안전한 세상을 위한 설계
엔지니어가 대등한 요구 조건의 균형을 맞추도록 신뢰성은 어떤 도움을 줄까요?
자연 재난은 21세기의 특징을 규정하는 것처럼 여겨집니다. 호주의 폭염에서부터 미국 서부의 산불, 카리브해의 허리케인, 그리고 동남아시아의 홍수에 이르기까지 인류에 미친 영향은 심각합니다. 그리고 불안정한 건축, 설비와 기반 시설이 자연 재해로 인해 잠재적으로 악화될 여지가 있습니다.
구조 및 기계 엔지니어들은 이러한 종류의 예기치 못한 사고에 대비해야 하지만, 동시에 더 저렴하고 가볍고 소음이 없는 제품 요구에 직면하게 됩니다. 현실적으로 이러한 중압감 가운데서 엔지니어에게 신뢰성을 고수하도록 기대할 수 있을까요?
한발 물러서서 엔지니어가 상충된 요구 사항에 직면하는 것은 새로운 일이 아니라는 것을 이해하는 것이 중요합니다. 요구사항이 그 어느 때보다 많아 보일 수 있어도 갑자기 생겨난 것은 아닙니다.
더 좋고, 더 빠르고, 더 저렴한
Fred Schenkelberg 씨는 신뢰성 엔지니어이자 컨설턴트로 20년 이상 재직하며 신뢰성에 관한 교육을 해왔습니다. 그의 설명처럼, 이 상황은 그렇게 급진적인 변화는 아닙니다. "시장에서는 더 좋고, 더 빠르고, 더 저렴한 것을 원하죠. 그것은 절대 변하지 않았어요. 그러나, 가속화 되었다고 볼 수 있지요.”
“하지만 이것이 바로 공학 기술입니다. 기술의 균형을 유지하고 경쟁적인 요구 사항을 충족하는 것입니다.”
“설계 팀은 비용 목표, 제품 및 기능 목표에 맞는 출시 일정을 계획할 수 있습니다. 이들은 설계 과정에서 많은 측정을 하며 우선순위를 판단합니다. 신뢰성 전문가로서 모든 설계 단계에서 신뢰성 성능에 대한 고려 사항도 한눈에 파악하는 것이 중요합니다.”
이러한 가시성을 장려하는 방법의 하나는 신뢰성을 위한 설계를 활용하는 것입니다. 이는 신뢰성 공학에서 개발된 많은 도구와 방법론을 통합하여 이루어집니다.
수명 주기 전반에 걸친 신뢰성
신뢰성을 위한 설계 (DfR)는 개념 구상에서 노후화에 이르기까지 제품의 전체 수명 주기에 걸쳐 신뢰성을 지원하는 단계적 공정입니다. 이것은 'DfR'이 신뢰성 전문가의 전적인 소관이 아님을 의미합니다. 조직적인 차원에서 고안되고 적용되며 제품의 설계, 제조 및 유지 보수 방향을 나타내므로, 기업의 모든 부분이 잠재적으로 관련될 수 있습니다.
'DfR'을 뒷받침하는 기본 원칙이 있다면, 신뢰성은 결정 지점에서 발생한다는 것입니다. 이러한 점을 염두에 두고 실제 생산이 어루어지기 훨씬 전에 신뢰성을 고려해야 합니다.
이를 위해 신뢰성에 대한 올바른 이해가 필요합니다. 기계 공학에서 신뢰성이란 요구되는 기능을 특정 조건 하에서 명시된 시간 동안 수행하는 항목의 확률을 뜻합니다.
신뢰성에 대한 일반적인 이해를 바탕으로 제품의 신뢰성 요구 사항을 파악하고 정의할 수 있습니다. 이러한 요구 사항은 고객의 기대와 유사하거나 동일할 가능성이 높습니다. 요구 사항이 명확해 지면 이를 충족할 수 있는 제품 설계를 시작해야 합니다.
하나의 척도로 다룰 수 없는 설계
신뢰성을 위한 설계(DfR)에 관해 보편적으로 인정되는 모델은 없지만, 어떠한 개요라도 왼쪽 차트에서 보여주는 다음의 기본 절차들이 포함될 수 있습니다.
그러나, 단계는 단일 방향으로 진행되지 않습니다. 제품이 시장에 출시되기 전에 설계, 분석 및 검증 단계를 반복적으로 재검토하게 됩니다. 이러한 단계에서는 제품의 취약성, 허용 오차 및 내구성을 파악하는 도구, 테스트 및 공정이 얼마든지 있을 수 있습니다. Schenkelberg 씨는 DfR에 대해 이처럼 간략하게 요약합니다.
“DfR은 기술자, 엔지니어, 관리자 등 의사 결정을 내리는 사람들이 신뢰성의 영향을 완전히 이해할 수 있도록 만든 일련의 규칙, 지침 및 활동입니다.”
“하지만 고정된 도구나 활동은 아니죠. 모든 상황, 제품과 적용처가 다릅니다..”
가치를 더하기 위한 재고
DfR을 형식적인 점검 활동으로 취급하면 문제를 야기할 수 있기 때문에 이러한 차이점을 이해하는 것이 매우 중요합니다. "조직에 한 가지 함정이 있다면 '마지막 제품이 정말 휼륭했습니다. 신뢰성과 고객의 기대에 부응했으니 지난번에 했던 모든것들을 그대로 해봅시다.'라고 위험한 생각을 하게되는 것입니다. 왜냐하면 다음 제품은 적용처도 다를 수 있고, 용도도 다를 수 있으며 다른 고객을 위한 것일수도 있기 때문입니다."라고 Schenkelberg 씨는 설명합니다.
