DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA IMPIANTI INDUSTRIALI. Andrea Chiarini Andrea Chiarini 1

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1 IMPIANTI INDUSTRIALI Adrea Chiarii Adrea Chiarii

2 PARTE 6 OBIETTIVI DI QUALITA ED AFFIDABILITA (Lezioi tratte i parte dal testo: Strumeti statistici avazati per la qualità, A. Chiarii, M. Viceza, Ed. Fraco Ageli ) Adrea Chiarii 2

3 PROGETTAZIONE E SVILUPPO DEL PRODOTTO E DEL PROCESSO Aalisi di Fattibilità e piaificazioe Progettazioe e sviluppo del prodotto Progettazioe e sviluppo del processo Validazioe del prodotto e del processo Produzioe Feedback Adrea Chiarii 3

4 PROGETTAZIONE E SVILUPPO DEL PRODOTTO LA PROGETTAZIONE DEL PRODOTTO INFLUENZA ENORMEMENTE LE SCELTE IMPIANTISTICHE E DI PROCESSO PRODUTTIVO, NELLA FASE DI PROGETTO/SVILUPPO PRODOTTO OCCORRE: defiire le caratteristiche di qualità ed affidabilità del prodotto emettere la documetazioe tipica di progetto prodotto (es. disegi, distite, specifiche teciche, calcoli, etc.) di processo verificare e riesamiare i risultati della progettazioe aalizzare i rischi itrodotti dal prodotto (D-FMEA) riesamiare il progetto i termii di DFx (Desig For Maufacturig, For Assembly, For Mauteability, etc.) costruire e testare u evetuale prototipo Adrea Chiarii 4

5 PROGETTAZIONE E SVILUPPO PRODOTTO OBIETTIVI INIZIALI DI QUALITA qualità è soddisfare i requisiti cliete (spoke e uspoke) al prezzo riteuto equo dal mercato/cliete si parla di: Value For Moey = Valore dato alle caratteristiche prodotto Prezzo globale di acquisto dare prodotti/servizi di qualità sigifica massimizzare tale rapporto l equazioe più qualità = più costi è ormai tramotata da decei oggi sempre di più si cerca di dare al cliete il prodotto co i requisiti richiesti (idoeità allo scopo) a prezzo sempre miore Adrea Chiarii 5

6 PROGETTAZIONE E SVILUPPO PRODOTTO OBIETTIVI INIZIALI DI QUALITA ED AFFIDABILITA REQUISITI CLIENTE CARATTERISTICHE PRODOTTO/PREZZO Il cliete può richiedere requisiti/caratteristiche: - di qualità (es. prodotto che rispetta tolleraze); - di sicurezza (es. spigoli smussati, o parti roveti); - di servizio (es. cosege putuali); - di mauteibilità (es. tempo di riparazioe medio basso); - di affidabilità (es. umero di ore di durata prodotto); - di impatto ambietale (es. % di compoeti riciclabili); - etc. Adrea Chiarii 6

7 DOVE NASCE IL RISPETTO DEI REQUISITI CLIENTE? REQUISITI CLIENTE (COSA) QFD CARATTERISTICHE TECNICHE (COME) Abbiamo visto come il QFD trasformi i cosa del cliete i scelte di progettazioe, processo produttivo, impiatistiche, orgaizzative, etc. Per dare al cliete ciò che vuole, possiamo iterveire i diversi processi o mometi. Esempio Caratteristiche Processo Strumeti e pricipi Qualità - Affidabilità Servizio Sicurezza Progettazioe prodotto e processo, produzioe, acquisti Produzioe, acquisti, logistica Progettazioe prodotto e processo, produzioe, acquisti QFD, FMEA, FTA, ISO 900, Strumeti della qualità Strumeti Lea Risk Aalysis, FMEA, marcatura CE, ISO 900 Adrea Chiarii 7

8 DOVE NASCE IL RISPETTO DEI REQUISITI CLIENTE? Pricipio base del TQM e della Lea Maufacturig FARE BENE LE COSE LA PRIMA VOLTA! Il luogo migliore dove far ascere il rispetto dei requisiti cliete è la progettazioe La progettazioe può preveire il grosso dei problemi alla produzioe.e al cliete Adrea Chiarii 8

9 PROGETTAZIONE E SVILUPPO PRODOTTO L AFFIDABILITA OBIETTIVI INIZIALI DI AFFIDABILITA Defiizioe di affidabilità MIL-STD-609B: la probabilità che u compoete adempia alla fuzioe richiesta per u periodo di tempo stabilito sotto codizioi specificate. L affidabilità è ua gradezza di tipo probabilistico L affidabilità si traduce i qualcosa che può essere progettato el seso che può essere. ua specifica o caratteristica di prodotto/processo defiita i fase di progettazioe Fra le caratteristiche tipizzati l affidabilità si può citare: la vita media, il tasso di guasto, il tempo medio tra i guasti e il tempo medio fio al guasto, caratteristiche che permettoo di esprimere l affidabilità i modo quatitativo Adrea Chiarii 9

10 PROGETTAZIONE E SVILUPPO PRODOTTO OBIETTIVI INIZIALI DI AFFIDABILITA Esempio di obiettivi defiiti i progettazioe prodotto l affidabilità di ua codotta per la portata di acqua ad Litro/secodo può essere espressa co ua probabilità di guasto, co relativa fuoriuscita liquido, pari allo 0,003% i due ai di cotiuo esercizio ad ua temperatura costate di 20 C.. Notare come l affidabilità faccia riferimeto a caratteristiche ambietali be precise Adrea Chiarii 0

11 L AFFIDABILITA AFFIDABILITA DI PRODOTTO E DI PROCESSO E molto importate capire che l affidabilità può essere riferita ad u prodotto, ad u impiato di trasformazioe o di servizio, così come ad u processo produttivo Parleremo el corso di Impiati Idustriali, pertato, di affidabilità di u prodotto e dei suoi compoeti, di affidabilità del processo produttivo e dell impiato. e dei suoi compoeti Quest ultima parte ci porterà ad aalizzare il cosiddetto TPM (Total Productive Maiteace) I tutti i casi, l affidabilità si progetta!! Adrea Chiarii

12 ANDAMENTO DEL TASSO DI GUASTO λ(t) L adameto del tasso di guasto, al crescere di t, durate il ciclo di vita di u prodotto/macchia/impiato passa attraverso 3 fasi: - guasti ifatili (rodaggio) 2- guasti casuali (vita utile) 3 - guasti per usura Curva del ciclo di vita 2 3 t Adrea Chiarii 2

13 ANDAMENTO DEL TASSO DI GUASTO λ(t) La fase dei guasti ifatili è legata al primo periodo di vita del prodotto/impiato/macchia. Per i prodotti elettroici ad esempio la curva è molto ripida e dura poche ore se o miuti/secodi (si effettuao test di bur-i allo scopo). Per impiati si può arrivare a 200h di fuzioameto. I geere per u impiato si cosiderao Nf compoeti fuzioati o guasti ed Ng i guasto (failure durate il rodaggio). Siao λf e λg i corrispodeti tassi di guasto (co λg >λf ). Il tasso di guasto dell itera popolazioe di compoeti dell impiato risulta: Λ = Nf. λf + Ng. λg Quado tutti i compoeti guasti soo stati sostituiti co compoeti buoi, il tasso di guasto diveta: Λ = (Nf + Ng ). λf Per ridurre λg è importate effettuare u buo piao dei cotrolli sul prototipo (per prodotti i serie) o sull impiato prima della cosega I ogi caso il metodo migliore è preveire il prima possibile i fase di progettazioe i poteziali difetti/guasti tramite teciche di Risk Aalysis (es. D-FMEA) Adrea Chiarii 3

14 ANDAMENTO DEL TASSO DI GUASTO λ(t) La fase 2 dei guasti casuali riguarda quei guasti che si maifestao i modo casuale ed idipedete durate il ormale esercizio del prodotto/impiato Tato meglio è stato progettato il prodotto, tato miore è λ i questa fase La competizioe esasperata sul time-to-market sicuramete o aiuta a presetarsi sul mercato co prodotti/impiati a zero difetti. I questa fase i guasti soo costati, si può quidi assumere λ costate Adrea Chiarii 4

