失效模式与效应分析

QS9000系列教材 FMEA失效模式與效應分析 1 講授內容 一 產品風險 可靠度評估與設計分析二 FMEA基本概念三 FMEA與CA關鍵性分析四 設計FMEA表填寫說明五 製程FMEA表填寫說明六 有效的FMEA作業程序七 FMEA結果之應用八 FMEA範例 2 產品風險 可靠度評估與設計分析 1 面對市場開放與日本車的競爭壓力 美國福特汽車 克萊斯勒 與通用汽車等三大車廠共同主導 並結合美國品管學會 ASCQ 與車輛工程學會 SAE 開始研究如何將可靠度工程技術導入車輛業 將具競爭力的可靠度參數納入系統需求與技術規格內 並研究如何在研發時程內評估達成情形 在概念定義階段初期就開始將可靠度需求與作業要求納入產品與製程設計中 將可靠度作業及知識與日常的核心作業程序結合 善用現有之可靠度工程分析工具 如FMECA FTA等 作為前端工程作業 以提供開發產品過程中之工程決策支援 並發展新的前端工程分析工具 設法將政府與軍方過去所發展之可靠度工程技術移轉到車輛工業 這是建立車輛工業可靠度工程技術能力的最快捷有效的方式 發展並應用製程設計保證技術 以增強現有之產品設計保證技術 發展資訊系統 並與可靠度資訊應用結合 3 產品風險 可靠度評估與設計分析 2 QS9000品質系統之各種作業程序與參考手冊 成為美國車輛工業共同之作業準則 並且有成為全世界車輛業共同規範之趨勢 3 工程人員普遍缺乏整體系統開發觀念 前端工程分析作業無法連貫 分析工作變成多餘而無效的 造成許多在研發初期就應該做好預防的工作 卻要等到進入原型生產 才提出修改建議進行矯正 如此不僅浪費時間 而且浪費金錢 4 必須要有整體性之規劃 並且循序漸進地逐步改善企業之研發環境 4 什麼是FMEA 早知道 就不會 早知道作好防震設計就不會造成大樓倒塌 早知道改進電力輸配設計就不會造成全台大停電 早知道不濫墾濫伐就不會造成土石流 早知道作好排水系統就不會造成淹大水 有些早知道是必需的 有些就不會是不允許發生的 核能電廠 水庫 衛星 飛機 有效運用FMEA可減少事後追悔 5 什麼是FMEA 我先 所以沒有 我先看了氣象預報所以沒有淋成落湯雞 我先評估金融大樓高度所以沒有影響飛安 我先設計電腦防火牆所以沒有被駭客入侵 有些我先是必需的 有些所以沒有是預期可避免的 核能電廠 水庫 衛星 飛機 有效運用FMEA可強化事先預防 6 FMEA的基本概念 1 對失效的產品進行分析 找出零組件之失效模式 鑑定出它的失效原因 研究該項失效模式對系統會產生什麼影響 2 失效分析在找出零組件或系統的潛在弱點 提供設計 製造 品保等單位採取可行之對策 3 經由關鍵性分析找出系統關鍵失效元件 及早進行設計研改強化產品品質 7 FMEA內容 利用表格方式協助工程師進行工程分析 使其在工程設計早期發現潛在缺陷及其影響程度 及早謀求解決之道 以避免失效之發生或降低其發生時產生之影響 1 失效模式分析 failuremodeanalysis 由下而上分析 即由元件 組件至系統 確定在系統內不同結構層或功能層次的失效模式 2 失效效應分析 failureeffectanalysis 對每一個失效模式 確定其失效對其上一層模組及最終系統的失效影響 了解其組件介面失效關聯性 做為改進行動的依據 3 關鍵性分析 criticalanalysis 對每一個失效模式 依其嚴重等級和發生機率綜合評估並予以分類 以便確定預防或改正措施的內容和優先順序 8 失效的定義 根據Collins 1981 的定義 失效為一件裝備 裝備的組件或一件結構發任何形狀 尺度或材料性質的變化 造成這些物品處於無法充分地執行其特定的功能的狀態 規格 對於系統或裝備的性能或功能範圍 必須驗証時可以量測 GO NOGO計數型 較易研判計量型 功能與規格界限不易確定 9 失效現象 物品直接表現失效的形式如下 1 實體破壞 硬式失效2 操作功能中止3 功能退化4 功能不穩定 軟式失效 2 4項物品機能因老化 Aging 退化 Degradation 或不穩定 Unstable 而不能滿足原設定的要求標準 