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문제 정의
- 개발 효과에 대한 성과는 재무적 효과와 비재무적 효과를 함께 파악하여 정리한다. 재무적 효과는 활동의 결과를 금액으로 산출이 가능한 경우이며 저품질 비용(COPQ)측면에서 효과를 파악하고, 비재무적 효과는 기술력 확보, 시스템 구축과 같이 금액으로 환산이 불가능하거나 어려운 경우를 의미한다.
- 따라서 본 연구에서는 연구개발 단계에서 고객의 요구사항 중에서 설계인자를 합리적으로 결정하고, 설계 및 개발품질을 확보하기 위한 로드맵을 구축하고, 설계된 사양을 바탕으로 양산품질을 추정하여 사전에 설계 품질을 확보할 수 있는 방법을 제안함으로써 품질경쟁력을 확보하고, 아울러 설계변경 등으로 인한 금형수정, 재시험, 재검사 등을 수행하면서 발생되는 저품질비용(Cost Of Poor Quality, COPQ)을 감소시켜 원가경쟁력 확보에 도움이 될 수 있는 방안을 제시하기로 한다.
- 일반적으로 설비투자에 대해서는 회사의 규정에 따라 감가상각 기간을 적용한다. 비재무적 효과의 경우에도 내용이 구체적으로 검증 혹은 확인 될 수 있도록 기술하여 정리한다.
- 이에 본 연구에서는 ISO/TS 16949의 사전 제품품질 기획(APQP)와 연구개발 분야의 Six Sigma 활동인 DFSS 의 방법론을 알아보고 연구개발 분야에서 설계품질을 보증할 수 있는 새로운 로드맵을 제시하고 적용하여 자동차 부품업체에서 부품 개발활동 프로세스로 활용하도록 하였다.
- 이러한 측면에서 제조 부문에서는 낭비에 대한 개념이 명확히 정립이 되어 개선활동을 하면 그 성과를 재무적으로 나타낼 수 있지만, 연구개발 부문에서는 설계 및 개발활동의 성과를 재무적으로 나타내기가 어려웠다. 이에 연구개발 부문에서 기회 손실 비용을 나타낼 수 있는 저품질 비용 (COPQ)을 활용토록 제시하였다.
- 셋째, 연구개발 단계에서 설계품질 및 개발품질을 보증할 수 있는 활동을 하기 위해서는 적합한 도구가 사용되어야한다. 이에 제품설계 단계에서 구상설계를 하는 방법, 설계최적화를 위한 방법, 제품설계, 공정설계 및 라인설계를 검증할 수 있는 방법을 제시하였다.
제안 방법
- 각 공정별로 관리해야 할 품질특성과 공정조건에 대하여 관리기준을 설정하고 이상 발생 시에 조치하는 방법을 결정하여 양산단계에서의 관리계획을 수립하였다.
- 강건설계를 실시하여 결정된 최적조건으로 시작품(Pilot-test Products)을 제작하여 설계검증을 실시하였다. 반력에 대해서는 <그림 5>와 같이 사이드 임팩트(Side Impact) 시험을 실시하였고, 변위에 대해서는 <그림 6>과 같이 다관절 내구시험기를 이용하여 변위 시험을 실시하였다.
- 고객의 요구 및 기대를 포함하여 예비 자재수급서, 예비 공정흐름도, 신뢰성 목표 및 요구 사항, 유사 부품의 고장형태 및 영향분석(Failure Mode and Effects Analysis, FMEA) 자료를 근거로 하여 특별특성 예비 목록을 작성한다. 이러한 예비 특별특성들은 Y= f (X)라는 상관관계를 규명하면서 확정하게 된다.
- 관리 특성에 대하여 앞서 확인된 측정시스템으로 데이터를 수집하여 초기 공정능력을 조사하여 공정능력이 부족한 특성에 대해서는 개선활동을 실시하여 공정 능력을 확보하였다.
- 또, 각 적재 공간을 설정하고, 작업자의 작업이 이루어지는 순서를 정의한다. 그 후 조사된 함수 값과 산포를 입력하고, 각 공정별 작업 스케줄을 입력하여 시뮬레이션을 실시한다.
- 기존의 NF라인을 벤치마킹하여 공정흐름도를 작성하고, 관련 팀원들과 공정 고장형태 및 영향분석(Process FMEA)을 실시하여 공정을 설계하였다.
