Vítejte, dnes je
sobota 16.
listopad
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky Vývoj a konstrukce výrobku prováděná s ohledem na jeho spolehlivost (Design for Reliability – DFR) je koncept, který systematicky používá určité metody vedoucí k tomu, že se výrobek při dodržení zadaných podmínek chová po danou dobu požadovaným způsobem. Tento koncept umožňuje konstruovat výrobky se specifikovanou dobou bezporuchového provozu (Mean Time Between Failures – MTBF) a zajišťuje velmi nízký počet závad během stanoveného časového období, jakým je např. záruční doba.
Pojmy kvalita a spolehlivost bývají často zaměňovány. Když mluvíme o kvalitě, myslíme tím funkčnost výrobku ve chvíli, kdy opouští výrobní linku. Spolehlivost se týká doby, po kterou výrobek funguje předpokládaným způsobem.
Spolehlivost výrobků je z pohledu zákazníka stejně důležitá jako kvalita a má vliv na dobré jméno výrobce. Mínění zákazníků má dnes ohromný vliv a trvale ovlivňuje snahu výrobců stát se úspěšnými.
Následující část článku pojednává o tom, jak aplikovat DFR proces v rané fázi vývoje výrobku, kdy lze výsledek práce nejvíce ovlivnit.
Koncept DFR zahrnuje řadu nástrojů pro vývoj a návrh výrobku, které, pokud jsou použity, mají velký dopad na spolehlivost výrobku. Na DFR lze nahlížet jako na proces, který jde dále než jen samotný vývoj a návrh výrobku a který lze použít i v pozdějších fázích výroby, včetně testování a zavedení do provozu. Nicméně, v tomto článku se zaměříme na proces vývoje a návrhu (nebo také „D“ pro „Design“ ve výrazu DFR) a specificky na aplikaci tohoto procesu při vývoji elektroniky, i když většinu popsaných konceptů lze aplikovat na všechny druhy konstrukce výrobků.
I když na začátku vývoje máme velmi omezenou představu o budoucím výrobku, je možné spustit proces DFR i tak. Můžeme si naplánovat cestu k dosažení cíle nebo také jen k části budoucího systému. Začínáme s použitím blokového diagramu spolehlivosti (RBD – Reliability Block Diagram), který představuje logickou cestu v návrhu a uvažuje možné chyby v jeho nejslabším článku. Tím lze obejít kritické závady v pozdějším stadiu práce na novém výrobku.
Software společnosti BQR poskytuje velmi výkonný nástroj pro vytvoření RBD diagramu, který uživateli umožňuje zpracovat nejenom jednoduchý výrobek, ale i komplexní systémy, které se větví, navazují na další, a mají tak vícenásobné vstupy a výstupy.
Druhý proces, který budeme v návrhu výrobku implementovat a který lze použít od začátku až do konce, je analýza možného výskytu a vlivu závad (FMEA/FMECA – Failure Mode a Effect analysis / Failure Mode, Effect a Criticality Analysis). Ten nám pomůže definovat a vyčíslit riziko a šance každého výskytu vad a ukázat, jak to ovlivní funkčnost celého systému. Tento důležitý proces nám umožňuje naplánovat snížení nebo odstranění možnosti selhání systému a vyjasnit si potenciální problémy, kterými je potřeba se zabývat. FMEA/FMECA nástroje od firmy BQR umožňují uživateli klasifikovat a ohodnotit různá rizika a ukáží, na které zdroje závad je potřeba se zaměřit.
Jednou z hlavních záležitostí, kterou se DFR zabývá, je namáhání systému, kdy se jedná o elektrickou a mechanickou zátěž buď celého systému, nebo jeho součástek a dílů. Když mluvíme o elektronice, máme na mysli pracovní napětí, proudy a výkony, které jsou trvale nebo opakovaně aplikovány na součástky. Namáhání je nejdůležitějším faktorem, který se kontroluje, protože možnost závady se podstatně zvyšuje s překročením jmenovitých hodnot, nebo i tzv. „derating“ profilu, který reprezentuje jisté bezpečné hodnoty. Výpočet aktivní úrovně namáhání je jedním z nejvíce podceňovaných procesů při uplatňování DFR, a přitom může mít největší vliv na kalkulovanou a praktickou životnost výrobku.
Výpočet pracovního zatížení se běžně provádí už při výběru součástky a často způsobuje problémy s jejich nevhodným výběrem. Nedokončené analýzy mohou zvýšit náklady na vývoj a návrh, zhotovení a odzkoušení prototypů, i testování, a mívají hlavní dopad na spolehlivost v provozu. Ve většině případů mohou součástky, které jsou přetížené nebo pracují mimo pásmo bezpečných hodnot, fungovat dobře po krátkou dobu. Mohou se dokonce tvářit, že jsou perfektní, ale jejich vliv na závady systému podstatně vzroste a ovlivní životnost výrobku.
Bezpečné hodnoty (Derating)
Oddělili jsme analýzu namáhání (zatížení) od zavedení bezpečných hodnot (derating), abychom zdůraznili jejich důležitost a dopad na vypočtenou a provozní hodnotu MTBF dané součástky. Derating má dvě hlavní funkce:
„Derating“ může být porovnáno s informací o nosnosti ve výtahu – i když lano výtahu unese dvakrát větší zátěž, provozovat výtah s nejvyšším možným zatížením je nebezpečné. „Derating“ funguje stejně i v návrhu elektroniky, ale vývojář potřebuje navíc vědět, že maximální jmenovité hodnoty součástky v katalogovém listě jsou uvedeny pro teplotu 25 °C. Protože ve většině zařízení je součástka vystavena vyšší teplotě, mohou být její bezpečné hodnoty nižší.
Společnost BQR vyvinula softwarový nástroj fiXtress pro automatizované analýzy namáhání a stanovení bezpečných hodnot (derating). Tento program umožňuje vývojářům vypočítat namáhání každé součástky v provozu při dané teplotě a zkontrolovat, jestli součástka pracuje v rozsahu jmenovitých i bezpečných hodnot (rating/derating) pro napětí, proud, výkon a teplotu.
V procesu DFR lze odhadnout i záruční dobu. To se provádí pomocí několika málo nástrojů – jedním z nich je stanovení MTBF, které dodá potřebnou hodnotu k výpočtu spolehlivosti systému. Tato hodnota může být použita ke stanovení přijatelné četnosti závad během záruční doby. Program fiXtress pomáhá vývojářům vypočítat MTBF a zjistit frekvenci závad pro požadovanou záruční dobu.
DFR proces pomáhá ve většině případů snížit počet vývojových cyklů, a tak snížit celkové náklady na vývoj, nehledě na úsporu času. Proto lze očekávat návrat finančních prostředků vynaložených na tento celý proces, zejména pokud se přihlédne ke všem efektům zavedení DFR, kterými jsou:
