CHƯƠNG MỘT
KHOA HỌC VỀ ðỘ TIN CẬY
1. Mở ñầu:
ðộ tin cậy giữ vai trò quan trọng trên thương trường. Từ ñó, cần có nhóm kỹ thuật
về ñộ tin cậy ñể hỗ trợ quá trình thiết kế-phát triển sản phẩm. Hình 1 mô tả ba chức năng
cơ bản của nhóm là: thiết kế ñộ tin cậy, kiểm tra ñộ tin cậy và phân tích vật lý. Các hoạt
ñộng này rất quan trọng
trong chương trình về ñộ
tin cậy.
Hoạt ñộng ñầu tiên
của khoa học về ñộ tin
cậy khi hỗ trợ phát triển
sản phẩm là thiết kế ñộ
tin cậy (DfR: Design for
Reliability). ðây là bước
ñầu trong pha ý tưởng
(idea phase) của chu kỳ
phát triển và tiếp tục cho
ñến giai ñoạn lỗi thời
(obsolescence) của sản
phẩm. Bước thiết kế ñộ
tin cậy ñược dùng nhằm cải thiện ñộ tin cậy của sản phẩm thông qua việc ứng dụng kiến
thức về hỏng hóc vật lý. Quá trình này có quan hệ chặc chẽ với hai khối chức năng khác,
tạo quá trình thiết kế các pha/ cổng có quan hệ với nhau.
Chức năng thứ hai là kiểm tra ñộ tin cậy (reliability verification), trong bước này cần
có nghiên cứu kiểm tra và thử nghiệm minh chứng nhằm bảo ñảm tính phù hợp của sản
phẩm với yêu cầu ñộ tin cậy của khách hành. Có hai dạng kiểm tra ñộ tin cậy: ñộ tin cậy
quá trình (process reliability) và thử nghiệm ñộ chín chắn của thiết kế (design maturity
testing). ðộ tin cậy quá trình
chú trọng phát triển kiến thức
cơ bản về ñộ tin cậy cố hữu
của hệ thống, tạo cơ sở phát
triển thử nghiệm thực tế về ñộ
chín chắn của thiết kế. Thử
nghiệm về ñộ chín chắn của
thiết kế minh chứng là tốc ñộ
hỏng hóc của sản phẩm thỏa
mãn ñược nhu cầu của khách
hàng khi ñưa ra thị trường.
Chức năng thứ ba là phân
tích vật lý (analytical physics)
nhằm thu thập kiến thức về
hỏng hóc vật lý của sản phẩm.
Hiểu ñược bản chất của nguyên
nhân và phương thức hỏng hóc của sản phẩm là yếu tố chủ yếu ñể thiết kế và tạo ñược
sản phẩm phù hợp với khách hàng.
2. Thiết kế ñộ tin cậy “ theo hướng cổng giai ñoạn: a stage gate approach”
Kỹ thuật ñộ tin cậy với ba chức năng cơ bản hỗ trợ chu kỳ phát triển sản phẩm ñược
gọi là cổng giai ñoạn (stage gate). Hình 2 trình bày về phương pháp cổng giai ñoạn, nhằm
củng cố quá trình phát triển sản phẩm, từ khi thai nghén cho ñến khi trở thành lỗi thời,
gồm cả bước sau-sản xuất (post-production). Phương pháp cổng giai ñoạn cần cho thiết
kế sản phẩm có ñộ tin cậy thỏa mãn kỳ vọng của khách hàng. ðể sản phẩm phù hợp ñược
với nhu cầu của khách hàng thì cần hiểu biết về yêu cầu thiết kế toàn cục, môi trường
nhiễu tác ñộng lên chu kỳ hoạt ñộng, năng lực sản xuất và các yếu ñiểm, mục tiêu chi phí
chung của sản phẩm và nhu cầu về thời gian của dịch vụ ñộ tin cậy.
2.1 Giai ñoạn ý tưởng
Cổng giai ñoạn 1: Quá trình DfR bắt ñầu bằng việc tìm hiểu yêu cầu của khách hàng.