- 단품 및 조립 공정 별로 관리 특성을 결정하고 특성 별로 측정자와 계측기를 선정하고 과 같이 계획을 수립한 후에 측정시스템을 분석하여 측정능력을 확보하였다.
- 도어트림에 대한 고객의 요구사항으로 설문을 통하여 수집한 후에 안전, 성능, 품질, 환경으로 다음의 와 같이 분류하였다.
- 둘째, 입력된 시뮬레이션 입력 인자 값에 대하여 분석을 실시하여 함수 값과 산포를 얻어내고, 이를 이상적 생산 치와 비교 평가하여 데이터의 신뢰를 확보한다.
- 반력에 대해서는 와 같이 사이드 임팩트(Side Impact) 시험을 실시하였고, 변위에 대해서는 과 같이 다관절 내구시험기를 이용하여 변위 시험을 실시하였다.
- 본 연구에서는 고객의 요구사항을 품질기능전개(QFD)를 활용하여 <표 1>과 같이 제품 특성으로 변환 하였다. 벤치마킹 및 경쟁사와 자사의 수준을 비교분석한 결과 특별특성으로 도어트림 반력과 도어트림 변위를 선정하였다.
- 본 연구에서는 ISO/TS 16949시스템 중에서 연구개발 활동을 구체적으로 정의한 사전 제품품질 기획/계획/전략(Advanced Product Quality Planning, APQP)과 업체의 연구개발 부문의 6시그마 접근 방법인 DFSS(Design For Six Sigma)를 효율적으로 연계하여 부품의 설계 및 개발품질을 확보할 수 있는 로드맵을 제시하고, 우리나라 자동차 분야의 대표기업인 H기업에 적용함으로써 효과를 검증하기로 한다.
- 본 연구에서는 고객의 요구사항을 품질기능전개(QFD)를 활용하여 과 같이 제품 특성으로 변환 하였다.
- 선정된 개념 3에 대해서 설계 고장형태 및 영향분석(Design FMEA)을 실시하였다. 위험우선순위(Risk Priority Number,RPN)가 100이상 충격흡수율 불만족, 암 레스트 강도 부족 및 외관 부적합품에 대해서 예방조치를 실시하였다.
- 선정된 제어인자와 잡음인자에 대하여 직교배열표에 의한 다구찌 실험계획을 수립하고 실험을 실시하였다. 실험결과에 대하여 S/N비와 베타 값을 분석하여 최적 조건을 설정하였다.
- 설계 최적화를 하기 위하여 선정된 인자를 활용하여 특별특성인 반력과 변위량에 대하여 과 같이 피-다이어그램(P-Diagram) 을 작성하였다[7,18,20].
- 시제품을 제작하여 반력과 변위에 대해서 검증한 후에 부품 구성표(Build of Material, BOM), 사양정보 등을 취합하여 디지털 사전조립검증(Digital Pre Assembly, DPA) 데이터를 구성한 후에 정적 간섭, 툴(Tool) 간섭, 조립 작업성 및 동적 작동에 대하여 설계검증을 실시하였다. 설계검증 결과 정적 간섭13건, 설계오류 3건, 툴 간섭 3, 작업성 28건에 대하여 사전에 설계변경을 실시하였다.
- 셋째, 공정 설계 값을 기준으로 기본 모델링(As-Is Modeling)을 실시한 후, 공정 흐름도 대로 제품 제조 경로를 설정한다. 또, 각 적재 공간을 설정하고, 작업자의 작업이 이루어지는 순서를 정의한다.
- 7mm로 개선되었다[19,21]. 시제품을 제작하여 반력과 변위에 대해서 검증한 후에 부품 구성표(Build of Material, BOM), 사양정보 등을 취합하여 디지털 사전조립검증(Digital Pre Assembly, DPA) 데이터를 구성한 후에 정적 간섭, 툴(Tool) 간섭, 조립 작업성 및 동적 작동에 대하여 설계검증을 실시하였다. 설계검증 결과 정적 간섭13건, 설계오류 3건, 툴 간섭 3, 작업성 28건에 대하여 사전에 설계변경을 실시하였다.
- 선정된 제어인자와 잡음인자에 대하여 직교배열표에 의한 다구찌 실험계획을 수립하고 실험을 실시하였다. 실험결과에 대하여 S/N비와 베타 값을 분석하여 최적 조건을 설정하였다. 잡음인자에 강한 제어인자의 최적 조건으로 <그림 4>와 같이 암 레스트 글루브 깊이 1.
