confiabilidade e ensaios acelerados - sic2014

12º Simpósio Internacional de Confiabilidade SIC 2014, América do Sul

Como fazer a confiabilidade acontecer utilizando ensaios

acelerados no desenvolvimento de produtos

Eng. º Regis Alberto Koeche

12° Simpósio Internacional de Confiabilidade - SIC 2014 Como fazer a confiabilidade acontecer utilizando ensaios acelerados no desenvolvimento de produtos

Introdução

A crescente competição mercadológica mundial, nos quais os produtos tornam-se cada vez mais complexos, os índices de qualidade cada vez mais exigentes e os prazos de lançamento de novos produtos menor, mostram a necessidade de se utilizarem novas técnicas no processo de desenvolvimento de produto, que possam auxiliar no crescimento da confiabilidade rapidamente;

O rápido conhecimento das falhas propicia uma diminuição substancial no período de desenvolvimento do produto, além da diminuição de custos de projeto.

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Agenda

Introdução

Como avaliar a Confiabilidade

Requisitos para a Confiabilidade do Produto

o Definição de Vida Operacional, Confiabilidade e Intervalo de Confiança

A metodologia AQ2 (Análise, Qualitativo, Quantitativo)

Porque os Produtos Falham ?

o Os efeitos dos estresses de campo sobre o produto e quais os efeitos dos estresses do ensaio acelerado no

produto, durante o processo de seu desenvolvimento.

Tipos de Ensaios Acelerados

o Ensaios acelerados para estimular falhas latentes e fraquezas de projeto.

o Ensaios acelerados para simulação de uma vida operacional.

Ensaios Qualitativos e Quantitativos

o O que são ensaios qualitativos e qual o seu propósito ?

o Como proceder e quais são as etapas de teste de um ensaio qualitativo ?

o O que são ensaios quantitativos e qual o seu objetivo ?

Como Calibrar um Ensaio Acelerado Quantitativo ?

o O CALT, método mais otimizado, para encontrar os níveis de aceleração a serem aplicados, durante a

execução dos ensaios.

Como verificar se a Confiabilidade mínima foi obtida, através dos dados do ensaio acelerado quantitativo ?

o Após encontrada a curva de aceleração, como definir a quantidade de amostras necessárias ?

o Como realizar a prova estatística, para comprovar a confiabilidade mínima requerida ?

o Como conciliar a quantidade de amostras calculada para Prova de Estatística vs. a quantidade de amostras

disponíveis para se realizar este teste ?

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Objetivo

Para que a construção da confiabilidade nos produtos seja possível, é necessário conhecer tanto sobre “como as coisas falham”, quanto se sabe sobre “como as coisas funcionam”.

A utilização de ensaios acelerados propicia ao desenvolvimento :

o O rápido aparecimento das fraquezas e falhas de projeto, que após a

sua compreensão, permitem que melhorias sejam implantadas;

o O produto se torna mais robusto, em um período de tempo menor, se

comparado aos processos de desenvolvimento tradicionais, que não

costumam aplicar ensaios acelerados;

o Com a utilização de ensaios acelerados qualitativos é possível

descobrir os modos de falha em potencial, que afetam a

confiabilidade do produto;

o Através dos ensaios acelerados quantitativos, conhecer o

comportamento matemático destes modos de falhas, estimar se a

confiabilidade está ou não nos níveis desejáveis, proporcionando

maiores condições para decisão sobre o lançamento no mercado.

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Mercado NacionaI Automação Bancária

Atual situação do sistema bancário nacional, no qual produtos de automação bancária tem sido alvo da criminalidade, exigiu que novas tecnologias fossem implementadas, em um curto espaço de tempo, sem que a confiabilidade ficasse comprometida;

Novos ensaios tiveram que ser delineados, novos modos de falhas tiveram que ser estimulados a se manifestarem rapidamente, compreendidos e mitigados.

Diferentes condições ambientais percebidas em campo, mostraram a necessidade de alterarmos os ensaios de simulação para este novo produto, sem que o tempo e os custos de projeto viessem a comprometer as exigências de mercado.