所以失效現象及研判準則必須量化 10 失效的分類 將失效依照其應用的目的或特性加以分類 1 依失效發生原因分類 先天性弱點的失效誤用失效 2 依失效發生時間情況分類 突發性失效漸次性失效 3 依失效範圍程度分類 局部性失效全面性失效 4 依失效根源分類 老化 組件 環境 人員 11 常用的失效分析方法 失效模式與效應分析法 圖示法 綜合分析法 直方圖法 因果圖法 主次圖法 失效模式影響及致命性分析 故障樹分析 事件樹分析 常用的失效分析方法 FMEA與FTA綜合 ETA與FTA綜合 12 FMEA之演變 1 FMECA之前身為FMEA 係在1950由格魯曼飛機提出 用在飛機主控系統的失效分析 2 波音與馬丁公司在1957年正式編訂FMEA的作業程序 列在其工程手冊中 3 60年代初期 美太空總署將FMECA成功的應用于太空計畫 美軍同時也開始應用FMECA技術 並于1974年出版MIL STD 1629FMECA作業程序 4 1980修改為MIL STD 1629A 延用至今 5 1985由國際電工委員會 IEC 出版之FMECA國際標準 IEC812 即參考MIL STD 1629A加以部份修改而成 13 國際間採用FMEA之狀況 1 ISO90048 5節FMEA作為設計審查之要項 另FTA EN1441風險分析亦是 2 CE標誌 以FMEA作為安全分析方法 3 ISO14000 以FMEA作為重大環境影響面分析與改進方法 4 QS9000以FMEA作為設計與製程失效分析方法 14 FMEA之功用 階段功用1 設計階段1 發掘所有可能之失效模式2 依固有的技術進行設計變更3 必要之處採用可靠性高之零組件2 開發階段1 明確把握失效原因 並實施適當的改善2 零件安全之寬放確認3 壽命 性能 強度等之確認3 製造階段1 活用工程設計 進而改善製程上之弱點2 利用FMEA之過程製定必要之製程標準4 客戶抱怨階段1 不同環境產生之失效 以FMEA克服2 不同使用法產生之失效 以FMEA克服 15 FMEA之特徵 1 是一項以失效為討論重點的支援性與輔助性的可靠度技術 2 用表格方式進行工程分析 使產品在設計與製程規劃時 早期發現缺陷及影響程度以便及早提出解決之道 3 是一種系統化之工程設計輔助工具 4 QS9000FMEA因分析對象不同分成 設計FMEA 及 製程FMEA 而MIL STD 1629A因分析項目缺少現行管制方法 故適合設計時使用 5 FMEA為歸納法之應用 根據零組件的失效資料 由下而上推斷系統的失效模式及其效應 是一種向前推演的方法 16 直式檔 17 QS9000設計FMEA表 18 MLD STD 1629AFMECA 19 FMEA與CA關鍵分析 定性分析之嚴重等級 嚴重一般區分為I II III IV I級失效 凡導致整個系統任務喪失或造成致命傷害之失效情況皆屬之 II級失效 凡主要系統受損將導致任務失敗或造成嚴重傷害之失效情況皆屬之 III級失效 凡次要系統受損將減低甚至於喪失可使用度及導致無法完全達成任務者或造成較小傷害之失效情況皆屬之 IV級失效 凡不至於造成傷害或系統之受損者 惟將導致不定期之維護或修理之失效情況皆屬之 20 FEMA與CA關鍵分析 定量分析之嚴重級 以失效效應機率 表示 失效效應機率 系統完全喪失極可能喪失可能喪失幾乎不可能喪失對系統無影響 1 00 20 10 010 001 21 FEMA與CA關鍵分析 失效模式關鍵性值Cm Cm t 失效效應機率 失效模式比 零組件失效率 t 任務時間 物品關鍵性值Cr Cr Cm i 關鍵性矩陣運用失效模式與分析的結果 並根據失效嚴重分類及其發生機率的綜合影響 將每一可能發生之失效現象按順序排列 決定該元件的關鍵程度 22 設計FMEA填寫說明 1 FMEA編號 填入FMEA文件編號 以便可以追蹤使用 2 系統 子系統及零組件 指示合適的分析等級 並填入系統 子系統或零組件名稱和編號 3 設計責任者 填入OEM 部門和小組 也包括供應廠商名稱 4 準備者 填入準備FMEA責任工程師的姓名 