자동차 산업에서는 불량률을 낮추기 위해 제품설계, 공정설계 단계에서 FMEA기법을 사용하여 불량을 최대한 개선한 후에 양산으로 이관할 것을 요구하고 있다. AIAG VDA FMEA에서 불량의 인과관계를 분석하는 고장사슬 기법을 소개한다.

불량발생 원인 요소 4M에 의해 복합적으로 발생하는 고장분석 기법, 일명 고장사슬에 대해 알아본다. [사진=셔터스톡]

수십 년간 같은 제품을 생산해도 만성적인 불량이 완전히 없어지지 않는 이유는 무엇일까? 제품의 재료나 구조적인 측면에서 불량이 발생할 수밖에 없는 경우가 있기 때문이다.

예를 들어, 타이어를 생산하는 과정에서 고무 부품을 여러 장 부착하여 성형공정을 거친다. 이때 고무 부품층간에는 아주 적은 양의 공기가 존재하는데, 가류공정에서 AIR BentHole을 통해 공기를 배출한다. 하지만 이러한 구조적인 문제로 인해 발생하는 에어 불량을 완전히 제거하기 위해서는 성형공정과 가류공정을 계속해서 개선해 나가야 한다. 이러한 노력에도 불구하고, 아직까지 완전한 제로화는 어려운 상황이다.

전기차 배터리는 액체 전해액으로 인해 화재 위험이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 고체 전해액을 사용하는 전고체 배터리가 개발되고 있다.

품질학자 Joseph M. Juran은 "설계에 의해 불량의 80%가 결정된다"는 개념을 제안하였다. 제품 설계나 공정 설계에서 재질, 구조, 형상이나 제조 방법이 잘못 설계되면, 제조 과정에서는 불량을 낮출 수 있는 여지가 전체의 20%밖에 되지 않는다는 것이다. 즉, 설계 단계부터 올바르게 품질을 설계하지 못하면, 제조 공정의 불량은 불가피하다. 따라서 자동차 산업에서는 제품 및 공정 설계 단계에서 FMEA 기법을 사용하여 불량을 최대한 개선한 후 양산 단계로 이관할 것을 요구하고 있다.

생산 공정상 만성적 불량 발생 요인

제조업에서 만성적인 불량이 발생하는 이유는 여러 가지가 있을 수 있지만, 일반적으로는 다음과 같은 이유들이 있다.

첫째는 공정 불안정성이다. 제조 공정에서 생산되는 제품에 대한 공정의 불안정성이나 불균형성으로 인해 생산 과정에서 일관된 품질을 유지하기 어렵다. 이는 기계나 장비의 불량, 공정 파라미터의 변동, 작업자의 기술 부족 등으로 인해 발생할 수 있다.

둘째는 자재 불량이다. 자재의 품질이나 규격이 일관되지 않거나, 자재의 사용기한이 지나거나, 부적절한 보관 등으로 인해 자재 성능이 저하되어 생산 과정에서 불량이 발생할 수 있다.

셋째는 검사 기준의 부재다. 검사 기준이 불명확하거나, 이를 지키지 않는 경우다. 검사 과정에서 적절한 기준을 사용하지 않거나, 검사의 불완전성 등으로 인해 불량 제품이 생산되는 경우가 있다.

넷째는 작업자의 실수다. 작업자의 기술 수준이나 지식 부족, 규정 준수 등의 문제로 인해 불량이 발생할 수 있다. 작업자의 실수로 인한 불량은 발생률이 높아, 적극적인 교육 및 훈련을 통해 이를 최소화할 필요가 있다.

다섯째는 설계 문제다. 제품 설계나 구조에 문제가 있는 경우다. 제품 설계과정에서 미처 고려하지 못한 요소나 제품의 특성상 발생할 수 있는 문제를 사전에 파악하고 예방해야 한다.

설계 단계에서 불량 요인 분석 및 개선 필요

자동차 산업의 제품설계 과정을 살펴보고, 제품설계 및 공정설계 단계에서의 FMEA 활동에 대해 이야기하고자 한다. IATF 16949에서 APQP(Advanced Product Quality Planning)는 자동차 산업에서 새로운 제품이나 공정을 도입할 때 제품 품질을 보장하기 위해 수행하는 활동이다. APQP는 총 5단계로 구성된다.

첫째는 기획 단계(Planning)다. 제품 및 공정 요구사항을 수집하고, 이에 대한 전반적인 계획을 수립한다. 이 단계에서는 고객 요구사항, 기술적인 요구사항, 법적인 요구사항 등을 수집하고, 이를 바탕으로 제품 및 공정 개발에 필요한 전반적인 계획을 수립한다.

둘째는 제품설계 및 개발 단계(Product Design and Development)다. 제품 및 공정 설계를 수행하고, 설계 검증을 진행한다. 이 단계에서는 제품의 기능, 디자인, 안전성, 제조성 등을 고려하여 제품 및 공정을 설계하고, 이를 바탕으로 제품의 검증을 수행한다.

셋째는 공정설계 및 개발 단계(Process Design and Development)다. APQP의 공정설계 활동은 설계 단계에서 도출된 제품 설계 정보를 바탕으로 생산 공정을 개발하고, 이를 검증하여 공정 안정성을 확보하는 활동이다.

넷째는 제품 및 공정 유효성 검증(Product&Process Validation)이다. 생산 준비를 위해 생산 공정을 최종적으로 검증하고, 인력을 교육한다. 이 단계에서는 생산 준비를 위한 전체적인 계획을 세우고, 생산 공정의 안정성을 검증한다.

다섯째는 생산 단계(Production)다. 제품 생산을 수행하고, 생산 공정의 안정성을 유지하기 위해 지속적인 개선을 수행한다. 이 단계에서는 제품 생산을 시작하고, 생산 공정의 안정성을 지속적으로 유지하며, 생산 과정에서 발생한 이슈를 해결하여 생산 효율성을 높이는 등의 개선활동을 수행한다.

설계 FMEA는 APQP 2단계 제품설계 및 개발 단계에서 신제품의 잠재적 고장을 분석, 개선하는 도구로 사용되며, 공정 FMEA는 APQP 3단계 공정설계 단계에서 새로운 공정, 설비, 금형, 지그, 치공구 및 공정 파라미터의 설계 측면에서 잠재적 고장을 분석 및 개선하는 데 사용된다.

FMEA를 통해 도출된 불량예방을 관리하기 위한 제품 및 공정 특성은 관리계획서에 반영되고, 양산공정에서는 SPC활동으로 불량을 예방하게 된다.

양산 공정 불량은 복합 요인 분석해야

제조업에서 불량은 다양한 요소들이 복합적으로 작용하여 발생한다. 그중에서도 설계는 불량 발생 원인 중 하나이지만, 보통 제조업에서는 불량 발생 원인을 4M(Man, Machine, in-Material, environMent) 요소로 구분한다. 이들은 모두 제조 과정에서 발생할 수 있는 원인들이다. AIAG VDA FMEA에서 불량을 분석하는 새로운 4M에 대한 접근방법은 이전 호에서 자세히 살펴본 바 있다.

이번 호에서는 이러한 4M에 의해 복합적으로 발생하는 고장분석 기법, 일명 Failure Chain(고장사슬)에 대해 소개한다.

AIAG VDA FMEA에서 Failure Chain은 여러 가지 결함이 발생하여 고장을 유발하고, 이것이 전체 시스템고장으로 발전하는 과정을 분석하는 도구다.

Failure Chain은 FMEA에서 매우 중요한 역할을 한다. FMEA는 제품 또는 프로세스에서 잠재적인 결함을 식별하고, 해당 결함이 어떤 문제를 야기할 수 있는지 예측한다. 이를 통해 조기에 결함을 예방하거나 개선할 수 있다. Failure Chain은 이러한 결함들이 서로 상호작용하여 어떻게 문제가 생길 수 있는지 설명한다.

만성적인 불량은 잠재적인 복합고장요인을 분석해야 한다. 필자가 다년간의 현장 컨설팅을 통해 경험한 바에 의하면, 만성적인 불량은 하나의 요인에 의해 발생하는 것이 아니라, 4M의 여러 요인들이 복합적으로 작용해서 발생한다. 이것은 제조업에 몇 년만 근무해도 누구나 알 수 있는 사실이다. 그래서 제조현장의 분임조활동에서도 불량을 분석하기 위한 특성요인도를 사용한다.