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Como avaliar a Confiabilidade

• Primeiramente o que nos interessa saber é quais são os modos de falhas mais prováveis que irão ocorrer em campo;

• Para isso, devemos acelerar o surgimento dos modos de falhas, adotando técnicas de ensaios acelerados qualitativos;

• Compreender a causa raiz dos modos de falha e implementar as melhorias;

• Realizar ensaios acelerados quantitativos, com o objetivo de se obter dados de tempo até a falha;

• Através destes dados, estimar a confiabilidade, para a tomada de decisão, sobre o lançamento do produto em campo.


R Probabilidade de executar uma dada função até de um dado tempo :

• Ex. 95% ou 98%

C

Intervalo de Confiança nesta probabilidade:

• Ex. 50% ou 60% ou 90%

Condição de Stress Mecanismo de Falha Ex. :

• Carga Ambiental

• Vibração

• Térmico

• Fadiga

• Carga Funcional

Tempo T Tempo no qual se aplica o R & C

• “Uma Vida” Ex. 10 anos ou 20 anos

Definição de Falha/ Sucesso • Ex. Falha

técnica

• Ex. Falha percebida

Os cinco parâmetros críticos dos requisitos de confiabilidade

Os requisitos de confiabilidade ?


Comprendendo os Requisitos de

Confiabilidade e Intervalo de Confiança

• Definir um requisito de Confiabilidade :

– Ex. 92 % de Confiabilidade para 100.000 km

– É a probabilidade de que 92 % dos produtos, NÃO irão falhar, antes de completarem os 100.000 Km.

• Definir um requisito de Intervalo de Confiança :

– Ex. 50 % Intervalo de Confiança, apresenta uma estimativa do range de valores, os quais provavelmente podem conter o parâmetro desconhecido da população;


Definição de uma Vida

• A definição da Confiabilidade deve ter um período de tempo associada à ela :

• Relacionar o tempo cronológico de uso do produto, com a quantidade de operações dele, neste período: – Ex. Porta da geladeira, quantidade de aberturas da porta, Uso

Severo, 30 vezes ao dia, 10.950 ao ano, 109.500 em 10 anos, ou Uma VIDA.


Definição da Quantidade de Amostras

Quantidade de amostras = 9

Confiabilidade : 92 %

Intervalo de Confiança : 50 % Gráfico Binominial Ñ Paramétrica


Utilizando um Programa p/ Calcular


Confiabilidade

R = 92 %

Intervalo de Confiança

C = 50 %

Condição de Stress

• Carga Funcional

• Nº Aberturas de Portas : 109.500

• Uso Severo 30 Aberturas/dia

• Quantidade de amostras em teste : 9 (nove)

Tempo T

Tempo no qual se aplica o R & C

• Vida : 10 anos ou 109.500 aberturas de porta

Definição de Falha/ Sucesso

• Folga na dobradiça

• Porta trancada

• Sensor de Porta Fechada não detecta

• Outras falhas que possam surgir

Resumo dos cinco parâmetros críticos Ex. Geladeira Função Pretendida : Abertura Porta

Ex. Requisitos de confiabilidade


• O Desenvolvimento do produto é parcionado em três fases:

– Análise – Análise virtual do protótipo

– Qualitativo – Descobrir falhas nos primeiros protótipos

– Quantitativo – na validação do projeto

• Institucionalizar este processo por toda a engenharia de desenvolvimento

Analysis Phase

Development Phase = Qualita

tive

Validation Phase = Quantitativ

e

Squeeze Out Time

AQ2 as a Strategy

Weakness

Underestimation

Weakness

Três Oportunidades: obter vantagens em cada uma !

Validação Final do Projeto

Metodologia AQ2envolvimento de Produto


Etapa de Análise Virtual

• Realizar análise do projeto, utilizando ferramentas computacionais como exemplos :

• Placas Eletrônicas : – Análise de térmica – Análise de vibração – Análise de interferencia elétrica entre circuitos.

• Mecânica : – I - Análise de múltiplos corpos : Identificação dos níveis de

freqüência de corpo rígido, velocidade, aceleração e deslocamento nas juntas da montagem;

– II - Análise estática : Obtenção dos níveis de tensão, deslocamento e deformação dos componentes estruturais;

– III - Análise modal numérica : Obtenção das freqüências naturais, com seus respectivos modos de vibração.