電話號碼 公司 5 車型 年份 填入想要分析 製造的車型年份 6 生效日期 最初FMEA發佈日期 不能超過開始計畫生產的日期 7 FMEA日期 填入FMEA最初制定日期 和最新被修訂日期 8 核心小組 列出有權限參與或執行這項工作的負責個人和單位 建議將所有小組成員名字 單位 電話號碼 地址等另行列表 23 設計FMEA填寫說明 9 項目 功能填入要被分析的名稱和編號 利用專用名詞和工程圖面上顯示的設計等級 於首次正式發行之前 可以使用實驗時使用的編號 儘可能簡潔地 填入被分析項目的功能使之符合設計意圖 包括這個系統作業相關環境的資訊 如 定溫度 壓力 濕度範圍 如果項目包含一個以上有不同潛在失效模式功能時 則列出所有個別功能 24 設計FMEA填寫說明 10 潛在失效模式潛在失效模式是零件 子系統或系統於符合設計意圖過程中可能失效的種類 潛在失效模式也可能是較高階子系統或系統之失效原因 或較低階零組件的失效效應 列出特別項目和功能的每一潛在失效模式 假設失效是將發生的 但不是必須發生的 潛在失效模式僅可能發生於某些操作條件下 如 熱 冷 乾 多灰塵的條件 和在某些使用條件下 如 行駛哩數在平均數以上 粗糙不平的地形 僅在市區行駛 一般的失效模式包含下列各項 但不限於此 破碎的 變形 鬆弛 洩漏 黏著 短路 生銹氧化 龜裂 25 設計FMEA填寫說明 11 潛在失效效應為被客戶查覺在功能特性上失效模式的效應 也就是 失效模式一旦發生時 對系統或設備以及操作使用的人員所造成的影響 一般在討論失效效應時 先檢討失效發生時對於局部所產生的影響 然後循產品的組合架構層次 逐層分析一直到最高層級人員 裝備所可能造成的影響 例如 由於某個間歇性的系統作業造成某個零件的破碎 可能造成於組合過程的震動 這個間歇性系統作業降低了系統功效 最終引起客戶不滿意 常見的失效效應包括 噪音 漏氣 操作費力 電動窗不作用 煞車不靈 跳動 亂檔 冷卻不夠 車輛性能退化 產生臭氣 外觀不良 等 26 直式檔 27 設計FMEA填寫說明 13 等級這個欄位用來區分任何對零件 子系統或系統將要求附加於製程管制的特性 如 關鍵的 主要的 重要的 任何項目被認為是要求的特殊製程管制 將被以適當的特徵或符號列入設計FMEA的分等欄位內 並將於建議行動欄位被提出 每一個於設計FMEA列出的項目 將在製程FMEA的特殊製程管制中被列出 28 設計FMEA填寫說明 潛在原因 錯誤的原料規格不適當的設計壽命假設潤滑或加油能力不足不適當的維護作業缺乏環境保護錯誤的算法超過壓力 設備失效 生產良率原材料材質不穩定磨損金屬疲乏裝備欠流暢腐蝕 14 潛在原因 設備失效 29 設計FMEA填寫說明 15 發生度參考下列各要素 決定發生度等級值 1 10 1 相似零件或子系統的過去服務歷史資料和相關經驗 2 零件 上一階零件或分系統是否滯銷 3 上一階零件或分系統改變程度的大小 4 零件與上一階零件 基本上是否有差異 5 零件是否為全新的產品 6 零件使用條件是否改變 7 作業環境是否改變 8 是否運用工程分析去預估 應用此零件之發生度 30 設計FMEA填寫說明 16 現行設計管制列出利用預防措施 設計驗證 確認 DV 或其它活動 而這些活動是用來確保對失效模式設計適當 且其原因或設備均被考慮 目前常用的管制為一些已被使用或正在使用的相同或類似的設計 如 道路測試 設計審查 數學研究 可行性審查 原型測試 車隊測試等 有三種設計管制或特徵 1 預防原因 設備 或失效模式 效應發生 或降低發生比率 2 偵測原因或設備 並提出矯正措施 3 偵測失效模式 可能的話 最先使用第 1 種管制 其次 才使用第 2 種管制 最後 才使用第 3 種管制 31 直式檔 32 設計FMEA填寫說明 18 風險優先數風險優先數是嚴重度 S 發生度 O 和難檢度 D 的乘積 RPN S O D 是一項設計風險的指標 當RPN較高時 設計小組應提出矯正措施來降低RPN數 一般實務上 會特別注意嚴重度較高之失效模式 而不理會RPN之數值 33 設計FMEA填寫說明 