AIAG VDA FMEA는 자동차 산업에서 제품 개발 과정에서 사용되는 FMEA(Failure Modes and Effects Analysis) 기술을 표준화하는 노력으로, AIAG와 VDA가 공동으로 개발했다.

이전까지는 AIAG에서 발행한 FMEA와 VDA에서 발행한 FMEA가 있었으나 이를 통합하고 국제적으로 사용가능한 표준화된 FMEA 기술을 제공하기 위해 개발됐다.

FMEA는 제품의 안전성을 확보하고 고객만족도를 높이기 위한 중요한 기법 중 하나이다. [사진=셔터스톡]

AP 평가 방법은 AIAG VDA FMEA의 1st edition에서 도입됐다. 이전까지 FMEA에서는 심각도(S), 발생도(O)와 검출도(D)를 곱해 ‘Risk Priority Number(RPN)’를 계산해 위험 우선순위도를 평가하는 방법을 사용했다. 그러나 RPN 방법은 심각도, 발생도, 검출도 중 하나만 낮춰도 RPN 값이 낮아지게 된다.

이에 따라 개선하는 데 많은 노력이 필요한 심각도 발생률을 낮추기보다 손쉬운 검출도를 낮추는 방식으로 RPN을 낮추는 데 기업들이 주력한 결과 제품 안전과 제조업의 불량발생을 낮추는 데는 실패했다.

자동차 메이커에서는 심각도가 높은 특별 특성은 RPN에 관계없이 개선하도록 했으며 RPN의 보조수단으로 심각도×발생도, 심각도×검출도라는 기준을 추가해 고객에게 위험을 초래하는 고장을 제거하거나 완화하도록 유도했다.

이러한 문제점을 개선하기 위해 AIAG VDA FMEA에서는 AP 평가 방법을 도입했다. AP 평가 방법은 심각도, 발생도, 검출도를 각각 5개 구간으로 나눠 심각도, 발생도, 검출도 순으로 개선하도록 설계됐다. 이에 따라 AP 평가 방법은 AIAG VDA FMEA에서 더욱 정확하고 유용한 위험 평가방법으로 인정받고 있다.

FMEA의 3대 리스크 평가 방법의 변화

최근에는 자동차 산업에서 내연기관을 탈피해 전기차, 수소차로 기술변화가 급격하게 진행되고 있다. 이에 따라 새로운 구조, 신재료, 신공법, 신기술 등이 자동차 산업에 적용돼 왔다. 그러나 예상하지 못한 불량이 발생하고 있다. 자동차 산업은 사람의 생명과 밀접한 관련이 있기 때문에 불량은 경제적인 손실뿐 아니라 법적 문제까지 초래할 수 있다.

따라서 이러한 기술적 변화에 따른 리스크를 평가하는 기준도 새롭게 변경됐다. FMEA에서는 리스크를 평가하기 위해 심각도, 발생도, 검출도 3가지 기준을 사용한다. 최근에는 이러한 3가지 리스크 평가 방법도 변화하고 있다.

먼저, 심각도는 불량의 종류와 그 결과로 정의된다. 예를 들어 자동차 하위 부품의 고장은 상위 서브시스템의 고장 원인이 될 수 있으며, 서브시스템의 고장은 자동차의 고장 원인이 될 수 있다. 이러한 고장은 최종적으로 사용자에게까지 영향을 미칠 수 있으므로 심각도는 운전자, 정부 규정 등에 대한 영향을 고려해 평가된다.

기존에는 자동차의 심각도 기준이 주로 완성차나 정부 규정 등에 대한 영향으로만 평가됐다면, 새로운 기준에서는 운전자와 승객의 안전에 더욱 초점이 맞춰져 있다. 따라서 자동차 안전운행과 다른 자동차의 안전운행, 운전자와 탑승자, 도로 사용자나 보행자의 건강 등과 같이 좀 더 구체적인 기준이 추가돼 심각도를 평가하게 된다.

예를 들어, 충돌 시 승객의 보호나 브레이크 제동거리와 같은 자동차의 안전운행, 헤드램프의 빛의 세기와 각도와 같은 다른 자동차의 안전운행, 에어백의 전개각도와 시간, 안전벨트의 강도와 같은 운전자와 탑승자, 그리고 배기가스와 같은 도로 사용자나 보행자의 건강 등이 평가 기준에 포함된다. 이를 통해 더욱 정확하게 고장 영향을 평가할 수 있게 됐으며 불량을 사전에 예방하고 안전한 제품을 만들기 위한 대응책을 수립할 수 있다.

다음은 공정 FMEA 심각도 기준의 변경사항이다. FMEA 4판에서는 최종사용자와 자사에 미치는 영향 2가지 측면에서 고장의 영향을 평가했다. 그러나 새로운 FMEA에서는 고장에 미치는 영향을 자사, 상위 고객, 완성차 및 사용자 등 3가지 측면으로 세분화했다. 자동차는 완성차, 1차 벤더, 2차 벤더, 3차 벤더 등으로 계층화 돼 있다.