– Análise de Elementos Finitos


Etapa Qualitativa & Quantitativa

– Ensaios Qualitativos • Descobrir os modos de falhas.

– Ensaios Quantitativos • Estimativa de confiabilidade dos modos de falha.


Porque os Produtos Falham ?

– Existe uma relação entre a durabilidade do

produto com as condições ambientais e/ou de utilização ?


Durabilidade do Produto

Alta

Durabilidade

Baixa

Durabilidade

Limite Superior da

Distribuição de

Durabilidade

Limite Inferior da

Distribuição de

Durabilidade

Durabilidade pode ter tolerȃncia em temperatura, vibração, umidade, tempo, etc., ou uma combinação destes fatores e outros.

Distribuição da



Definição de Estresse

• O que entendemos por ESTRESSE?

– Características das condições de operação que trabalham para aplicar danos ao produto;

– Estresse no produto é causado por sua utilização e exposição.

– O conhecimento da distribuição do estresse é necessário para projetar e desenvolver produtos confiáveis.


Distribuição dos Estresse em Campo

• O Estresse normalmente não é Constante, mas melhor descrito por uma Distribuição;

• A distribuição do estresse para um componente automotivo, pode ser vista pela variação de como os seus clientes utilizam seus veículos.

Ex. Carga Funcional


Distribuição dos Estresses no Campo

Alto Estresses Baixo Estresses

Distribuição dos Estresses em Campo

A Distribuição do stress no campo podem incluir, temperatura, vibração, umidade, tempo, poeira, choque etc. ou mesmos funcionais.


Estresse no Campo


Durabilidade do Produto vs.

Estresses no Campo

Produtos mais fracos falham quando os estresses no campo são mais fortes do que a distribuição de

durabilidade do produto.

Área de interseção = Falha

Estresse mais Severo

Produto com menor Durabilidade

Distribuições Estatísticas


A durabilidade do produto pode diminuir com tempo, logo a distribuição de durabilidade se move para esquerda

Produtos mais fracos falham sob os efeitos dos estresses em campo.

Área de interseção AUMENTA, logo a Probabilidade de Falha AUMENTA !!!

Distribuições Estatísticas Estresse no

Campo Durabilidade do Produto


Estresses no Campo


Definição de Ensaio Acelerado

• Ensaio no qual o nível de estresse aplicado é escolhido de forma a exceder o estabelecido, nas condições de referência, de modo a encurtar o tempo de espera necessário para se observar a resposta do item (ex. FALHA) a este determinado estresse, ou para ampliar o nível da resposta durante um tempo estipulado.


Estresse do Ensaio

Acelerado

Durabilidade do

Produto

Aceleração do estresse

Produtos mais fracos falham, quando os estresses do ensaio acelerado são mais fortes do que a distribuição de

durabilidade do produto.

Área de interseção entre as distribuições aumenta, logo as falhas começam

a se manifestarem.


Estresses no Campo


Ensaios Acelerados

• Os Ensaios Acelerados podem ser divididos em duas áreas:

– Ensaios Acelerados Qualitativos

– Ensaios Acelerados Quantitativos


Ensaios Acelerados Qualitativos

• Os Ensaios Qualitativos são delineados p/ estressar os produtos com o objetivo de se obter informações sobre o modo de falha, sem a necessidade de fazer qualquer previsão quanto à vida útil do produto, em condições normais de uso.

• Uma das metodologias de ensaio acelerado qualitativo mais eficazes, adotadas atualmente para produtos eletroeletrônicos e eletromecânicos é o HALT (Highly Accelerated Life Test).


Metodologia HALT

• O termo HALT é um método de Análise Qualitativa. • É uma metodologia que permite aumentar a confiabilidade do

produto, tornando-o mais robusto; • Produto é submetido a um “stress” muito além das especificações de

operação; • O nível de “stress” é INCREMENTADO até que as fraquezas do produto

apareçam; • O objetivo é ESTIMULAR os modos de falha e eliminá-los durante a

fase de projeto; • COMPREMENDER o mecanismo de falha, encontrando a causa raiz e

promover a ação corretiva; – FMEA é uma ferramenta poderosa para análise e melhoria; – Saber como proceder para compreender a Causa Raiz;

• No Ensaio HALT não existe APROVAÇÃO do produto nos testes; • É um método que permite melhorar a confiabilidade do produto e não

para determinar qual a sua confiabilidade.