15 DISTRIBUZIONE DI PROBABILITA E TASSO DI GUASTO λ(t) Defiiamo F(t) la probabilità che u compoete si guasti fio al periodo t. Idichiamo co R(t) l affidabilità fio allo stesso istate t. Vale chiaramete: F(t) + R(t) = Nella teoria statistica la fuzioe F(t) rappreseta la fuzioe cumulativa di distribuzioe all istate t, per cui la sua derivata, F (t) = f(t), è la fuzioe desità di probabilità: f ( t) Si cosiderio compoeti prodotti i quali, i codizioi fissate, iiziao la loro fuzioe all istate t = 0. Dopo u periodo di tempo t, g di essi sarao stati iteressati da guasti difettosità, metre f = - g risulterao acora fuzioati. Si può, allora, dire che il tasso di guasto dei prodotti risulti: = d g /dt; df( t) dt dr( t) ; dt () ovvero il umero di prodotti compoeti che si guastao ell uità di tempo Adrea Chiarii 5

16 DISTRIBUZIONE DI PROBABILITA E TASSO DI GUASTO λ(t) Essedo il umero di prodotti acora fuzioati pari ad f, il tasso di guasto di u sigolo prodotto può essere espresso come: d dt Parlado i termii di affidabilità, R(t), questa si calcola come frazioe di prodotti acora fuzioati all istate t rispetto agli iiziali: R(t) = f / = - g /; derivado l eguagliaza si ottiee: dr( t) dt Poiché R(t) = f /, si ha: f g ; d dt g ; (2) sostituedo questa ella (2): dr( t) ; R( t) dt dr( t) ; dt Adrea Chiarii 6 (3) f

17 DISTRIBUZIONE DI PROBABILITA E TASSO DI GUASTO λ(t) R(t) è solitamete mootoa decrescete co R(0) =, per cui teedo i cosiderazioe la (3): t dt R dr( t) R 0 R( t) exp t 0 avedo assuto λ costate. Cosiderado ora la () f ( t) df( t) dt log e R( t); dt; exp t; dr( t) ; dt () e questa è la cosiddetta fuzioe desità di probabilità espoeziale (descrive la desità di probabilità per ogi istate t di vita del compoete) Abbiamo così dimostrato che ella fase 2 del ciclo di vita a λ costate si può utilizzare la distribuzioe espoeziale f Adrea Chiarii 7 t e t, t 0

18 MTBF TEMPO MEDIO FRA I GUASTI Cosiderado u periodo preciso dell utilizzo di u prodotto compoete, il tempo medio fra i guasti (Mea Time Betwee Failures), per prodotti riparabili, è il valore medio dell itervallo fra guasti cosecutivi, calcolato come rapporto fra il tempo cumulativo osservato (T) ed il umero dei guasti occorsi (N) durate questo periodo: MTBF =T/N Questo valore, così determiato, o è detto coicida, ovviamete, co quello legato ad u periodo d osservazioe pari all itero ciclo di vita del prodotto (abbiamo bisogo di calcolare l itegrale da 0 a + i dt) L uità di misura del MTBF è solitamete l ora o il gioro Esempio di MTBF: u utesile di fresatura può essere riparato dopo 500 h di fuzioameto MTBF è la somma di due tempi: MTTF + MTTR Adrea Chiarii 8

19 MTTF TEMPO MEDIO FINO AL GUASTO Esistoo prodotti compoeti che o offroo possibilità di riparazioe a seguito di u guasto (u codesatore, u cuscietto a sfere, ua memoria RAM di u PC, ua cighia di trasmissioe, etc.). Per questa tipologia si usa parlare di tempo medio fio al guasto osservato (MTTF Mea Time To Failure). Il calcolo avviee cosiderado u campioe di prodotti sul quale, i codizioi precisate, si osservao i tempi fio ai quali gli prodotti si guastao: t, t2, t3, t. Il tempo medio fio al guasto, osservato, si calcola come: MTTF i t i Nella realtà, MTBF ed MTTF soo cocetti legati fra loro. Ad esempio per u trasistor di poteza di ua scheda elettroica si parla di MTTF, ma i realtà sostituito rede la scheda riparabile (quidi posso calcolare per la scheda MTBF) Vale la relazioe: MTBF = MTTF + MTTR dove MTTR è il tempo medio di riparazioe Si dimostra (ma è ituitivo) che Il tempo medio fra i guasti, MTBF, tede a coicidere co il tempo medio fio al guasto, MTTF, al ridursi del tempo medio di riparazioe prodotto compoete. Quado il tempo medio di riparazioe, ripristio è ullo vale la relazioe: Adrea Chiarii MTTF = MTBF per MTTR = 0 9