즉 하위 벤더의 고장은 상위 벤더의 고장 원인이 되어 생산라인을 중단하거나, 선별, 수리, 교환의 손실을 유발하게 된다. 이러한 변화는 고객중시, 고객만족을 최우선으로 제품을 생산해야 한다는 사상이 반영된 것이다.

FMEA는 기업에서 단순한 승인을 받기 위한 형식적인 서류로만 인식되는 것은 아쉬운 일이다. FMEA는 제품의 안전성을 확보하고 고객만족도를 높이기 위한 중요한 기법 중 하나이기 때문이다. 더 나아가 FMEA를 통해 발견된 문제점을 해결하고 개선하는 과정은 기업의 경제적인 이익 또한 크게 향상시킬 수 있다.

따라서 기업에서는 FMEA를 단순한 형식적인 서류로만 인식하는 것이 아니라 자사의 경제적 손실과 고객의 손실을 최소화하는 방향으로 노력해야 한다.

<그림> 새로운 기준의 FMEA

신기술, 신공법에 따른 불량발생의 리스크 평가해야

현재 자동차 산업에서는 미래 자동차 시장에서 선두를 달리기 위해 배터리 성능 개선, 안전성 확보, 경제성 확보를 위한 신기술 및 신공법 경쟁이 치열하게 전개되고 있다. 매일 신문에서는 어떤 기업에서 새로운 양극재를 개발했다거나 화재가 나지 않는 전고체배터리 신기술을 개발했다는 소식이 보도되고 있다.

또한, 배터리 원가를 낮추기 위해 LFP 제품을 생산하겠다는 발표도 나오고 있다. 이와 함께 전기차 사고에 대한 소식도 종종 보도되고 있어 자동차 산업에서는 기술적인 발전과 더불어 안전성 측면에서도 지속적인 연구가 이뤄지고 있다.

자동차 산업에서는 지속적으로 기술변화가 일어나고 있으며, 이에 따라 고객이 기대하는 성능과 안전성을 유지하며 제품 수명을 유지해야 한다. 이를 위해서는 신기술, 신공법, 신재료 개발 시 5년 이상의 수명 기간에서 발생할 수 있는 결함을 예측하고 예방하는 방법이 필요하다. 그렇지 않으면 클레임, PL, RECALL 등 문제가 발생해 회사의 생존이 위협받을 수 있다. 이에 따라 FMEA 발생도 기준도 불량 발생 예방관리 유형과 예방관리의 효과성 모두 평가하도록 세분화되고 있다.

먼저, 설계 FMEA의 발생도 평가 방법에 대해 살펴보면 제품에 새로운 신기술, 혁신기술, 신재료를 적용할 때는 제품 검증과 유효성 평가를 반드시 수행해야 한다. 이후에는 표준화를 통해 불량 발생을 예방하고, 베스트 예방 사례를 찾아 적용해야 한다. 또한, 필드에서 자동차가 사용되는 동안의 신뢰성을 정량적으로 평가하고 예측할 수 있는 기법을 확보하는 것이 요구된다.

둘째, 부품의 수명이 변경되거나 사용 환경이 변경될 때, 소형차에 적용하는 것을 중·대형차에 적용할 때는 반드시 제품을 검증하고 유효성을 평가해야 할 뿐 아니라 신뢰성 목표를 수립해 불량을 예방할 것을 요구하고 있다. 신기술, 신재료는 기존 방법보다 우수한 점도 있지만 불량을 예방할 수 있는 방법을 확보할 수 없다면 오히려 독이 될 수 있다는 것을 고려해야 한다.

FMEA 발생도 평가 기준의 변경사항

다음은 공정 FMEA 발생도 평가 기준의 변경사항에 대해 알아보자. 부품제조사는 설계도면과 사양을 상위 벤더로부터 제공받아 안전하고 생산성 높은 고품질의 제품을 생산해야 한다. 그러나 제조 공정에서는 항상 4M(Man, Machine, Material, Method)의 요소들이 변동하며 이에 따라 불량이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해 공정 FMEA를 통해 가능한 모든 위험을 파악하고 예방조치를 취해야 한다.

FMEA 4판에서는 과거 유사제품의 불량률을 근거해 엔지니어들이 불량발생도를 추정했다. 하지만 새로운 재료, 신공법이 도입되면서 과거에는 발생하지 않았던 불량이 발생하게 되고 과거 불량률 데이터가 없는 경우도 있다. 이에 따라 공정불량을 예방하기 위한 관리유형과 예방관리 유형의 효과성을 평가해 객관적 근거에 따라 예방관리를 강화할 것을 요구하고 있다.