- 모니터링 시스템은 일반적으로 관리도를 포함한 통계적 공정관리(Statistical Process Control, SPC) 를 활용 하는 것이 가장 효과적이다. 양산관리 계획에 규정된 공정별 측정대상 특성을 선정한 후 해당특성에 대한 측정, 관리상태의 파악, 공정능력 목표달성 여부의 파악, 그리고 개선의 과정을 거쳐 추진한다.
- 위와 같은 단계를 거치면서 보완된 구상 설계에 대하여 설계고장형태 및 영향분석(Design FMEA)을 실시하여 품질 산포를 감소시키고, 생산성 향상과 설비투자비 절감에 대한 사항을 사전에 검토한다.
- 선정된 개념 3에 대해서 설계 고장형태 및 영향분석(Design FMEA)을 실시하였다. 위험우선순위(Risk Priority Number,RPN)가 100이상 충격흡수율 불만족, 암 레스트 강도 부족 및 외관 부적합품에 대해서 예방조치를 실시하였다.
- 따라서 부적합의 원인을 근본적으로 제거하기 위해서는 개념 개발 단계에서부터 창의적인 아이디어를 도출하여 최적의 제품을 설계해야하고, 공정에서 품질을 보증할 수 있도록 공정을 개발해야 한다. 이에 앞의 연구를 바탕으로 자동차부품 설계 및 개발 단계에서 품질을 보증할 수 있는 로드맵(Roadmap)을 제시하고 적용하여 개선 실행 모델로 활용되도록 하였다.
- 잡음인자에 강한 제어인자의 최적 조건으로 와 같이 암 레스트 글루브 깊이 1.0, 측벽2의 두께를 1.5, 측벽1의 두께를 0, 브리지 두께 0, 브리지 1너비를 12, 브리지 3너비를 24로 설정하였다.
- 디지털 생산성 최적화(DPO) 검증방법을 실시하여 공정 설계의 적합성을 검증하기 위한 절차는 다음과 같다. 첫째, 싸이클 타임(Cycle Time), 작업 인원, 적재장면적, 용기 용량, 물류 이동 경로, 로트(Lot) 수량, 설비 고장률, 설비 수리시간, 제품 부적합품률, 생산 제품 사양 등 현재 공정의 현황을 파악하여 시뮬레이션 입력 인자 값을 입력한다.
- 트리즈(TRIZ) 기법을 활용하여 현행개념 이외에 추가로 4개의 개념을 도출하였다. 그리고 푸의 방법(Pugh’s Method)을 활용하여 <표 2>와 같이 평가한 결과 개념 3을 선정하였다.
- 특별특성에 대하여 양산관리 계획서에 정해진 관리 방법에 따라 관리도를 작성하고, 관리 이상이 발생 할 경우에 이상조치를 취하는 모니터링 시스템을 구축하였다.
- 현장에서 품질감사(Quality Audit)를 실시하여 공정에서 관리도를 통해 공정이상을 조기에 발견하고 예방조치를 취하는 시스템을 운영하고, 검사를 통해 발견된 돌발 부적합품에 대해서는 시정조치를 취했다.
대상 데이터
- 설계 최적화를 위한 제어인자를 도출하기 위하여 품질기능전개(QFD) 2단계를 실시한 결과 암 레스트 글로브 깊이, 리브 두께, 측벽 두께, 브리지 두께, 브리지 너비를 인자로 선정하였다. 설계 최적화를 하기 위하여 선정된 인자를 활용하여 특별특성인 반력과 변위량에 대하여 <그림 3>과 같이 피-다이어그램(P-Diagram) 을 작성하였다[7,18,20].
이론/모형
- 3D FACTORY기법을 활용하여 조립라인의 레이아웃을 검증하였다. 검증결과 사출공정에서 조립라인까지의 이동거리가 멀었다.
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2) 공정설계 검증
검증설계 검증도구로는 디지털 생산성 최적화(Digital Productivity Optimization, DPO)방법과 가설검정 등의 통계적 방법이 활용된다.
- 공정에 대하여 디지털 공정설계 검증(DPO) 방법을 실시하였다. 설비위치 선정 자료를 검증하여 설비 점유면적을 47%축소하였으며, 작업자 위치 및 작업방법 검증과 공정별 싸이클 타임을 분석하여 병목공정인 감싸기 공정을 개선하여 시간당 생산 수량을 68개에서 95개로 향상시켰다.