다음은 이러한 불량을 분석하기 위한 방법 세 가지다.

첫째는 단순 불량의 경우다. 제조공정에서 발생하는 불량 중 가장 일반적이고 간단한 종류다. 불량의 원인이 명확하고, 하나 또는 두 가지 이내의 요인에 의해 발생하는 불량이다.

이러한 불량은 현장에서 즉시 개선할 수 있다. 공정설계 단계에서 이 FMEA의 목적은 새로운 설비, 공정, 금형 및 공정조건에 의해 발생이 예상되는 불량 분석에 집중해야 한다. 이러한 단순불량은 공정설계 단계에서 FMEA와 같은 복잡한 기법으로 분석해야 할 대상에게 가능한 지양하는 것이 바람직하다.

둘째는 복합고장의 경우다. 서로 다른 부분이 상호 영향을 주어 복합적으로 고장이 발생하는 현상이다. 복합고장은 두 개 이상의 고장 원인이 동시에 발생하거나 하나의 원인이 여러 부분에 영향을 주는 경우 발생할 수 있다. 신제품에서 엔지니어들이 가장 고민하는 불량은 해당 공정의 여러 가지 4M요인이 상호작용을 통해 발생하는 복합고장을 이야기한다.

이러한 문제를 해결하기 위해 첫째, 잠재적 불량 요인을 모두 찾아내야 한다. 엔지니어들은 불량을 일으키는 4M의 여러 요인을 찾기 위해 설비, 생기, 설계, 협력업체, 생산, 품질 엔지니어들이 머리를 맞대고 심도 있게 토론하기도 하고, 외부 전문가의 도움을 받기도 한다.

둘째, 잠재적 요인 중 불량의 근본원인(Chain: 불량과 강한 상관관계)을 찾아내야 한다. 여러 불량요인을 한꺼번에 분석하여 근본 원인과 최적 조건을 찾는 데는 실험계획법이 가장 좋다. 시행착오법은 여러 요인이 상호작용하는 복합고장의 최적조건을 찾기에는 어렵다.

셋째는 복잡고장의 경우다. 복잡고장은 여러 공정의 여러 원인이 복합적으로 작용하여 발생하는 고장으로, 단순한 하나의 고장원인으로 해결되지 않는 경우가 많다. 이러한 고장은 주로 시스템 수준(여러 공정)에서 발생하며, 공정과 공정 간 상호작용이 원인이다. 이러한 불량은 앞 공정의 제품 특성이 후공정의 불량 요인에 영향을 미치는 경우다.

공정설계 단계에서는 해당 공정의 최적조건을 설계하는 데 집중한다. 앞 공정에서 투입되는 반제품은 해당 공정에서 요구하는 기준 이내로 제공된다고 가정한다. 하지만, 실제 제조공정에서는 그렇지 못한 경우가 많다. 이러한 상황이 예상된다면 앞 공정에서 투입되는 반제품의 품질 특성을 검사하고, 이상이 있는 경우 해당 공정으로 투입되지 않는 시스템을 설계하는 것이 필요하다.

복합 불량 요인의 근본적 차단

이전 공정에서 생산된 반제품의 품질 특성이 해당 공정의 불량 요인으로 파악된다면, 앞 공정 반제품의 품질산포에 관계없이 후공정에서 양품을 만드는 것은 불가능할 수 있다.

물론 재작업이나 재처리를 통해 양품을 생산할 수도 있다. 하지만 가장 좋은 방법은 공정 간 품질특성 간 관계를 정량적으로 규명하고, 원천적으로 앞 공정에서는 정상 제품만 투입되도록 센서나 인터락, Error Proof 장치를 설치하여 근본적으로 이상품의 투입을 차단하도록 공정을 설계하는 것이 가장 좋다.

FMEA에서는 불량을 예방하기 위한 공정조건의 최적화와, 불량이 원칙적으로 투입되지 않도록 하거나, 해당 공정에서 불량이 발생하면 후공정으로 투입되기 전에 검출하여 제거하는 방법, 공정 중 제거가 어렵다면 해당 공정 후 Error Proof 장착을 통해 검출하여 후공정 투입을 근본적으로 제거하는 공정설계 활동이 필요하다.

신흥섭 AMPSYSTEM 대표 컨설턴트