¿Qué es el Análisis Modal de Fallas de Diseño y Efectos (DFMEA)?

El análisis de efectos y modos de falla del diseño (DFMEA) es un proceso que ayuda a los ingenieros a comprender el impacto de los riesgos potenciales asociados con un diseño. Introducir AMEF en la fase de diseño es una mejor práctica que ayuda a responder preguntas como:

• ¿Qué podría salir mal con un diseño?
• ¿Cuáles son las consecuencias de un tipo específico de falla?
• ¿Qué tan obvio será el error para el usuario?
• ¿Cómo se detecta el fallo?
• ¿Cómo podemos mitigar los efectos de una falla en la confiabilidad o seguridad del producto?
• ¿Cómo podemos prevenir el fracaso en primer lugar?

Para comprender qué es DFMEA, debemos comenzar con una comprensión clara del análisis modal de fallas y efectos (FMEA). FMEA es un enfoque sistemático para reconocer y evaluar fallas potenciales de sistemas, productos o procesos. FMEA identifica los efectos y resultados de fallas o acciones y ayuda a los desarrolladores de productos a eliminar o mitigar el impacto de las fallas.

Cada producto tiene modos de falla en diferentes niveles de integración, desde el componente hasta el sistema y todo lo demás. Cada modo de falla genera impactos potenciales en la eficacia, confiabilidad y seguridad del producto y presenta desafíos de detección, mitigación y prevención. FMEA es una herramienta que ayuda a abordar esos desafíos al:

• Identificar los riesgos de falla asociados con el diseño de un producto.
• Establecer un plan de acción para reducir los riesgos de mayor impacto.
• Garantizar la rendición de cuentas y trazabilidad de las acciones mediante la reducción de riesgos.

Desarrolladas por primera vez a finales de la década de 1940 por el ejército estadounidense, las técnicas FMEA fueron adoptadas por la NASA en la década de 1960 y más tarde por la industria automotriz en la década de 1970. A lo largo de la década de 1980, los esfuerzos liderados por la industria automotriz ayudaron a consolidar y estandarizar las mejores prácticas de AMEF para optimizar el enfoque como herramienta de mejora de la calidad y evaluación de riesgos en diversas etapas del desarrollo de productos. Hoy en día, las principales industrias, como la energía y la atención médica, en las que la alta confiabilidad y la seguridad del producto son consideraciones críticas, han adoptado la práctica de FMEA para cumplir con los estándares de la industria (por ejemplo, SAE J1739-FMEA) para las calificaciones de proveedores y productos.

AMEF se divide ampliamente en enfoques de diseño y de proceso, dependiendo de si se aplica al diseño de un sistema/producto o de un proceso/flujo de trabajo. Este artículo se centra específicamente en el AMEF de un diseño, que se conoce como DFMEA.

Si bien DFMEA es valioso en cualquier proceso de diseño, es especialmente crítico en industrias en las que el ritmo de introducción de nuevos productos (NPI) y la integración de nuevas tecnologías es alto. Los nuevos productos y tecnologías tienen inherentemente poco o ningún historial de fallas. Si bien puede ser útil evaluar la similitud con productos o tecnologías anteriores, un enfoque disciplinado para identificar modos y mecanismos de falla probables basados ​​en principios de física de confiabilidad y el proceso DFMEA es fundamental para la mitigación de riesgos. No lograr que DFMEA sea una herramienta crítica en la etapa de diseño puede resultar en costosas fallas que aparecen en la producción, las pruebas de calificación o incluso en el campo.

DFMEA ayuda a los equipos de productos a comprender los posibles modos de falla de los diseños en las primeras etapas del desarrollo del producto para que puedan diseñarse. Permite mitigar los impactos de esas fallas a través de elementos del diseño, métodos de detección o el concepto general de soporte operativo y logístico del producto. Algunas de las industrias que han adoptado el concepto DFMEA incluyen:

• Automotor
• Aeroespacial
• Defensa
• Industrial
• Fabricación
• Cuidado de la salud
• Software

Los DFMEA se pueden utilizar durante todo el ciclo de vida del producto, desde el diseño del prototipo hasta la fase de producción. El objetivo principal es la detección de posibles fallas que afecten la confiabilidad o la seguridad antes de pasar a producción. Los costos de la falta de confiabilidad de un producto pueden ser significativos y aumentan exponencialmente cuanto más tarde se detecta en el ciclo de vida del producto, como se estima en la Figura 1.

Aunque el proceso DFMEA requiere ciertos recursos clave y compromisos de tiempo, es sencillo en comparación con muchos otros métodos de evaluación de confiabilidad que requieren análisis e interpretación estadísticos complejos. Para obtener el máximo beneficio del proceso DFMEA:

• Recuerde que DFMEA no es un ejercicio único, por lo tanto, realice el análisis desde el principio y durante todo el proceso de diseño. El DFMEA inicial establece las acciones necesarias para mitigar los riesgos identificados en el diseño en ese momento. A medida que se produzcan cambios de diseño significativos, el DFMEA debe actualizarse para reflejar los riesgos y las estrategias de mitigación/prevención más actuales.
• Trabajar en equipo. Incluya participantes de disciplinas que representen el proceso completo de desarrollo, implementación y soporte del producto (por ejemplo, diseño, fabricación, pruebas y soporte logístico). Cada una de estas disciplinas aporta diferentes perspectivas y experiencia al proceso, y un equipo diverso brinda la mejor oportunidad de identificar modos de falla y las estrategias de mitigación y prevención más efectivas.
• Utilice un facilitador. No se espera que el facilitador sea un experto en diseño de productos, sino más bien un experto en el proceso DFMEA. En última instancia, el papel del facilitador es definir el alcance adecuado del DFMEA e impulsar el proceso hasta su conclusión, con documentación detallada del trabajo del equipo y la definición de las acciones clave necesarias para implementar las estrategias de mitigación y eliminación de riesgos desarrolladas.