Thường gồm công cụ của mô hình phân tích hỏng hóc và hiệu quả FMEA (failure model
and effect analysis), ñánh giá về yếu tố cạnh tranh sản phẩm và mô hình dự báo ñộ tin
cậy dùng trực tiếp trong thiết kế. Quá trình này bắt ñầu từ bước giai ñoạn ý tưởng cho ñến
chu kỳ phát triển sản phẩm. Các công cụ này ñược phát triển nhằm giảm rủi ro trong
bước ñầu, khi ñưa sản phẩm ra thị trường. Tác ñộng thực tế về ñộ tin cậy xuất hiện ban
ñầu trong giai ñoạn này, do ñó ñây là lúc chọn giải pháp thiết kế, ñịnh nghĩa yêu cầu về
ñộ tin cậy cần thực hiện.
2.2 Giai ñoạn ñánh giá
Cổng giai ñoạn 2: Thiết kế chức năng giảm rủi ro sẽ xuất hiện trong giai ñoạn ñánh giá,
ñể giải quyết các bất ñịnh quanh xu hướng thiết kế. Các nghiên cứu thử nghiệm về ñánh
giá ñộ tin cậy của thiết kế (DART: design assessement reliability test) không chỉ dùng
mẫu thử thống kê mà còn giải quyết các sai sót tiềm tàng hiện hữu khi chọn thiết kế (xem
hình 3). Tăng trưởng ñộ tin cậy là trọng tâm của giai ñoạn ñánh giá với khả năng ñạt
mức cải thiện ñến 65% ñộ tin cậy ban ñầu (xem hình 3). Chức năng này ñược thực hiện
dùng phân tích - thử nghiệm (test-analyse) và hành ñộng sửa chữa (fix activities) trong
nghiên cứu giảm rủi ro.
2.3 Giai ñoạn phát triển
Cổng giai ñoạn 3: Chức năng cơ bản của kỹ thuật ñộ tin cậy trong công ñoạn này
nằm ở phía cuối của quá trình phát triển. Dùng thử nghiệm ñộ chín chắn của thiết kế
(DMT: design maturity testing) ñể minh chứng và kiểm ñịnh tính phù hợp với chu kỳ
hoạt ñộng ñã nhận dạng ở cổng giai ñoạn 1. Thử nghiệm về ñộ chín chắn của thiết kế
DMT tìm hiểu về tính chất vật lý của hỏng hóc, dùng kết quả này vào phạm vi thiết kế,
và chứng tõ rằng kết quả này sẽ không xung ñột trong ñiều kiện chu kỳ sống hữu dụng
của sản phẩm. Chức năng này ñược thực hiện qua phép thử lão hóa gia tốc không hỏng
hóc thống kê. Ngoài ra, phép thử tính chín chắn của thiết kế còn ñược phát triển từ tính
chất vật lý của hỏng hóc. Các phép thử trong giai ñoạn này dùng cơ sở của khoa học về
ñộ tin cậy, thông tin lịch sử (quá khứ), tính chất vật lý của hỏng hóc, cũng như mục tiêu
của môi trường sản phẩm. Thông thường, phép thử thống kê quan trọng bảo ñảm ñược là
sản phẩm sẽ phù hợp ñến 90% mục tiêu ñộ tin cậy.
2.4 Giai ñoạn chuyển tiếp
Cổng giai ñoạn 4: Các tác ñộng giảm ñộ tin cậy xuất hiện trong giai ñoạn này, nên
kỹ thuật ñộ tin cậy có chức năng hỗ trợ tìm ra phép thẩm tra thích hợp ñể ngăn ngừa
hỏng hóc do chết yểu của sản phẩm khi ñến khách hàng. Xác ñịnh phương pháp thẩm tra
thích hợp thường không ñơn giản mà cần tìm từ cơ chế hỏng hóc. Kỹ thuật thẩm tra
ñúng thì kích thích ñược cơ chế nhận dạng hỏng hóc ở mức ñộ thích hợp, cho phép phát
hiện sai sót nhưng không làm giảm chu kỳ sống của sản phẩm hay ñưa thêm vào yếu tố
hỏng hóc tiềm tàng.
2.5 Giai ñoạn sản xuất
Cổng giai ñoạn 5: Chức năng chính của kỹ thuật ñộ tin cậy lúc này giới hạn trong
việc xác ñịnh quá trình giám sát ñộ tin cậy thích hợp cùng bảo ñảm ñược là thiết kế tiếp
tục giữ vững tính năng trong suất chu kỳ sống của sản phẩm. Giám sát ñộ tin cậy nhằm
làm biến thiên của chu kỳ sản xuất không ảnh hưởng ñược lên ñộ tin cậy của sản phẩm.
