FMEA de diseño, el análisis de la Función (punto 2.3), la Ingeniería Robusta, una reflexión

Imagen de la portada del manual de FMEA publicado por la AIAG&VDA. 2019

Una reflexión para empezar:

No es este el primer post (entrada al blog) en el que proponemos el uso de la Ingeniería Robusta , en concreto el diseño robusto de sistemas para la optimización de productos y procesos. Estos temas dan la impresión que eran prácticas que se utilizan fuera de nuestras fronteras, y que la inclusión, en los procedimientos de diseño y desarrollo para asegurar u optimizar la variación no es cosa fácil. La técnica que ahora revisamos, en su punto 2.3, el FMEA o AMFE, a pesar de llevar en nuestras mochilas varias décadas siguen sin ser consideradas como básicas en las actividades de prevención, todo lo aguas arriba que se pueda.

Las informaciones procedentes del mundo de los sistemas indican que el diseño robusto de sistemas no se utiliza como parte de los procesos de diseño y desarrollo, lo que nos puede intrigar es la causa, o el por qué, no son utilizadas. Solo se necesita un poco de formación para aprender el modelo, tiempo para profundizar en el sistema que estamos optimizando y poco más. Por otro lado, la alternativa que se suele utilizar es el dejar que las cosas salgan como siempre han salido y si hay algo que arreglar ya se arreglará aguas abajo. Nadie nos puede convencer que asegurar aguas arriba al sistema sea más caro que solucionar problemas en producción o en el mercado..

Ha sido necesario llegar al FMEA Handbook del 2019 para encontrar, de forma más explícita, cómo debemos de enfrentarnos en los diseños a asegurar la función del sistema y protegerla ante los agentes incontrolados que la perturban. Estamos, en este artículo, reflexionando sobre el Punto 2.3, el manual ha incluido de forma clara muchos de los conceptos principales de la Ingeniería Robusta (IR) cuando se detiene en el análisis profundo de la Función del sistema. La Ingeniería Robusta es, en esencia, un recurso muy potente, en el que, por medio de información real, elaborada y contrastada se intenta conseguir que la función del sistema sea satisfecha durante su tiempo de vida. En esto reside el tener un sistema , producto o proceso, robusto.

La reflexión que en el punto anterior decimos vamos a realizar surge de que en el manual, además de incluir conceptos procedentes de la IR, en una de sus figuras introduce aspectos íntimamente relacionados con la variación como: “Functional Variability” y “Required output“. Quizás estemos de acuerdo que tener optimizados y bajo control los dos parámetro citados nos está garantizando que el sistema cumplirá el trabajo para el que fue diseñado y desarrollado.

Análisis de la Función en el FMEA

El comienzo del primer apartado de este punto (2.3) es contundente, pide que la función solicitada por los requisitos del diseño sea asignada o localizada en un sistema. Un poco más adelante etiqueta como crítico que el análisis del FMEA sea realizado en términos funcionales. Considera este análisis como lo base para el futuro análisis de fallos. Posteriormente, en la evaluación de la severidad del fallo (tabla D1 – DFMEA SEVERITY (S)), lo hará con puntuaciones de 9 – 10 si la severidad del fallo es muy alta, o de 7 -8 si es alta, dependiendo del efecto y grado de degradación de la función.

La definición de función la hace de manera simple y clara, como aquello que el sistema deba realizar. A continuación, y para que la idea de la función quede fijada, recomienda que en la descripción se comience con un verbo activo en infinitivo e identifique la relación entre la entrada y la salida.

Diagrama de flujo del sistema y la función

El diagrama de flujo de la figura es un esquema de lo que es un sistema: unas entradas diversas , una transformación en el interior del sistema y una salida significativa.. Además de la entrada y la salida pueden existir interfases con otros componentes o sistemas En determinados casos un sistema puede ser considerado como un subsistema cuya salida será entrada de otro subsitema o sistema. Si el sistema es complejo habrá que subdividirlo para trabajar con la partes del mismo, el resultado del sistema conjunto dependerá de los resultados parciales de sus subsistemas. Esta definición y consideraciones están recogidas en el manual y son exactamente iguales a las que se incluyen en los procesos para la Ingeniería Robusta (IR).