생산 공장이 기계화·자동화되고, 작업자의 인권이 강화하는 현 상황에서는 과거처럼 작업자를 교육하고 훈련하는 것만으로는 불량 예방에 한계가 있다. 신공법, 신재료를 적용한다면 과학적이고 기술적인 방법으로 불량 예방 체제를 수립하고 작업자 교육과 훈련을 해야 한다.

그리고 불량의 재발을 막기 위해 이미 검증된 방법을 신제품에 수평 전개하여 불량을 최소화해야 한다. 이러한 방법은 이미 ‘IATF 16949: 2016년 표준’과 ‘ISO/TS 16949: 2002년 표준’에서 요구하고 있으며 이러한 방법을 FMEA를 통해 불량 예방을 위한 방법론으로 새롭게 제시하고 있다.

이러한 새로운 FMEA의 우수성을 알고 있고 기법을 제정하는 데 참여했던 BMW, FORD, 혼다 등은 새로운 FMEA를 2022년부터 적용하고 있으나 아직 국내에서는 그렇지 못한 실정이다.

검출(검사) 방법의 성숙도와 검출기회 평가

모든 제품과 공정은 인위적 변화를 통해 제품화되기 때문에 제품구조, 재질, 특성, 4M의 변화로 인해 불량은 발생할 수밖에 없다. 불량발생을 제로화할 수 없다면 고객에게 유출되기 전 검출하는 것이 최선의 방법이다.

불량은 후공정으로 갈수록 피해액이 10배씩 증가한다는 이론이 있다. 이러한 1:10:100의 원칙을 1980년대에는 일본의 도요타 자동차에서 적용해 널리 알려졌다. 도요타는 이 원칙을 적용해 높은 품질과 신뢰성을 갖는 제품을 생산할 수 있었다고 한다.

이러한 원칙이 공정 FMEA의 검출도 기준에 반영돼 있다. 제품의 불량을 완성 후에 검사하는 것보다 공정 과정에서 모니터링 하는 것이 더 효과적이며, 과거의 결함이 현 제품 공정에 투입되지 않도록 예방하는 게 효과적이다.

현대의 제조공정은 생산속도가 매우 빠르고 기계화돼 있다. 사람의 오감으로 불량을 검출하는 것은 AI의 발전으로 비전검사 장치가 대체하고 있으며, 센서 및 검출장치의 발전으로 사람이 측정하던 것을 기계가 대체하고 있다.

그리고 기계에서 불량을 검출했을 때 사람에게 알리고 조치를 취하도록 경광등이나 부저를 설치하는 기업도 증가하고 있다. 이러한 현대 기업의 변화를 FMEA 검출도 평가 기준에 반영해 개선해나가야 한다.

<그림> 공정 FMEA의 검출도 기준

기술의 발전 FMEA 검출도 평가 기준에 반영해야

지금의 기술의 발전으로 다른 회사 제품보다 한발 앞선 성능의 제품을 출시하지 못하면 순간에 추월을 당하게 된다. 따라서 매년 신차가 나올 때마다 이전보다 높은 사양, 높은 성능, 고품질을 요구하고 있다. 이에 따라 자동차 산업에서는 공정능력을 Cpk 1.33 이상의 수준을 요구하고 있다.

따라서 측정시스템이 측정능력이 부족하게 되면 좋은 제품을 만들고도 나쁜 평가를 받게 된다. FMEA 검출도의 새로운 평가 방법은 측정시스템의 MSA(Measurement System Analysis) 평가를 통해 좋은 제품을 만드는 것을 정확히 평가하는 검출 시스템 구축을 요구하고 있다.

<그림> 측정시스템과 실제 공정능력

하지만 아직도 고품질을 요구할수록 MSA가 불량 오판정에 따른 손실을 최소화하는 방법이라는 것을 알지 못하고, 고가의 정밀 검사장치로 해결을 하려는 기업이 많은 것 같다. MSA는 돈을 들이지 않고 고성능 검사장치, 최고의 검사원을 육성하는 방법이라는 것을 FMEA를 통해 인식해야 한다.

설계 FMEA에서 검출도는 이전 FMEA 4판의 내용을 좀 더 구체화했다. 검사·시험방법을 합부판정시험, 불합격시험, 열화시험으로 구분해 검출도 등급을 구분했다. 또한 새로운 시험법을 적용 시에는 불량검출 후 생산 툴을 변경할 수 있는 충분한 시간을 확보하도록 요구하고 있다. 그리고 신재료, 신구조를 적용할 때는 제품의 합부판정, 불량원인 검출, 성능저하를 검출할 수 있는 검증된 시험법을 먼저 확보해야 한다.

이상으로 새로운 FMEA에서 3대 리스크의 새로운 평가방법에 대해 알아봤다. 새로운 FMEA의 변화에 대한 의도를 정확히 이해하고 많은 기업에서 활용해 자동차 선진국으로 도약하길 기대해 본다.

신흥섭 AMPSYSTEM 대표 컨설턴트