2.6 Xác ñịnh yếu tố cần
Kỹ thuật ñộ tin cậy tham gia rất sớm trong chu kỳ thiết kế và hỗ trợ thiết kế cho ñến
khi sản phẩm thành lỗi thời (obsolescence), ñảm bảo thành công của thiết kế. Muốn xác
ñịnh cấp tin cậy liên quan ñến quá trình phát triển sản phẩm thì cần ñánh giá ñược ñộ rủi
ro của dự án. Một thiết kế thường dùng kết quả từ thiết kế hiện hữu hay ñôi khi chỉ là một
thay ñổi nhỏ của một thiết kế ñã có. Các sản phẩm này không thể khống chế một cách tự
ñộng toàn bộ một quá trình thiết kế cổng giai ñoạn, với tất cả công cụ của kỹ thuật ñộ tin
cậy. Nếu sản phẩm dùng công nghệ mới và là một thay ñổi cách mạng về bản chất, thì
cần thực hiện cổng giai ñoạn ở mức ñộ cao hơn. Các rủi ro về tài chính cũng ảnh hưởng
nhiều ñến công nghệ, nên cần xem như một tham số ñánh giá. Việc cân nhắc và chọn lọc
công cụ này là cần thiết ñể bảo ñảm thực hiện cấp ñộ tin cậy cao, tuy nhiên, yếu tố chi
phí cũng cần ñược quan tâm khi ñưa sản phẩm ra thị trường. Ý niệm về rủi ro sẽ ñược
trình bày trong chương 13. Bảng 1 mô tả bản chất công tác cần thực hiện trong mỗi bước
của quá trình thiết kế.
Bảng 1: Cổng giai ñoạn của ñộ tin cậy
Bước Cổng giai ñoạn Công việc Mô tả
1 Ý tưởng Hiểu biết về
yêu cầu của Các xu hướng dùng công cụ kỹ thuật ñồng
hành như FMEA và ñánh giá về tính cạnh
khách hàng tranh ñể xác ñịnh ñúng yêu cầu thực
2 ðánh giá Thử nghiệm
ñánh giá thiết
kế ñộ tin cậy
Nghiên cứu giảm thiểu rủi ro và tác ñộng
tăng trưởng ñộ tin cậy nhằm tìm ra và cố
ñịnh chế ñộ hỏng hóc trong thời gian thực,
ñồng hành với quá trình thiết kế, dùng kỹ
thuật tăng trưởng ñộ tin cậy dùng gia tốc
cao, thử nghiệm lão hóa nhanh (HALT),
dùng Test-
Analyse and Fix (TAAF) và
phương pháp khác cần cho công nghệ này.
3 Phát triển Thử nghiệm
tính chín chắn
của thiết kế
Chứng minh là thiết kế này có ñộ tin cậy
phù hợp với kỳ vọng của khách hàng. Thực
hiện thử nghiệm thống kê quan trọng về
gia tốc, thường là không hỏng hóc.
4 Chuyển tiếp Production
thẩm tra Bảo ñảm tính bền vững của các sản phẩm
ñầu tiên. Kiểm tra vấn ñề chết non
5 Sản xuất Giám sát ñộ tin
cậy Bảo ñảm ñộ tin cậy và chất lượng của dòng
sản phẩm cho ñến giai ñoạn lỗi thời của
thiết kế.
3. Thiết kế công cụ cho ñộ tin cậy
Thiết kế ñộ tin cậy của sản phẩm ngày nay thực sự ñã thành kỹ thuật ñồng hành. Mọi
xu hướng thiết kế ñều phải
ñóng góp vào quá trình
phát triển sản phẩm, bảo
ñảm có thiết kế bền vững,
thỏa mãn ñược nhu cầu
của khách hàng. Kỹ thuật
ñộ tin cậy cùng công cụ
giúp ñịnh hướng cho quá
trình thiết kế. Tổng quan về
công cụ này ñươc mô tả ở
hình 4.
Công cụ cơ bản ñầu
tiên là
FMEA/Benchmarking
(Failure Modes and Effects
Analysis /Benchmarking). ðây là một công cụ quan trọng nhằm ñảm bảo tích hợp ñược
ñộ tin cậy vào quá trình thiết kế, có bao nhiêu hỏng hóc có thể xảy ra, mức ñộ hỏng hóc
ra sao và xác suất xuất hiện hỏng hóc. Khi ñã nhận dạng ñược tham số này, ta ñịnh
hướng ñược quá trình thiết kế vào kết quả của sản phẩm cũng như năng lực của môi
trường sử dụng. FMEA luôn cho lợi nhuận lớn nhất khi dùng với kỹ thuật ñồng hành
thích hợp.
