전기차에 새롭게 적용한 배터리에서 화재가 발생했다거나, 새로운 공장에서 수율 문제로 어려움을 겪는다는 소식이 종종 들려온다. 신제품 개발을 위해서는 새로운 재료, 신기술, 신공법이 적용되고, 이 과정에서 품질, 생산성 관련 문제에 직면하기 마련이다.

모빌리티 산업의 시대적 변화에 발맞추어 AIAG VDA FMEA에서는 기획 단계부터 각종 문제점을 체계적으로 분석하기 위해 Block Diagram이라는 도구 적용을 요구한다. 이번 호에서는 AIAG VDA FMEA 구조분석 내용과 품질문제 분석을 위한 기법을 소개한다.

자동차 기능 고장의 50% 정도가 부품 간의 상호작용을 하는 인터페이스 문제이다. [사진=셔터스톡]

최근 IATF(국제자동차협회)에서는 IATF 16949 심사원들에게 2023년 3월 7일까지 AIAG VDA FMEA 온라인 교육을 이수하고, 심사 자격을 획득할 것을 요구했다. 필자는 지난 12월에 본 교육을 이수하고 시험에 합격하여 올해부터 AIAG VDA FMEA 심사를 위한 자격을 획득하였다.

그리고 포드에서는 2023년부터 개발되는 제품에 AIAG VDA FMEA를 적용하여 승인받을 것을 요구하고 있다. 올해 자동차 부품사의 핵심 이슈는 AIAG VDA FMEA 적용이 될 듯하다.

◆ 설계 불량의 50%는 인터페이스에서 발생한다

미국의 유명한 FMEA 컨설턴트 Carl. S Carison은 그의 저서 『Effective FMEA』에서 많은 기업체를 컨설팅한 경험에 의하면 설계 불량의 50%가 인터페이스에서 발생한다고 한다.

자동차는 약 5만 개의 부품이 조립되어 상호작용을 통해서 기능을 수행한다. 고장은 바로 이러한 자동차의 기능(A’ssy나 부품의 기능)이 요구사항을 불만족하는 것으로 정의할 수 있다. 이러한 고장은 단순한 부품 고장과 인터페이스 고장에 의해 발생한다. 그런데 이러한 기능 고장의 50% 정도가 부품 간의 상호작용을 하는 인터페이스 문제라는 것이다.

따라서 설계문제를 해결하기 위해서는 설계상의 인터페이스를 정확히 파악하고 사전에 FMEA를 통해서 문제를 개선해야 한다. AIAG VDA FMEA Handbook에서는 이러한 인터페이스를 5가지로 정의하고, FMEA 구조분석 시 파악할 것을 요구하고 있다.

◆ 인터페이스란 무엇인가?

설계 FMEA에서 부품 간 인터페이스 모델링 도구로 Block·Boundary Diagram(<그림 1>)을 소개한다. 제품 구조를 분석하고 부품과 부품, 부품과 A’ssy, 자사 제품과 타사 제품의 관계를 물리적 연결, 재료 교환, 에너지 전달, 데이터 교환, 휴먼-머신 등 5가지 형태로 파악하게 된다.

- 정의 : 인터페이스는 두 개의 부품 또는 하위 시스템이 만나는 지점 또는 표면
- 5가지 형태 : 물리적 연결, 재료 교환, 에너지 전달, 데이터 교환, 휴먼-머신
- 고장 유발 : 인터페이스는 최대 50% 이상의 전체 고장 모드를 포함할 수 있음
- 고려사항 : 하위 시스템과 구성 요소 간의 인터페이스를 신중하게 고려하는 것이 중요함

이러한 인터페이스는 상호작용과 외부환경의 스트레스에 의해 고장이 발생하게 된다(<그림 2> 참조).

1) 물리적 연결 예시 : 용접, 브래킷, 볼트, 클램프 및 다양한 형태의 커넥터
2) 재료 교환 예시 : 공압 유체, 유압 유체, 기타 유체 또는 재료 교환
3) 에너지 전달 예시 : 열 전달, 체인 링크 또는 기어와 같은 마찰 또는 운동 전달
4) 데이터 교환 예시 : 컴퓨터 입력 또는 출력, 배선 장치, 전기 신호 또는 정보 교환, 사이버 보안 항목
5) 휴먼-머신 예시 : 컨트롤, 스위치, 계기판, 디스플레이, 경고, 좌석, 진입·출구

이러한 인터페이스는 설계 FMEA의 구조분석 단계에서 파악하여 기능과 고장 분석을 하게 된다(<그림 3> 참조).

◆ D-FMEA의 구조 분석

Structure Tree
실질적인 FMEA의 시작은 구조분석이다. 신제품의 도면과 BOM을 활용하여 고장을 분석하고자 하는 핵심레벨을 결정하고, 상하 관계를 Tree 구조로 분석하게 된다. AIAG VDA FMEA 핸드북에서는 구조분석을 위한 도구로 Structure Tree(구조도)를 소개하고 있다. <그림 4>는 내비게이션 시스템의 구조분석 사례다.

Work Sheet 작성
구조도를 이용하여 제품을 3레벨로 정의한 뒤에 FMEA Work Sheet에 다음 상위 수준에는 자사 제품의 완제품을 배치하고, 초점요소에는 고장을 분석하고자 하는 A’ssy를 배치하고, 다음 하위 수준에는 A’ssy를 구성하는 단위 부품을 배치한다(<표> 참조).

대부분의 제조회사에서의 BOM은 제조 BOM 또는 하드웨어 BOM을 작성한다. 그래서 실제 현장에서 D-FMEA 컨설팅을 하다 보면 하드웨어 BOM 레벨과 구조분석 3레벨이 불일치한 경우의 문제점에 대해 가장 많은 질문을 받는다. 이런 경우 해결책은 두 가지다.

첫째, 자사 제품이 하드웨어 구조상 2레벨로 구성되는 경우 3레벨에는 특성유형을 배치한다.

둘째, 자사 제품의 하드웨어 BOM이 4레벨 또는 5레벨로 구성된 경우 기능 단위로 재분류하여 기능 BOM을 3레벨로 재정의해야 한다.

마지막으로 설계 FMEA의 구조분석 시 주의해야 할 사항은 다음과 같다.

실제 고장은 완제품을 구성하는 모든 요소에서 발생하며, 모든 부품은 최소 2가지 이상의 기능을 가지고 있다. 따라서 신제품에서 예상되는 잠재적 고장을 도출하여 개선하고자 할 경우에는 완제품을 구성하는 모든 BOM을 구조분석에 반영해야 한다. 그래야 어떤 부품이 고장이 발생하여 상위모듈과 완제품에서 고장이 발생하는지 도출할 수 있다.

AIAG VDA FMEA는 이미 10여 년 전부터 독일 자동차 회사에서 개발되어 적용하고 있다. 우리는 미국식 AIAG FMEA에 익숙해서 구조분석부터 차이점을 느낄 수 있다. 필자가 2019년부터 자동차 부품사들을 대상으로 AIAG VDA FMEA 교육과 컨설팅을 해오면서 기존보다 더 많은 잠재적 고장을 분석하는 장점을 체험할 수 있었다.

이미 자동차 산업에서는 AIAG VDA FMEA가 채택되었고 올해부터 적용해야 하기에, 기업 실무자들은 본 기법에 대한 체계적인 교육을 받아서 실제 귀사의 신제품 개발에서 품질문제 개선에 활용하기를 기대한다.

신흥섭 AMPSYSTEM 대표 컨설턴트