Encontrar o Limite da Tecnologia

• Incrementar o nível de stress, pelo teste verificar se o produto ainda funciona, quando ocorrer uma falha, diminuir o nível de stress e verificar se o produto retorna a funcionar no teste, neste momento é encontrado o limite da tecnologia.

Limite da Tecnologia


Limite

Superior

Operação

Limite

Superior

Destruição

Limite

Inferior

Destruição

Limite Inferior

Operação

Revelação dos Limites de Tecnologia

-10ºC

-5ºC -15ºC

0ºC 40ºC

Ex. : Temperatura ºC

Especificação

Operacional


Limite

Superior

Destruição

Limite

Inferior

Destruição

Limite

Inferior

Operação

Limite

Superior

Operacional

Especificação

Operacional

Efeito na Melhoria das Margens

0ºC 40ºC

Pior caso da distribuição, fica distante da Especificação Operacional

Ex. : Temperatura ºC


Ensaio HALT PADRÃO

• Ensaio Térmico :

– Temperatura Extremamente Baixa

– Temperatura Extremamente Alta

• Ciclagem Térmica Rápida de Temperatura

• Ensaio de Vibração

• Ensaio Combinado :

– Transição Ciclica Rápida de Temperatura

– Ensaio de Vibração


Laboratório HALT da Perto S.A.

Tanque de LN2


Preparação para Ensaio do Produto


Ensaios Acelerados Quantitativos

• Os Ensaios Acelerados Quantitativos são delineados para criar distribuições de probabilidade, através de dados de tempo até a falha, como forma de predizer as características de vida do produto, como a sua Probabilidade de Falhas, o MTTF, etc., em condições normais de uso, a partir de dados obtidos em um ensaio de vida acelerado;

• São ensaios de Simulação de Vida do Produto;

• Com a Distribuição de Vida, poderemos :

– Estimar qual a confiabilidade para um determinado período;

– Saber se a confiabilidade mínima necessária para o mercado a qual o produto se destina e se a mesma foi alcançada.


Acelerando o Tempo até a Falha

• Aumentando o estresse a vida diminui.

• Delineando um teste de vida, que exceda as condições normais de uso, com o intuito de acelerar as causas que provocam a falha.


Pdf X Tempo X Relação de Estresse

Importante : Fator de forma é o mesmo, alteração somente no fator de escala

Diferentes Temperaturas ( ºK)


Parâmetros de Aceleração

• Temperatura

• Vibração

• Tensão

• Corrente

• Força

• Pressão

• Sal

• Poeira

• Outros


Características das Falhas

• As falhas não são só devidas as diferentes funções e dimensões de um produto, mas sim pela física da resposta do produto para diferentes estímulos.

• Distribuições de Vida são utilizadas para gerar estimativas, mas não devemos esquecer

primeiramente, o que a falha causa no produto !!!


Definindo os Fatores de Aceleração

• O termo fator de aceleração é usado para descrever a relação da vida característica no uso e as condições de ensaio, ou:


Relação de Vida vs Estresse Mais Usuais


• Um fator de aceleração é definido como a relação entre o "quanto tempo alguma coisa vai viver (vida)", sob as condições de estresse normal, dividido pelo "quanto tempo alguma coisa vai viver (vida)", sob as condições de estresse acelerado.

• O "fator de aceleração" deve ser sempre um valor maior do que "um"

• Desenvolver um teste acelerado para produzir o mesmo nível de dano que o de um ensaio normal, porém realizar este "dano igual" usando menos tempo, como o resultado do uso de um maior nível de stress.

O Conceito do Fator de Aceleração

normal stress

accelerated stress

Life (cycles) Acceleration Factor (AF) =

Life (cycles)

accelerated normalDamage Damage


Como Calibrar o Ensaio Acelerado ?

• O que é o CALT (Calibration Test)

– O CALT é um método sequencial de ensaio acelerado de vida (ALT), utilizado para otimizar o tempo do teste e o tamanho da amostra, para realizar uma estimativa de vida de forma mais eficaz.