Aunque los pasos detallados de un DFMEA pueden variar ligeramente de un estándar a otro, los procesos centrales de cualquier DFMEA son el alcance, el modo de falla y la definición de efectos, la evaluación de riesgos y la mitigación de riesgos (Figura 2).

El alcance de un DFMEA aborda el nivel de detalle que se debe considerar. Por ejemplo, un DFMEA con alcance a nivel de componente considera modos de falla y estrategias de mitigación de riesgos para cada componente del diseño. Un DFMEA a nivel de componente podría considerar modos de falla como cortocircuito, apertura, pérdida de capacitancia o corriente de fuga alta para un capacitor.

Si bien los DFMEA a nivel de componentes pueden ser útiles, extender los resultados de los DFMEA a nivel de componentes a los impactos y riesgos a nivel de sistema es más difícil. Como alternativa, un DFMEA puede tener como alcance el subsistema o incluso el nivel del diagrama de bloques funcional. Hacerlo permite que el análisis comience en una etapa mucho más temprana del diseño y establece una línea de base para DFMEA con alcances más refinados a medida que avanza el diseño.

Con el alcance confirmado, el trabajo inicial del equipo DFMEA se centra en descomponer el sistema (de acuerdo con la definición del alcance), identificar los posibles modos de falla de cada parte del sistema e identificar el efecto de cada modo en la función del sistema. producto tal como lo percibe el usuario. Por ejemplo, si un usuario coloca un interruptor de encendido en la posición “ON” y la luz indicadora correspondiente no se enciende, el usuario podría indicar el modo de falla como “La luz indicadora no se enciende”. Los efectos de esta falla podrían expresarse como “Indicación inexacta del estado de encendido” o “Peligro de alto voltaje para el usuario debido a una indicación inexacta del estado de encendido”. Cada modo de falla puede tener múltiples efectos y debe considerarse cuidadosamente desde todas las perspectivas del equipo DFMEA.

En última instancia, el equipo cuantificará la gravedad de la falla basándose en el efecto más grave mediante el uso de una clasificación o índice de gravedad numérico (normalmente entre 1 y 10), que refleja el impacto en el rendimiento del producto percibido por el usuario. El equipo DFMEA debe acordar la escala de calificación que se utilizará antes de iniciar el proceso de definición de fallas. La Figura 3 muestra un ejemplo de escala de calificación proporcionada en el estándar SAE J1739.

El objetivo de la evaluación de riesgos es cuantificar el riesgo general de una falla en términos de gravedad, probabilidad de ocurrencia y capacidad de detección. Como puede sospechar, las fallas graves que probablemente ocurran y que sean difíciles de detectar presentan el mayor riesgo. Las fallas mínimamente graves que no es probable que ocurran y que sean fáciles de detectar reciben las calificaciones de riesgo más bajas.

La clasificación de riesgo es un factor ponderado llamado número de prioridad de riesgo (RPN) y se utiliza para clasificar el riesgo de falla de mayor a menor. Al igual que con la definición de gravedad, definir la probabilidad de ocurrencia y la probabilidad de detección requiere el aporte de miembros del equipo DFMEA con una amplia gama de experiencia a lo largo del ciclo de vida del producto. Con la ayuda del facilitador, un equipo DFMEA debe establecer definiciones comunes de probabilidad de ocurrencia y detección y una escala de calificación antes de entrar en las definiciones de falla.

La fase final del proceso DFMEA se ocupa de la mitigación y prevención de riesgos mediante la ejecución de un plan de control. El plan de control detalla las áreas de propiedad y responsabilidad, así como un cronograma de finalización para cada tarea individual de prevención o mitigación. Con cambios en el diseño, características y especificaciones del producto, se actualizan las acciones tomadas para determinar la nueva calificación de riesgo con los cambios implementados. Este proceso sirve como herramienta de comunicación para los grupos de la cadena de suministro tanto ascendentes como descendentes para garantizar que los factores de riesgo potenciales no solo se identifiquen, sino que también se eliminen o reduzcan.

Una importante empresa de productos de telecomunicaciones para la defensa y el ejército solicitó que el equipo de Ansys Reliability Engineering Services (RES) facilitara un análisis DFMEA en un conjunto de placa de circuito impreso (PCBA) para un producto GPS de próxima generación. El equipo de RES analizó y facilitó el análisis a nivel de bloque, teniendo en cuenta todos los componentes que componen el circuito de cada bloque.

Un equipo que representa el diseño, la producción, la calidad de los proveedores y la gestión de la cadena de suministro realizó el análisis. Con base en la clasificación establecida y los criterios de umbral, se identificaron factores de riesgo clave. Basándose en la experiencia con sistemas similares, el equipo de RES también contribuyó a oportunidades de mejora en el diseño, incluidas pautas de fabricación de PCB y mejores prácticas para garantizar una alta confiabilidad, selección del grado de calidad adecuado para los componentes y estrategias de protección para mitigar las descargas electrostáticas y las descargas eléctricas. Fallas por sobreesfuerzo (ESD/EOS).

El cliente siguió adelante con el plan de control, lo que resultó en importantes ahorros de costos y prevención de fallas de campo mediante la implementación de mejoras de interconexión de segundo nivel a nivel de placa, así como la adopción de técnicas de protección externa para mitigar las fallas de ESD y EOS en el campo.