품질과 신뢰성 - 3

KangMyungJoe·2022년 7월 5일

lgaimers

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해당 시리즈는 LG에서 지원하는 LG Aimers의 교육 내용을 정리한 것으로,
모든 출처는 https://www.lgaimers.ai/입니다.

제품 라이프 사이클 관점의 Total Cost의 관리가 필요하다. 품질비용은 잠재적 위험이며, 개발단계에서 시장품질을 예측 가능하고 제어되어야 한다.

그림에서 보면, 기업의 수입은 제조가 끝난 후에 발생하지만, 그에 따른 위험으로 보증, 리콜, AS 등이 있다.

신뢰성이란, 주어진 작동 환경에서 주어진 시간 동안 시스템이 고유의 기능을 수행할 확률을 뜻한다.

품질과 신뢰성의 차이점은 다음 표와 같다.

주요 차이점은

로 나열할 수 있다.

취약한 설계 : 제품이 초기부터 취약하게 설정되었거나 설계 오류 내지 부적합한 설계로 인한 고장의 원인
과부하 : 제품이 사용되는 과정에서 설계된 강도로는 견딜 수 없을 정도의 부하가 가해지도록 하는 고장 원인
강도와 부하의 산포 : 강도가 부하보다 더 높게 설계되었다고 하더라도 생산 혹은 사용 과정에서 강도 및 부하에 산포가 발생하여 부하가 강도보다 크게 되는 고장 원인
마모 : 초기에 충분한 강도로 설계된 제품이 사용에 따라 마모되어 고장을 유발하게 되는 원인
시간 매커니즘 : 배터리의 방전, 장시간 고온 노출 및 인장 부하에 의한 변형, 전자부품 파라미터 값의 변화 등 시간의 경과에 따라 발생하는 고장 원인
잠재된 오작동 : 모두 정상의 부품으로 제대로 조립된 제품이 특정 순서나 패턴으로 동작시킬 경우에만 발생하는 고장 원인
오류 : 설계 오류, 소프트웨어 코딩 오류, 조립 오류, 시험 오류, 잘못된 사용, 부적절한 유지보수 등 각종 오류에 기연된 고장 원인

신뢰성 공학의 학문적 발전

1950년 후반 ~ 1960년 : 확률분포로 고장현상 모형화, 지수분포에 관한 통계적 분석법 개발
1970년대 : 원자력 발전소를 비롯한 복합시스템에 초점을 맞춘 신뢰도와 안전을 고려한 위험분석 및 RCM(Reliability Centered Maintenance)을 비롯한 설비보전, 소프트웨어 신뢰도 분야 등으로 확대,
네트워크 신뢰도 연구 시작
1980년대 : 가속수명시험의 설계, 분석 방법론 연구 및 개발
1990년대 : (가속)열화시험방법과 분석법 개발, 초가속수명시험(HALT)과 강건설계, 실험계획법 등 새로운 방법론의 도입
2000년대 : 고장물리 분야가 더욱 다양하게 연구되고, 재료, 부품, 장비 고장 예측진단 기술의 필요와 활용에 관한 건전성예지관리(PHM)가 매우 크게 대두 됨
21세기 : 빅데이터 여건의 특성을 반영하여 기계학습(Machine-Learning), 강화학습(Deep Learning) 등을 통한 신뢰성분석과 예측에 관한 연구가 활발해지고 있다.

시스템 부품 고장 : 신뢰성 문제를 체계적 , 과학적으로 취급하기 위해서는 시스템의 고장을 수학적으로 설명할 수 있어야 한다. 시스템은 여러개의 부품으로 구성되며, 부품 고장의 모형화를 통해 시스템의 신뢰성 평가가 가능하다.

고장(Failure) : 고장의 발생 과정은 불확실성을 내포하고 있기에, 확률/통계 기반으로 수명을 모형화할 필요가 있어, 확률변수(Random Variable), 분포함수(Distribution Function) 개념을 도입한다.

수명(Lifetime) : 부품이 작동을 시작하는 시점부터 고장이 관측될 때 까지 경과한 시간 또는
대용척도 T (스위치 작동 횟수, 자동차 운행거리, 베어링 회전 수, 부품 사이클 수)

수명분포(Lifetime Distribution) : 수명 T의 고장밀도함수 f(t)와 고장분포함수 F(t)에 대해 다음과 같이 정의할 수 있다.

신뢰성 척도

신뢰도(Reliability): 부품, 제품, 시스템 등이 주어진 사용 조건에서 일정 기간동안 요구되는 기능을 고장 없이 수행할 확률
순간 고장율(Hazard Rate) : 어떤 시점까지 동작하고 있는 시스템이 계속되는 단위시간 동안 고장을 일으킬 비율
평균 고장율(Average Failure Rate) : 총 동작시간 동안의 고장 개수
평균 고장시간(MTTF: Mean-Time-To-Failure) : 수리불가시스템(Non-Repairable System)에서 고장이 발생하기 까지의 평균시간
평균 고장간격(MTBF: Mean-Time-Between-Failure) : 수리가능시스템(Repairable System)에서 고장간격 간의 평균 동작시간
보전도(Maintainability) : 고장난 시스템이 주어진 조건 하에서 규정된 시간 내에 수리(보전)을 완료할 확률
가용도(Availability) : 수리 가능한 시스템이 어떤 특정 시점에 기능을 유지하고 있을 확률

신뢰도 : 시스템 또는 부품이 작동을 시작해서 특정 시점 t까지 고장나지 않고 작동하고 있을 확률로 시구간 [0,t] 동안 고장나지 않을 확률로서 시간 t에 대한 함수다.

고장률 (Failure Rate) : 특정 시점까지 고장나지 않고 작동하던 부품이 다음 순간에 고장날 가능성이 얼마나 될 것인지 나타내는 척도로, 시점 t에서 작동하는 부품이 시구간 [t, t+delta T] 에서 고장날 확률

고장률과 욕조곡선(Bath Tub Curve)

처음과 끝의 고장률이 증가하는 모양새가 욕조와 비슷하다고 해 욕조곡선이다.

평균고장시간 (MTTF: Mean-Time-To-Failure) : 수리 불가능제품에 대해 고장날 때까지의 평균 시간
평균고장간격시간(MTBF: Mean-Time-Between-Failure) : 수리 가능제품에 대해서, 고장과 다음 고장 사이의 평균 시간간격
평균잔여수명(MRL: Mean Residual Life) : 자동차, 선박, 항공기 등의 중고제품을 구입할 경우, 향후 얼마나 더 사용할 수 있는지 평가하는 척도로 이미 t시간동안 사용된 부품이 x시간 동안 추가로 사용할 수 있는 확률을 구한다.