19 建議措施 當失效模式依RPN數排列其風險順序時 針對最高級的影響和關鍵項目提出矯正措施 任何建議措施的目的是要減少任何發生度 嚴重度和難檢度 增加設計驗證或確認措施的結果 只可降低難檢度的等級 透過設計變更去除或管制某一或多個影響失效模式的原因或方法 只能降低發生度的等級 只有設計變更能降低嚴重度等級 可以考慮下列的採行措施 但並不限於此 實驗設計 修改設計 修改測試計畫 修改原物料規格 20 負責人與日期 填入建議措施的負責單位或個人 和預定完成日期 21 採行措施 完成矯正措施後 填入簡短的執行作業和生效日期 22 RPN結果 將矯正措施實施後 經鑑定 評估和記錄嚴重度 發生度 和難檢度的等級結果填入 進一步的措施只要重覆 19 22 之步驟即可 34 設計FMEA填寫說明 追縱確認設計責任工程師應負責確認所有的建議措施均已執行或有適當的對策提出 FMEA文件應適時修正並能反映最新的設計等 和最近有關的措施 包括開始量產後所發生的 設計責任工程師可由下列方法確認所有建議措施已被執行 確認達成設計要求 審查工程圖面和規格 組裝或製造文件編訂確認 審查設計FMEA和管制計畫 35 設計FMEA表 範例 36 設計FMEA之目的 1 幫助設計需求與設計方案的評估 2 幫助初始設計對製造和裝配的需求 3 在設計發展階段 增加失效模式和系統效應分析的次數 4 提供另一項分析資訊 幫助設計驗證之規劃 5 根據對顧客需求的影響性 列出失效模式的排序 並按排序改善 6 提供一項改善方案 可以減少矯正與追查的活動 7 提供更好的參考資料 協助現場解決問題 評估設計變更和發展更進一步的設計 37 直式檔 38 製程FMEA表 39 製程FMEA填寫說明 1 FMEA編號 填入FMEA文件編號 以便可以追蹤使用 2 項目 填入將被分析製程系統 子系統或零件名稱和編號 3 製程責任者 填入OEM 部門和小組 也包括供應商名稱 4 準備者 填入準備FMEA責任工程師的姓名 電話號碼 公司 5 車型 年份 填入想要分析設計 製造用的車型年份 6 生效日期 最初FMEA發佈日期 不能超過開始計畫生產日期 7 FMEA日期 填入最初FMEA被完成日期 和最新被修訂日期 8 核心小組 列出有權限參與或執行這項工作的負責個人和單位 建議將所有小組成員名字 單位 電話號碼 地址等另行列表 9 製程功能 需求 填入要被分析的製程或作業簡單的敘述 如 車床 鑽孔 焊接 組裝 敘述儘可能與被分析的製程或作業目的一致 當製程包含多種作業 如 組裝 而有不同的潛在失效模式時 要將不同作業視為不同製程處理 40 製程FMEA填寫說明 10 潛在失效模式為製程可能不符合製程要求或設計意圖 敘述規定作業的不合格事項 它是一個原因成為下工程的潛在失效模式或被上工程所影響的潛在失效模式 無論如何 於準備FMEA時 必須假設進料的零組件或原物料是好的 列出每一個特殊作業零件 分系統 系統或製程特性 所引起的潛在失效模式 製程工程師或小組要提出和回答下列問題 製程或零組件為何不符合規格 不考慮工程規格 什麼是客戶 最終使用者 下工程 或服務 所不滿意的 一般的失效模式包含下列各項 破碎的 變形 彎曲 裝訂捆綁 短路 工具磨損 不正確的安裝 灰塵 41 製程FMEA填寫說明 11 潛在失效效應被定義為對客戶要求的功能失效模式 客戶指的是 下個作業 下工程或地點 經銷商 或車輛所有人 每一個潛在失效功能都必須被考慮 對於最終使用者 失效效應經常被指為 雜音 不規律的動作 不能操作的 不穩定的 通風不良 外觀不良 粗糙不平的 過度的費力要求 令人不舒服的氣味 操控性減弱 車輛控制受損 對於下工程而言 失效效應經常被指為 不能拴緊 不能鑽孔或攻牙 不能固定 不能磨光 使作業者危險 危害機器 不合適 不連接 不相配 42 直式檔 43 製程FMEA填寫說明 13 等級這個欄位用來區分任何對零件 子系統 或系統將要求附加於製程管制的特殊產品特性 如 關鍵的 主要的 重要的 如果在製程FMEA被認定等級 通知設計負責工程師 這將影響工程文件相關管制項目的認定 