Qual Manag Vol., No. :5-0, December 05 자르기 ( 날개, 몸통 ) 접기 ( 날개, 몸통 ) 풀바르기 ( 몸통 ) 테이핑 클립끼우기 Figure. Paper Helicopter Making Process 기업경영의경제적측면에서실제생산단계에서는제품별생산시간을최소한으로할당한다. 하지만생산능력이상으로생산시간을줄이면제품간오차가증가하게되고이에따라성능도저하된다. 이러한원리를이용하여생산시간의제한을두고제품의성능을저하시키는제작변동요인을도출할수있다. 본실험에서는제작변동요인을찾기위해 <Figure > 의제조프로세스를모두완료하는데걸리는시간을 5분, 분, 분으로제한하고, 실험자 명이제작실험을수행하였다. 그결과제한시간이 분이상일경우에는오차가거의없었지만, 분일때에확연히눈에띄는오차들이발생하였다. 각프로세스별로발생한오차들을파악하여날개자르기, 날개접기, 몸통접착, 테이프위치, 클립위치의 5가지변동요인을선정하였다. 이중낙하시간에주요하게영향을미치는요인을찾기위해 5인자 수준의 III 부분요인배치법을이용하였다. 부분요인배치법을이용하면두가지이상의요인효과가섞이는현상 인교락 (Confounding) 이발생하는데, III 부분요인배치실험계획에존재하는교락현상을나타내기위해주효과와 인자교호작용의효과간별명구조 (Alias Structure) 를 <Table > 에나타내었다. 예를들어, E와 AC는별명관계에있다고말하고, 이들효과는분리하여파악할수없다. Table. Alias Structure of the III Design A + BD + CE B + AD C + AE D + AB E + AC BC + DE BE + CD III 부분요인배치실험계획을 <Table > 에나타내었다. 코드화된 5개인자의 수준은모두오차가없음을
Shin et al. : Understanding and Reducing Performance Variation in New Product Development Using Paper Helicopter Experiment 0 의미하고, + 수준의의미는다음과같이정의하였다. 몸통접착변동 몸통을접어서풀로붙일때풀이부족하여완전히붙지않은것 클립위치변동 클립을몸통의정중앙으로부터좌측또는우측으로 mm정도치우치도록끼운것 테이프위치변동 날개가접히는부분에테이프를기울여서붙이는것 날개접기변동 날개를 mm정도비스듬히접는것 날개자르기변동 날개를 mm정도대각선으로자르면서허리의일부를더자르는것 Table. A Replicated III Design for Analyzing Manufacturing Variation 표준 랜덤 몸통 클립 테이프 날개 날개 낙하시간 순서 순서 접착 위치 위치 접기 자르기 반복 반복 5 - - -..0 0 - - - -.. 5 - - -.5.50 - -. 5 - - -.5.0 - -. 5 - - -....55 A: 몸통접착, B: 클립위치, C: 테이프위치, D: 날개접기, E: 날개자르기라할때, 유의한효과는 <Figure > 에서볼수있듯이 E, BE( 교호작용효과 ), D로나타났다. 표준화된효과의 Pareto 차트 ( 반응은 Y, 알파 = 0.05).0 E 요인 A B 이름꼬리접착클립위치 BE C D E 테이프위치날개접기날개자르기 D 항 BC B A C 0 5 표준화된효과 Figure. Pareto Chart of Effects of Manufacturing Variation 분석결과를해석하는데있어서 인자이상의교호작용효과는고려하지않았다. <Table > 에서보는바와같이, BE효과는 CD효과와교락되어있기때문에 BE+CD 로합쳐져나온효과를분리할필요가있다. 교락된효과를분리하기위해서는설계접기 (Fold-Over) 를해야하는데, 설계접기의대상으로는주효과가가장큰인자인 E를선택하여추가실험을수행하였다. 인자 E를대상으로설계접기는 <Table > 의설계행렬에서인자 E의수준만반대로,
0 J Korean Soc Qual Manag Vol., No. :5-0, December 05 즉 수준은 + 수준으로, + 수준은 수준으로바꾸어실험을하는것인데, 이렇게실험을하면별명관계가 <Table > 과같이된다 (Montgomery, 0). Table. Alias Structure of the Augmented Design A + BD B + AD C + ABCD D + AB E + ABDE AC + BCD AE + BDE BC + ACD BE + ADE CD + ABC CE + ABCDE DE + ABE 실험후 <Figure 0> 의파레토차트로분석한결과 CD효과의크기가매우작고 BE효과가유의한것으로밝혀졌다. 추가적으로 B의효과도유의하게나타났다. 결과적으로클립위치 (B), 날개접기 (D), 날개자르기 (E) 요인의변동을줄이기위한개선책이필요하였다. 