La Función Ideal

Una vez definida la función, tanto en el FMEA como en la I. Robusta, se pasa a definir la Función Ideal o relación ideal entre la entrada al sistema y la salida. Decimos relación ideal o función ideal ya que se puede llegar a determinar que entre las entradas o factores siempre hay uno que hace que, desde el punto de vista físico, exista una relación lineal (y=f(x)) que, en un caso de optimización, será ideal. La figura que sigue presenta el concepto desde la IR. la figura 2.3-2 del manual contiene el concepto.

Función Ideal según la Ingeniería Robusta

En la imagen superior está representada la relación lineal entre entrada y salida; en marcas rojas, y enmarcadas en un óvalo amarillo se encuentran las potenciales desviaciones de la situación ideal y la realidad. En el gráfico se ha colocado al valor señal en el eje de las x, y lo hemos etiquetado con la letra M, en este caso con un rango de M1 a M5, resaltamos, con ello, que el número de valores para la entrada depende exclusivamente del sistema. Claro está, en la relación para cada valor de la señal debemos tener un valor respuesta, o salida, colocado en el eje de las y. Esta salida será una variable continua aleatoria. Considerando el aspecto de la relación, y dado, el potencial número de valores que se pueden dar a la señal, y sus correspondientes respuestas, a la característica o variable de salida, la denominamos característica dinámica.

En la figura 2.3-2 del manual se puede ver cómo explícitamente se habla de la Función Ideal . Debemos resaltar la líneas rectas que están por encima y por abajo de la función ideal. En figura anterior lo que se quiere hacer evidente es que una línea de respuesta con un ángulo beta elevado es más sensible a la entrada que una con ángulo beta pequeño. Por otro lado, en la figura del manual se entiende que ambas líneas están trazadas queriendo cubrir la potencial variación de la función, de su variable aleatoria de salida, motivo por lo que están tituladas como “variabilidad funcional “y “salida requerida”. Es fácil ver que: a mayor dispersión peor ajuste y menor calidad, y lo contrario. El objetivo de la ingeniería robusta es lograr que la variación de la variable de salida y su acercamiento a la nominal sea óptimo, tomando y ajustando para ello los elementos que componen el conjunto sistema.

Factores de control y el Ruido

Una vez que tenemos definida la función Ideal (aspecto clave para todo el análisis) podemos llegar a la conclusión que para conseguir diferentes respuestas en la salida se habrán de introducir diferentes valores en la señal de entrada M. Del mismo modo veremos que el sistema está sujeto a elementos que lo modifican por lo que la salida no será todo lo lineal como nos gustaría produciéndose las variaciones identificadas en la figura con marcas rojas y el óvalo amarillo. La figura que está en el manual no contiene estos detalles, pero sí incluye un área sombreada en gris, esta es la nube formada por un conjunto de líneas procedentes de múltiples y reales salidas.

De la misma manera que para conseguir distintas respuestas del sistema le tenemos que suministrar valores distintos a la entrada, ya vimos, cuando revisamos el diagrama de flujo del sistema, que son necesarias distintas entradas, unas serán conocidas y otras se presentarán sin invitación. Las entradas conocidas las denominaremos factores de control o parámetros del sistema, a las segundas la denominaremos factores de ruido.

Podría parecer, en un primer acercamiento a estas teorías, que el ruido no será elemento de nuestro análisis, pero sí lo es y, además , muy importante ya que: mientras que los factores de control son conocidos y controlables; los de ruido son todo lo contrario: inesperados y no controlables. Resultado de esta situación es que si queremos que el sistema soporte los ataques del ruido durante su vida útil debe estar preparado para superarlos, en concreto debe ser un sistema robusto. De este necesidad podemos decir que cuando un sistema es capaz de superar los ataques del ruido nos encontramos ante un sistema robusto, de lo que se deriva el nombre de Ingeniería Robusta o diseño robusto.