14 潛在原因 設備失效在儘可能的範圍裡 列出所有能想像得到的失效原因 不當的扭力 不適當的鑽孔 不適當的焊接 不適當或沒有潤滑 不精確的量具 缺少零件或放錯 不當的熱處理 44 製程FMEA填寫說明 45 製程FMEA填寫說明 16 現行製程管制現行製程管制是敘述管制方法 用來預防可能擴大的失效模式和偵查出失效模式的發生 這些管制方法可能包括治具的防誤或SPC或後製程評估 有三種製程管制可以考慮 1 預防原因 設備 或失效模式 效應的發生 或降低發生比率 2 查出失效原因 並提出矯正措施 3 查出失效模式 可能的話 最好先使用第 1 種管制 其次才使用第 2 種管制 最後 才使用第 3 種管制 46 直式檔 47 製程FMEA填寫說明 18 風險優先數風險優先數是嚴重度 S 發生度 O 和難檢度 D 的乘積 RPN S O D 是一項製程風險的指標 當RPN較高時 功能小組應提出矯正措施來降低RPN數 一般實務上 會特別注意嚴重度較高之失效模式 而不理會RPN之數值 48 製程FMEA填寫說明 19 建議措施當失效模式依RPN數排列其風險順序時 針對最高等級的影響和關鍵項目提出矯正措施 任何建議措施的目的是要減少任何的發生度 嚴重度和難檢度 可考慮下列的採行措施 但並不限於此 為了降低發生機率 需要製程或設計變更 只有設計或製程變更可以降低嚴重等級 為了增加查出的機率 需要製程或設計變更 通常改進偵查管制方式 對品質改善是浪費和無效的 增加品質管制檢驗頻率不是良好的矯正措施 永久改善措施才是必須的 20 負責人與日期 填入建議措施的負責單位或個人 和預定完成日期 21 採行措施 完成矯正措施後 填入簡短的執行作業和生效日期 22 RPN結果 將矯正措施實施後 經鑑定 評估和記錄嚴重度 發生度和難檢度的等級結果填入 進一步的措施只要重覆 19 22 之步驟即可 49 製程FMEA填寫說明 追蹤確認 製程責任工程師應負責確認所有的建議措施均已執行或有適當的對策提出 FMEA文件應適時修正並能反應最近的設計水準和最近有關的措施 包括開始量產後所發生的 50 製程FMEA表 範例 51 製程FMEA之目的 1 確認製程潛在的失效模式 2 評估失效對顧客的影響 3 確認製造和裝配之失效原因與製程變異 找出可能之管制方法 4 找出失效模式嚴重等級排序 並按序矯正 5 製造和裝配文件化 52 直式檔 53 有效的FMEA作業程序 1 成立FMEA作業小組 最佳設計審查方式 工作範圍包含設計 製造 檢測及後勤等 需靠各不同專業人員群策群力 分工合作 並非單人可獨力完成 將易產性 安全性 可靠性 維修甚至環保等客戶需求或世界潮流趨勢進行設計植入 54 有效的FMEA作業程序 2 宣導FMEA作業真義 為一逆向思考過程 設計者必須排除 我的設計最完美 或 這種失效不可能 等預設立場 由品保人員對成員進行FMEA作業訓練 並提供範例 讓成員充份了解填寫FMEA的目的 內容 實施方式及精神所在 3 確立系統層次介面及功能 由下往上解析 結構及功能層次需劃分清楚 各層次之結構及功能必需可經由檢驗或測試進行品質判定 55 有效的FMEA作業程序 4 繪製功能及可靠度方塊圖 功能方塊圖以產品組合 結構或功能方式 描述系統為達成任務目標而操作之狀況 可靠度方塊圖明列系統在生命週期內各組件在可靠度計算模式之串 並聯關係 以預估或評估各組件品質對系統可靠度的影響 56 有效的FMEA作業程序 5 建立FMEA表 應由設計人員填寫 由品保及與該項組件有界面關係之設計者填寫失效模式及失效原因 再由設計人填寫其餘部份 考慮設計者自我審查甚至是自我批判自己的設計缺失 有實務不周全 未能完整考量 及執行偏差 交差了事 的困擾 審查意見無法令設計者認同時 透過試驗以排除設計疑慮 57 有效的FMEA作業程序 6 失效檢測及預防或補救措施 為本表重點 針對各種不同失效模式 必須發展出檢驗及測試的方式期能達到事先預防 事後補救的目標 7 關鍵性分析 很多元件尤其是火工品 以火藥作功之物品 一次作用件的失效率很難定量分