• Tipos :

– CALT to Single Stress;

– CALT MEOST to Mixed Environmental Over-Stress Testing;

– CALT to Degradation Analysis.


Uso Normal 10

1.000.000

O Processo CALT p/ Único Estresse

Stress (Nm)

IPL/Weibull

Data 1

Eta

Requisito

de Tempo

de teste

Vida

Tempo

Foolish Stress Level

Tempo Restante

p/ Teste

3º Nível Stress Identificado

2º Nível Stress (80 % Foolish Level)

1º Nível Stress (90 % Foolish Level)

3º N. Stress

Estimativa de VIDA p/ Condição de Uso Normal

2º N. Stress

1º N. Stress

V1


Ex. Ensaio de Motores

Equipamentos : Dynomometer Controller Power Analyzer Fonte DC

Freio Eletromagnético Célula de Carga Dispositivo de Fixação Amostras sob Ensaio

Setup de Teste de Motores

Filmes/Ensaio ALT Motor DC.wmv


Dados de Ensaio com 1º e 2º Nível

Especificação de Torque p/ Eixo Travado : 2,0 Nm Foolish Stress Level Definido em : 1,86 Nm Teste Amostra no “Foolish Level” : 53 ciclos até falhar

1º Nível = 1,86 Nm X 90% = 1,68 Nm 2º Nível = 1,86 Nm X 80%= 1,48 Nm


1,45 2º

1,68 1º

Tempo restante 4h = 2.000 ciclos

0,77 3º

1,86 Nm Foolish Stress Level

53,0

3º Nível Estresse

2º Nível Estresse

1º Nível Estresse

Teste Ciclos Torque (Nm) 1º Teste 88 1,68

1º Teste 104 1,68

2º Teste 176 1,45

2º Teste 178 1,45

Ex. O Processo CALT Motor DC 12 V

Executar ensaio c/ 0,77 Nm 2 amostras


Dados de Ensaio com 3º Nível Estresse

3º Nível de Estresse Dados de 2 amostras

Desgaste Mecânico e/ou Elétrico : Lei da Potência Inversa Distribuição de Vida : Lognormal


0,77

Teste Ciclos Torque (Nm) 1º Teste 88 1,68

1º Teste 104 1,68

2º Teste 176 1,45

2º Teste 178 1,45

3º Teste 5560 0,77

3º Teste 5727 0,77

Ex. O Processo CALT- AJUSTE

1º Nível Estresse

2º Nível Estresse

3º Nível Estresse 5600,00

1,45 1,68

Estimativa de Vida Média p/ Uso Normal = 138.200

Uso normal = 0,42 Nm


Gráfico do Fator de Aceleração

0,8


Re-cálculo da Quantidade Ciclos de Teste


Resultado dos Testes

Amostras Estado da Falha

F ou S Tempo da F

ou S Torque N.m Modo de Falha

01 S 3.800 0,8 Sem Falhas



• Tempo médio para a execução de 3.800 ciclos de teste : 2:52 horas • Tempo total gasto no teste dos 3 motores : 9:15 horas • Resultados dos Testes : Nenhum modo de falha elétrica ou mecânica foi detectado, em nenhuma das amostras, nesta condição; • LOTE APROVADO • Controle de Qualidade de Recebimento pode utilizar este ensaio para aprovar lotes de motores recebidos, utilizando somente 3 unid.


Atividades da Eng. Da Confiabilidade

1. Determinação dos Indicadores de Confiabilidade;

2. Especificação da Meta de Confiabilidade e Int. de Confiança;

3. Determinação do programa de ensaios acelerados;

4. Execução de Ensaios HALT e outros similares;

5. Execução de Ensaios ALT, utilize o CALT p/um teste + eficaz;

6. Demonstração da Confiabilidade através de extrapolação matemática, utilizando programas específicos;

7. Validação do Projeto do Produto, compare com a Meta;

8. Ensaio de Conformidade da Confiabilidade no Lote Piloto de Produção, avaliar se a Confiabilidade está dentro especificado;

9. Análise de Dados de Campo – Análise Garantia & Pós-Vendas por RGT, para calcular o MTBF e probabilidades de falhas etc.