20 MTTF MTBF E TASSO DI GUASTO DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA exp ; R( t) t Essedo: e cosiderado il tempo medio di riparazioe = 0 MTBF = MTTF = R( t) dt 0 0 exp( t) dt Ritrovado i questo modo il tasso di guasto Adrea Chiarii 20

21 COMPONENTI IN SERIE E IN PARALLELO Gli impiati idustriali, così come i prodotti, soo formati da compoeti o sistemi. Cosiderado le loro fuzioalità, possiamo pesare a serie e paralleli di tali fuzioi. La valvola co attuatore è i serie rispetto alle due pompe e allo scambiatore. Le due pompe soo i parallelo Adrea Chiarii 2

22 AFFIDABILITA DEI COMPONENTI IN SERIE Nella realtà dei prodotti/impiati, quidi, i compoeti/sistemi i geerale o soo a sé stati ma collegati i u isieme o sistema i modo da soddisfare determiate ecessità. Si preseta pertato il problema del calcolo dell affidabilità dell itero sistema. Dati compoeti di u sistema sia R i l affidabilità del compoete i-esimo, detta R s l affidabilità dell itero sistema i serie si ha: R s (t) = R.R 2. R = i R i ( t) 2 i Ifatti l affidabilità totale del sistema viee meo quado ache uo solo dei compoeti si guasta. La fuzioe di probabilità cumulativa F s (t), ovvero la probabilità di guasto dell itero sistema sarà: F s (t) = - R s (t) = - R ( t) = - R s (t) = R ( t) = i i i i i ( F ( t)) t t i i e e ; quidi S i Adrea Chiarii 22 i i ovvero: MTTF S MTTF i

23 AFFIDABILITA DEI COMPONENTI IN PARALLELO U prodotto/impiato/macchia che ha u sistema composto da compoeti i parallelo smette di fuzioare quado tutti i suoi compoeti si guastao. La probabilità è quidi data dal prodotto delle sigole probabilità, essedo i vari compoeti idipedeti l uo dall altro. F S = F.F 2.F = ; metre - R s = ( - R ).( - R 2 )..(-R ) = i F i R s = - = - i ( R i ) i F i i ( R i ) 2 L affidabilità del sistema cresce all aumetare del umero dei compoeti i parallelo.ma ache i costi Adrea Chiarii 23

24 AFFIDABILITA DEI COMPONENTI IN PARALLELO Se ora cosideriamo l MTTF, questo sarà: MTTF = 0 R dt s 0 i ( Ri ) dt 0 i ( e t i ) dt Suppoiamo per semplicità di avere due soli compoeti co λ e λ 2, allora: MTTF = 0 2 ( e ) ( e ) dt 2 2 MTTF MTTF 2 MTTF MTTF2 MTTF MTTF 2 Adrea Chiarii 24

25 ESERCIZIO Si vuole realizzare u impiato aticedio a umido, ovvero co acqua i pressioe elle tubature per u reparto el quale si lavorao prodotti particolarmete ifiammabili. L impiato pertato deve avere u alta affidabilità. L impiato è composto da 2 sesori termosesibili i parallelo co u MTTF stimato di ore cadauo. I rilevatori azioao 2 ugelli erogatori i parallelo co MTTF stimato di ore. Gli ugelli soo alimetati da u pipig i pressioe che potrebbe o essere i pressioe causa problemi di ua valvola a mote del pipig. Questa valvola ha u MTTF di Si calcoli l MTTF s dell itero sistema Risposta: 3, ESERCIZIO TIPICO PER LO SCRITTO Adrea Chiarii 25

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27 COSTI CONNESSI ALL AFFIDABILITÀ DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA Costo del ciclo di vita Costo Costo di acquisto Costi di mautezioe, riparazioe e di fuori servizio Affidabilità Si dimostra che oltrepassare u certo livello di affidabilità o coviee é al cliete é al produttore. N.B. Ua buoa progettazioe ed u buo sistema di gestioe della qualità portao la curva del costo di acquisto a crescere sempre meo co l affidabilità Adrea Chiarii 27