ðánh giá mức ñộ cạnh tranh cũng rất quan trọng trong quá trình DfR, bảo ñảm là ñã
tích hợp ñược mọi khía cạnh quan trọng nhất của thiết kế. ðánh giá về ñối thủ cạnh tranh
cũng quan trọng như tự ñánh giá mình. Tận dụng tác dụng ñòn bẩy của mọi ngõ vào mà
ñối thủ cạnh tranh hiện có trên thương trường cũng là một phần trong thông lệ tốt nhất
của thương mãi, nhằm tạo ra sản phẩm có vật liệu, ñóng gói, tính năng tốt nhất, ñồng
thời tích hợp yếu tố ñiện, cơ cùng yếu tố về chi phí.
Mô hình hóa dự báo tạo ước lượng ban ñầu về thời gian giữa hai lần hỏng hóc MTBF
(Mean Time Between Failure), thời gian hỏng hóc trung bình MTTF (Mean Time To
Failure). Tỉ số MTBF/MTTF ước lượng tầm quan trọng về tính khả thi của thiết kế có
ñáp ứng ñược ñộ tin cậy thực tế, thỏa mãn yêu cầu của khách hàng. ðồng thời tính toán
này cũng ñịnh hướng và tham gia vào quá trình xác ñịnh yếu tố tranh chấp trong thiết kế,
cho phép chọn lọc ñược thiết kết tốt nhất. Các chức năng về mô hình hóa dự báo tiếp tục
trong suốt quá trình các cổng giai ñoạn nhằm ñịnh nghĩa lại ước lượng MTBF/MTTF và
bảo ñảm là sản phẩm ñạt ñược mục tiêu về ñộ tin cậy. Phương pháp mô hình dự báo tuy
có những giới hạn về ñộ chính xác về mô hình và cơ sở dữ liệu nên hiện ñang tiếp tục
hướng nghiên cứu ñịnh lượng.
Hỏng hóc vật lý cho thấy tác ñộng của kỹ thuật ñộ tin cậy lên quá trình thiết kế. Hỏng
hóc vật lý là hiểu biết về tính chất của vật liệu, quá trình, và công nghệ ñược dùng trong
thiết kế và phương thức tác ñộng của ñặc tính này lên các ñiều kiện ngẫu nhiên của thiết
kế chu kỳ sống sản phẩm. Kỹ sư về ñộ tin cậy cần hiểu biết về ñiều kiện sử dụng ñúng và
chưa ñúng của khách hàng và tính tương tác của linh kiện và môi trường ñể tham gia vào
nhóm thiết kế hoạt ñộng xung quanh giới hạn của thiết kế ñược chọn.
Một tác ñộng của quá trình ñộ tin cậy, thí dụ khi nghiên cứu thiết kế, ñã và ñang là
một cổng giai ñoạn phát
triển hoàn chỉnh, có
liên quan quá trình phát
triển sản phẩm. Nghiên
cứu thiết kế giúp xác
ñịnh khả năng của thiết
kế thỏa mãn yêu cầu
cho ñến cuối chu kỳ
sống của sản phẩm.
Ngoài ra, còn cung cấp
dữ liệu tính toán ước
lượng MTBF/MTTF và
thông tin cần thiết ñể
thiết kế các bước cho
thử nghiệm ñộ chín
chắn của thiết kế không
bị lỗi, chứng minh là
thiết kế thỏa mãn ñược nhu cầu của khách hàng.
4. Kiểm tra ñộ tin cậy
Kiểm tra ñộ tin cậy là khối chức năng thứ hai thường ñược hiểu là nhóm thử
nghiệm, thực ra thì kiểm tra ñộ tin cậy còn có nhiều chức năng khác nữa. ðể kiểm tra ñộ
tin cậy một cách hiệu quả, cần ñến khả năng kích thích yếu tố ngẫu nhiên của ñiều kiện
môi trường cũng như thử nghiệm về gia tốc sản phẩm và công nghệ. Như thế cần thêm
công cụ về môi trường thích hợp ñể kích khởi ñược các yếu ñiểm của thiết kế như vẽ ở
hình 5.
5. Phân tích vật lý