Resumo Processo Desenvolvimento


• Sua empresa deve ter um requisito de confiabilidade pelas seguintes razões:

– Definir uma meta com as expectativas mensuráveis de vida do produto;

– Direcionar a disciplina na organização pela Confiabilidade;

– Forçar a organização em identificar as condições severas de uso, com o objetivo de se estabelecer quais os ensaios e testes mais adequados;

– Criar um objetivo, em vez de um processo subjetivo, p/ identificar a quantidade de amostras a serem utilizadas nos ensaios, bem como qual será a duração destes ensaios;

– Executar ensaios acelerados qualitativos e quantitativos, a fim de verificar os modos de falhas, bem como obter o tempo até falha para elaborar estimativas probabilísticas de confiabilidade;

– Criar uma "consistência de propósito“, de forma que todos estejam cientes e comprometidos em seguir o objetivo juntos.

Mensagem para Implantar Confiabilidade


A Filosofia das Melhores Práticas

Três importantes declarações resumem a filosofia das melhores práticas nas empresas de sucesso:

• A confiabilidade deve ser projetada para produtos e processos, utilizando os melhores métodos científicos disponíveis.

• Conhecer a forma de calcular a confiabilidade é importante, mas o conhecimento de como alcançar a confiabilidade é igualmente, se não o mais importante !

• As práticas da Confiabilidade para Projetos devem começar no início do processo de concepção e estar bem integradas ao ciclo de desenvolvimento geral dos produtos.


Bibliografia

• Curso “Demonstrating Reliability with Accelerated Testing” by Larry Edson Consulting Inc., Hobbs Engineering, em 2009;

• Cursos da Reliasoft RS401,RS402,RS403 e RS521 de 2007; • Phd. Gregg K. Hobbs, Accelerated Reliability Enginneering Hobbs

HALT & HASS. • Curso de Confiabilidade para Projetos, DFR- Design for Reliability,

Reliasoft Corporation, em 2009; • Apresentações sobre HALT da Qualmark Corporation site

www.qualmark.com . • Programas : Weibull e ALTA da Reliasoft.

http://www.qualmark.com/


FORMAÇÃO DO PALESTRANTE

• FORMAÇÃO ACADÊMICA: Eng.° Regis Alberto Koeche • Graduação Eng. Elétrica: ênfase em Eletrônica, pela PUCRS, desde 1987, Porto Alegre-Brasil; • Pós Graduação Lato Sensu MBA Gestão Empresarial, pela FGV, desde 2004, Brasil; • Certificação Internacional em Eng. da Confiabilidade, pela Reliasoft, desde 2009, CRP 15140; • ESPECIALIZAÇÕES: • Especialista em Halt & HASS, pela Hobbs Engineering, desde 2009, Minnesota-USA 2009; • Especialista em Advanced Applications in Accelerated Testing, pela Hobbs Engineering, desde

2009,Minnesota-USA; • Especialista em Halt & Hass pela Qualmark Company, desde 2009, Denver-USA; • Especialista em Cálculos de Confiabilidade e Monitoramento do Crescimento da Confiabilidade

Metodologia Weibull, RDA, RGA, desde 2008-São Paulo-Brasil; • Especialista em FMEA e FMECA pela Reliasoft Brasil e VTB, desde 2007, São Paulo-Brasil; • Especialista em Engenharia da Confiabilidade em Produtos para Automação Bancária e Comercial; • Especialista no Desenvolvimento de Testes e Jigas para Indústria Eletrônica, desde 1990; • User Training Course For HP3070 Board Test System, na Hewlett-Packard, em 1992, California-

USA; • Palestrante em Simpósios Internacionais de Confiabilidade desde 2009; • Curso de Formação de Instrutores, 2000-AGQ, Novo Hamburgo/RS. • Extensão Universitária em Custos-2005, UNISINOS, São Leopoldo/RS. • Curso de Soldabilidade p/ Industria Eletroeletrônica-desde 2006, Tecsolda, Porto Alegre/RS • Extensão Universitária em Metrologia, PUC/RS – 1993.


CONTATO PROFISSIONAL

Eng.º Regis Alberto Koeche

CRP : 15.140

CREA-RS : 62.318

E-mail : [email protected]

Celular : (51)-9844-8098

mailto:[email protected]