El manual una vez tratada la función ideal pasa a definir y aclarar el conjunto de elementos que conforman el sistema. Por su singular papel en la relación entrada/salida los factores de ruido deben ser tratados con especial atención puesto que al no ser controlables aparecen en los momentos más inoportunos, modificando la salida y, prácticamente siempre, aumentando la variación. Dado el probable desconocimiento de los factores de ruido hemos de dedicar una estrategia especial a su identificación e inclusión en el análisis de la función. Tanto el manual como el modelo de la IR identifican varias fuentes de ruido que han de ser todas consideradas.

El diagrama P

Toda la información generada hasta este punto debemos de tenerla bien organizada, para ello se propone un diagrama que se ha denominado Diagrama de Parámetros o Diagrama P. En él incluiremos los datos fundamentales del análisis. La figura que sigue presenta uno de los modelos que se utiliza para la IR, el del manual tiene una disposición ligeramente distinta, son muy parecidos, conteniendo la misma información.

Diagrama P (de Parámetros). Ejemplo simulado de un proceso de pintura

Nota: El ejemplo que se presenta en la imagen superior es un ejemplo ficticio, contiene todos los elementos necesarios para hacer un correcto trabajo de optimización.

Nos encontramos en su esquina superior izquierda con la definición del proceso junto a la entrada y salida. A la derecha, el gráfico para la función ideal en el que se puede identificar la señal de entrada y la salida en sus unidades adecuadas. En la parte media están concretados tanto los factores de control como los de ruido, En la parte inferior los valores a utilizar para el factor señal M y el ajuste para el ruido. En el diagrama P del manual nos encontramos con la parte superior dedicada a los factores de ruido, la inferior a la definición de la función y requisitos del sistema. La parte central está dedicada a la Función Ideal con la entrada, la salida y la propia función, aunque se ha incluido algo que nos llama la atención: tanto la entrada como la salida se han tratado como energías, una es de entrada y otra es de salida. En los estudios con la IR siempre se contempla esta relación como una transformación de energía que debe estar optimizada para que la función se porte, también, de forma optimizada. El diagrama P del ejemplo del manual no aclara qué debe pasar en el interior del sistema desde el punto de vista de energía.

Una vez alcanzado este punto del análisis el manual continúa con otras consideraciones sobre las potenciales relaciones entre subsistemas a diferentes niveles, hasta llegar al punto en el que se considera la base para el análisis de fallos: el fallo de la función, pasando al FMEA a su cuarto paso: el análisis de fallos.

En este punto consideramos hay una separación entre el camino del FMEA y la Ingeniería Robusta, mientras que como hemos dicho el primero se dedica a localizar potenciales modo de fallos, la IR se va a dedicar a lograr que la relación de energía entre entrada y salida, identificadas en el diagrama P, sea la mejor posible; la idea que subyace es que una óptima transformación de la energía en el sistema le da carácter de robusto. Si el sistema es robusto el fallo de la función será potencialmente muy pequeño, pudiéndose dedicar el FMEA a los fallos de funciones u operaciones cuya salida sea una variable aleatoria discreta (bueno/malo; entra/no entra; cumple/no cumple…) . Por otro lado, el conocimiento adquirido durante el proceso de optimización hace que se pueda implantar mejores soluciones ante cualquier desviación de los parámetros del sistema. También puede ocurrir lo contrario, que la transformación sea horrible y se haya producido una gran pérdida en la energía de entrada. En este caso no merece la pena continuar, hay que volver atrás y revisar la estructura del diseño del sistema que hemos estudiado.

Notas:

El manual del FMEA trata, también, en sus apartados dedicados al proceso, el análisis de su función Lo tratado en este post tiene su aplicación de igual manera para el proceso, la condición es que en éste haya una transformación de energía, la salida sea una variable aleatoria continua, no discreta; se le puede aplicar estudios de SPC por variables.

Este artículo está basado en:

  • .-Manual del FMEA publicado por AIAJ &VDA (2019)
  • .-La Ingeniería de la Calidad según el Dr. Genichi Taguchi.

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Construyamos algo juntos.


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