- 그리고 푸의 방법(Pugh’s Method)을 활용하여 와 같이 평가한 결과 개념 3을 선정하였다.
- 발굴된 아이디어는 푸의 방법(Pugh’s Method)을 활용하여 아이디어를 평가한다.
- 본 연구에서는 자동차 부품품질 확보 방법에 대한 모델은 통합화란 관점에서 ISO/TS 16949에 DFSS방법론을 맞추어 실행 원칙을 적용하였다.
성능/효과
- 둘째, 제조부문과 연구개발 부문의 가장 큰 차이점은 제조부문은 제품 생산에 대한 물(物)의 흐름이 중심이 되어 최종적인 아웃풋(Out-Put)은 제품이지만, 연구개발 부문은 설계 및 개발활동이 중심이 되어 도면이나 공정개발이 최종 아웃풋이 된다는 것이다. 이러한 측면에서 제조 부문에서는 낭비에 대한 개념이 명확히 정립이 되어 개선활동을 하면 그 성과를 재무적으로 나타낼 수 있지만, 연구개발 부문에서는 설계 및 개발활동의 성과를 재무적으로 나타내기가 어려웠다.
- 공정에 대하여 디지털 공정설계 검증(DPO) 방법을 실시하였다. 설비위치 선정 자료를 검증하여 설비 점유면적을 47%축소하였으며, 작업자 위치 및 작업방법 검증과 공정별 싸이클 타임을 분석하여 병목공정인 감싸기 공정을 개선하여 시간당 생산 수량을 68개에서 95개로 향상시켰다.
- 반력에 대해서는 <그림 5>와 같이 사이드 임팩트(Side Impact) 시험을 실시하였고, 변위에 대해서는 <그림 6>과 같이 다관절 내구시험기를 이용하여 변위 시험을 실시하였다. 시험결과 반력은 목표인 2.10KN이내치인 1.92KN으로 개선되었으며, 변위는 목표인 5.0mm이내인 3.7mm로 개선되었다[19,21]. 시제품을 제작하여 반력과 변위에 대해서 검증한 후에 부품 구성표(Build of Material, BOM), 사양정보 등을 취합하여 디지털 사전조립검증(Digital Pre Assembly, DPA) 데이터를 구성한 후에 정적 간섭, 툴(Tool) 간섭, 조립 작업성 및 동적 작동에 대하여 설계검증을 실시하였다.
- 제품설계, 공정설계, 라인설계 검증 결과 유형효과는 설계변경 감소, 생산성 향상, 공정 및 모기업 조립라인 부적합품률 감소 등으로 집계할 수 있었으며, 무형효과는 검증시스템 구축으로 파악되었다.
후속연구
- 이러한 연구의 한계를 감안하여 연구개발 단계에서 품질을 보증할 수 있는 실증적인 연구가 지속적으로 이루어져 본 연구가 구축하고자했던 연구목적을 더욱 발전시키기를 기대한다. 본 연구가 향후 자동차부품의 품질경쟁력을 강화시켜 부품업체의 발전에 도움이 되었으면 하는 바람을 가져본다.
- 이러한 연구의 한계를 감안하여 연구개발 단계에서 품질을 보증할 수 있는 실증적인 연구가 지속적으로 이루어져 본 연구가 구축하고자했던 연구목적을 더욱 발전시키기를 기대한다. 본 연구가 향후 자동차부품의 품질경쟁력을 강화시켜 부품업체의 발전에 도움이 되었으면 하는 바람을 가져본다.
- 따라서 자동차 부품업체들의 품질보증 능력은 완성차업체의 품질보증능력과 직결된다. 자동차 부품업체에서 품질을 보증할 수 있는 부품을 개발하여 완성차업체에 공급한다면 완성차의 본질적 경쟁력 강화에 기여하여 선순환 사이클이 형성될 것이다.
- 첫째, 검사위주의 품질보증 활동은 근본적인 부적합 원인을 제거하는데 한계가 있다. 따라서 부적합의 원인을 근본적으로 제거하기 위해서는 개념 개발 단계에서부터 창의적인 아이디어를 도출하여 최적의 제품을 설계해야하고, 공정에서 품질을 보증할 수 있도록 공정을 개발해야 한다.
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