"여러분은 체크 리스트 사고 방식을 거치게 됩니다. 이러한 두 가지의 테스트를 진행하였으니 2시간 동안 진동을 준 다음 종료합시다. 라고요."
하지만 실제로 이와 같은 방식이 가치를 더하고 있을까요? 한발 물러서서 앞으로 발생할 수 있는 문제를 밝혀내기 위해 어떤 테스트를 진행해야 할지 생각해야합니다. 그리고 향후 문제를 밝혀내기 위해서는 설계자가 종종 기피하는 일을 해야할 수 도 있습니다. 바로 실패를 받아들이는 것이죠.
실패의 이점
고장 지점까지 제품을 테스트하는 것은 신뢰성을 조사하는 데 유용한 도구가 될 수 있습니다. 그러나, 이는 일반적인 설계 원칙과 충돌할 수 있는 접근법입니다.
“설계자와 엔지니어는 대개 실패와는 거리가 먼 설계를 합니다. 이는 품목을 만드는 과정에서 흔히 다짐하는 일이죠.” 라고 Schenkelberg씨는 이야기 합니다.
“신뢰성 공학이 할 수 있는 일은 실패를 더욱 가시적으로 만드는 것입니다.”
“실패로부터 배울 수 있는 능력을 갖추는 것이 중요합니다. 대부분의 사람이 제품 작동을 보여주기 위한 테스트를 하고 싶어 합니다. 그들은 통과가 예상되는 상황에서 테스트를 하지만 아직 모르는 부분을 찾고 싶다면 반드시 실패할 때까지 테스트를 실행해 보아야 합니다.”
“이렇게 하면 실패의 본질, 어떻게 자체적으로 실패가 나타났는지, 그리고 그렇게 실패하기까지 어떤 응력이 결합하는지 알아낼 수 있습니다. 이를 수행하는 방법에는 여러가지가 있지만 기꺼이 실패를 시도해 보는 것도 중요합니다.”
잠재적인 실패를 이끌어내는 방법 중 하나는 가속 수명 테스트(HALT)를 이용하는 것 입니다. DfR의 검증 및 확인 단계의 일부로 사용할 수 있습니다.
진정한 신뢰성의 이해
“저는 HALT를 발견 과정으로 생각하고 싶습니다.”라고 Schenkelberg 씨는 말합니다. "적용 분야에 의미 있는 다양한 응력을 사용하고, 강제로 실패를 마주할 때까지 응력을 높입니다. 제품이 예상한 응력 수준에서 고장을 일으키는지 확인하고 이를 기반으로 한계에 가까운 상태를 결정할 수 있습니다. 또한 그만큼 중요한 실패의 본질인 어떻게 실패했는지도' 파악하게 됩니다."
학자들과 실무자들은 기후 변화와 기타 재난 사고의 결과로 직면할 수 있는 건축, 설비 및 기반 시설의 잠재적인 응력 목록을 작성했습니다. 이러한 사고들은 엔지니어에게 새로운 요구를 안겨주지만, 변화하는 것은 그들이 마주하게 될 응력의 크기와 조합입니다.
Schenkelberg씨가 제안한 것 처럼, 실패를 찾아냄으로써 제품의 진정한 신뢰성과 내구성을 이해할 수 있고 예기치 못한 사고를 견딜 수 있는 응력 용량을 충분히 파악할 수 가 있습니다.
노드락 그룹과 신뢰할 수 있는 볼트 체결부 설계
잠재적인 실패 원인을 발견하는 것은 노드락 그룹이 수행하는 많은 테스트 절차 중 하나라고 유럽의 기술 관리자인 Cyril Cadoux 씨는 설명합니다.
“볼트 체결부의 경우 손상된 부품에서 근본 원인을 파악할 수 있는 적절한 지식을 보유하고 있기 때문에 고장을 일으키는 테스트는 거의 실행하지 않습니다. 처음 수천 번의 주기를 살피는 것만으로도 추세에 대한 정확한 지표를 얻을 수 있습니다." 따라서 평생 보증을 제공할 수 있는 제품의 신뢰성에 대한 지식과 확신을 얻게 됩니다."라고 그는 말합니다.
“하지만 당사의 제품만을 따로 놓고 내구성과 신뢰성을 확인하는 것은 충분하지 않죠. 저희는 볼트와 와셔를 사용하는 환경에서 테스트를 진행합니다.”
“고객과 상의를 거쳐 적용처를 찾고 이를 기반으로 좀 더 심층적인 분석을 시행합니다. 고객으로부터 가능한 한 많은 데이터를 얻은 다음 시나리오를 재현합니다. 간혹 3D 도면이나 계획에서 모든것을 얻을 수 없기 때문에 필요한 경우 직접 작업장을 방문하기도 합니다."
“이는 노드락 제품만 테스트 하는 것이 아니라 실제로 고객의 볼트 체결부를 테스트하고 있음을 의미합니다. 사내 도구인 분석 및 시뮬레이션을 활용하여 고객에게 적절한 조언을 제공할 수 있습니다.라고 Cadoux 씨는 결론짓습니다.
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