표준화된효과의 Pareto 차트 ( 반응은 y, 알파 = 0.05).0 항 E BE D B AC DE A C CE BC CD AE 요인 A B C D E 이름꼬리접착클립위치테이프위치날개접기날개자르기 0 표준화된효과 0 Figure 0. Pareto Chart of Effects of Manufacturing Variation After Fold-over 날개자르기변동은날개를자르는방향을바꾸고, 자르는도구를교환함으로써개선할수있었다. 날개중앙의끝부분에서허리방향으로자를때, 실수로더자르는경우를방지하기위해, 허리와날개의경계선에서날개의끝방향으로자르는방향을바꾸었다. 그리고일반커터칼 (Cutter) 을이용할때작업자의숙련도에따라발생하는자르기오차를줄이기위해자와칼이일체형인모형제작커터칼 (Replica Production Cutter) 을활용하기로하였다 (<Figure >). 이커터칼을이용하면자의옆선을따라칼날의경로가고정되어있어누구나일직선으로정확하게자를수있다. 날개접기와클립위치의변동은종이헬리콥터의날개접는부위와클립을꼽는위치에미리스케치를
Shin et al. : Understanding and Reducing Performance Variation in New Product Development Using Paper Helicopter Experiment 0 함으로써오차를줄일수있었다. 이러한제작변동개선안을정리하여나타내면 <Table > 와같다. 커터칼 Figure. Replica Production Cutter Table. Improvements for Reducing Manufacturing Variation 제작변동요인 날개자르기 날개접기클립위치 개선안 자르는방향변경모형제작커터칼사용접는부위스케치꼽는부위스케치 개선안들이실제로성능변동감소에효과가있는지를검증하기위해 <Table 5> 와같이제조환경의변화에따라 가지로구분하여실험후낙하시간의평균과산포를비교분석하였다. Table 5. Changes in Manufacturing Environment for Verification of Improvement 제작환경의변화 개선안적용여부 제작소요시간 낙하시간의평균 낙하시간의표준편차 Y X 5분. 0.05 Y X 분. 0. Y O 분.5 0.0 -표본 t검정으로평균의변화를분석하였고, 등분산검정으로산포의변화를확인하였다. Y과 Y의평균을비교한결과 (H : μ > μ), p값은 0.000, 등분산검정결과의 p값은 0.0 로서, 평균과분산이서로다르다고할수있다 (<Figure >). 즉, Y가 Y보다평균이작고분산이크다고할수있다. Y와 Y을비교한결과에서는 H 을 μ < μ로둔평균검정의 p값은 0.000 이고, 등분산검정의 p값은 0.0 으로나타났다 (<Figure >). 즉, Y가 Y 보다평균은크고산포는작다고할수있다. Y과 Y의평균검정 (H : μ = μ) 과등분산검정의결과, p값이각각 0. 과 0. 로나와 Y과 Y의평균과분산이서로차이가없는것으로나타났다 (<Figure >). 결론적으로제작변동을줄이기위한개선안은통계적으로유의한효과를나타내고있으며, 제작시간을 5분에서 분으로단축하여도제작변동을줄이기위한개선안을적용하면낙하시간이감소하지않는다.
0 J Korean Soc Qual Manag Vol., No. :5-0, December 05 Y, Y 상자그림 Y, Y 의구간그림. 0.5 평균... 표준편차에대한 5% CI 0.00 0.5 0.50 0.5 0.00 0.05. 0.050 Y Y Y Y Figure. Means and Standard Deviations of Y and Y Y, Y 상자그림 Y, Y 의구간그림.. 0.5 0.00 평균.5...... 표준편차에대한 5% CI 0.5 0.50 0.5 0.00 0.05 0.050 Y Y Y Y Figure. Means and Standard Deviations of Y and Y Y, Y 상자그림 Y, Y 의구간그림.5 0. 0. 데이터.0.5.0.55 표준편차에대한 5% CI 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.05 0.0.50 Y Y 0.0 Y Y Figure. Means and Standard Deviations of Y and Y 기업의제조현장에서는제작변동을줄이기위한다양한활동들을하고있다. T50의제조과정중실수방지 (Fool Proof) 활동을통해제작변동을개선한사례를살펴보자. <Figure 5> 에 T50의부품으로이용되는일부철제구조물의홀 (Hole) 가공작업의개선전후를나타내었다. 개선전홀 (Hole) 가공에서는철제구조물을고정하기위해클램프 (Clamp) 를사용하였는데, 매번동일하게고정되지않아작업도중홀 (Hole) 위치의오차가발생하였다. 이를개선하기위해블록스토퍼 (Block Stopper) 를사용함으로써철제구조물의홀 (Hole) 위치를일정하게고정할수있었다.
Shin et al. : Understanding and Reducing Performance Variation in New Product Development Using Paper Helicopter Experiment 05 < 개선전 > < 개선후 > Clamp 사용으로 Hole 가공위치불안정 Block stopper 사용으로 Hole 가공결함예방 Figure 5. Improved Hole Working of T50 Steel Structures 5. 결론 제품의개발단계에서검토해야할변동으로서측정시스템, 성능평가, 생산공정의변동을고려하여, 종이헬리콥터낙하실험을통해확보한데이터를이용하여변동이발생하는원인을이해하고변동을줄이기위한방안을제시하였다. 성능변동의요인을분석한결과를바탕으로종이헬리콥터낙하실험의개선안을요약하면다음과같다. 정밀한측정시스템을구축하기위해음파측정기를사용하였고, 측정매뉴얼을표준화하였다. 성능평가변동을줄이기위한방안으로는몸통에클립을끼우고, 날개접는부분에테이프를붙여잡음에둔감하도록재설계하였다. 제작변동을개선하기위하여날개끝부분에서부터허리방향으로향하던날개자르기작업을반대방향으로, 즉허리에서시작하여날개끝부분으로자름으로써허리가더잘리는것을방지할수있었고, 모형제작커터칼을사용함으로써자르기작업의정확성을향상시켰다. 또한클립끼우기와테이핑작업을개선하기위해해당부분에스케치를하여제조작업의산포를줄였다. 본논문에서기술한성능변동분석및개선과정을통해성능변동이왜발생하고어떻게개선해야하는지를학습할수있다. 본논문의결과를바탕으로개발및설계부문엔지니어들이개발단계에서발생하는주요성능변동을이해하고, 개발품질향상을위해성능변동을줄이기위한기초계획을수립하는데에도움이될것이다. 향후연구분야는 ) 품질공학을배운학생들이신제품을설계하고제작하는캡스톤디자인 (Capstone Design) 과제를수행할때에주요한변동요인을파악하여성능변동을감소하는방법을제안하는것, ) 기업의실무자들이성능변동과관련하여해당기업의상황에맞는실습방법을개발하는것, ) 위의캡스톤디자인이나기업의실습방법개발에있어서, MacKay and Steiner() 가제시한피드백또는피드포워드제어를이용한분산감소방법과다수의성능특성을고려해야할때성능변동을줄이는문제가될것이다. REFERENCES AIAG(Automotive Industry Action Group). 00. Measurement Systems Analysis Reference Manual, th ed. USA. Agrawal, R., Lawless, J. F., and MacKay, R. J.. Analysis of Variation Transmission in Manufacturing Processes Part II. Journal of Quality Technology ():-5.
0 J Korean Soc Qual Manag Vol., No. :5-0, December 05 Anand, K. N.. Dispersion Control: A Company Philosophy to Meet Competitive Challenges. Quality Engineering 0():05-5. Bai, D. S., Ryu, M. C., Kwon, Y. I., Yun, W. Y., Kim, S. B., Hong, S. H., and Choi, I. S.. Statistical Quality Control, nd ed. Seoul: Youngjimunhwasa. Escalante, E. J.. Quality and Productivity Improvement: A Study of Variation and Defects in Manufacturing. Quality Engineering ():-. Heredia, J. A., and Gras, M. 00. Empirical Procedure for Modelling the Variation Transmission in a Manufacturing Process Quality Engineering ():50-5. Lawless, J. F., MacKay, R. J., and Robinson, A. J.. Analysis of Variation Transmission in Manufacturing Processes Part I. Journal of Quality Technology ():-. Lee, S. H. 00. MINITAB Measurement System Analysis. Gunpo, Seoul: Eretec Inc. Liu, J. 00. Variation Reduction for Multistage Manufacturing Processes: A Comparison Survey of Statistical-Process-Control vs Stream-of-Variation Methodologies. Quality and Reliability Engineering International ():5-. MacKay, R. J., and Steiner, S. H.. Strategies for Variability Reduction. Quality Engineering 0():5-. Mader, D. P., Prins, J., and Lampe, R. E.. The Economic Impact of Measurement Error. Quality Engineering ():5-5. Minitab Inc. 00. MINITAB Software, Release. PA: State College. Montgomery, D. C. 0. Design and Analysis of Experiments, th ed. USA: Wiley. Montgomery, D. C. 0. Statistical Quality Control, th ed. USA: Wiley. Palumbo, B., De Chiara, G., Sansonea, F., and Marroneb, R. 0. Technological Scenarios of Variation Transmission in Multistage Machining Processes. Quality and Reliability Engineering International (5):5-5. Taguchi, G., and Wu, Y.. Off-Line Quality Control. Central Japan Quality Control Association, Tokyo. Taylor, W. A.. Optimization and Variation Reduction in Quality. USA: McGraw-Hill.