Factors ocults en el disseny de productes
1996/07/01 Zabala Lekue, Eduardo Iturria: Elhuyar aldizkaria
En l'avanç del mercat de consum, les àrees que incideixen en la generació del producte han anat adquirint cada vegada major rellevància.
El producte no és només una cosa dissenyada per a un ús concret, sinó que també és alguna cosa que satisfaci les necessitats dels clients. Per això, un producte funcionalment millor que un altre similar pot tenir un menor èxit si el seu plantejament de comercialització (política de vendes, publicitat…) no ha estat l'adequat. Per a poder cobrir les necessitats dels clients, el producte ha d'arribar almenys a aquests clients. I aquesta és la raó de la importància del màrqueting.
D'altra banda, s'ha de garantir que el nivell de qualitat del producte s'ajusta a les exigències del mercat. En cas contrari, les opcions d'acceptació del producte determinaran els nivells de demanda i les competències del mercat.
Els factors estretament relacionats amb la qualitat del producte són la fiabilitat, la perseverança i la mantenibilidad. Si el control de qualitat té molt a veure amb la producció, les tècniques de fiabilitat també serveixen per a assegurar la qualitat del producte al llarg del temps. La perseverança del producte indica l'estat del mateix i finalment suggereix solucions en cas d'avaria. La mantenibilidad, una vegada que el producte ha estat posat a la disposició dels clients, facilita la reparació del mateix en cas d'avaria.
L'esquema següent resumeix les relacions entre els principals factors que intervenen en el disseny d'un producte i al llarg de la seva vida.
Els factors que incideixen directament en el preu del producte són els costos d'adquisició de materials, muntatge i assajos realitzats. A més, en el preu del producte cal tenir en compte el cost d'algunes amortitzacions.
La fiabilitat del sistema és la probabilitat que en un interval es compleixin determinades funcions en funció d'unes condicions concretes. La millor manera d'aconseguir la fiabilitat és desenvolupar un producte amb menys fallades. Per a evitar-ho, s'utilitzen mòduls redundants: si un d'ells falla, les funcions necessàries les complirien els qui segueixen correctament.
Els nivells de fiabilitat i mantenibilidad definits per a un sistema han de tenir-se en compte des de les fases inicials del disseny, és a dir, s'assumeix que una àrea més és el disseny.
Funcionar sense equivocar-se durant tota la vida és alguna cosa que ocorre en molt pocs sistemes. Per tant, un funcionament incorrecte ha d'estar dins de les previsions.
Com a conseqüència de tot això, a causa del risc d'avaria del sistema, s'ha d'organitzar un nivell de manteniment adequat. Per a facilitar-ho, s'ha de tenir en compte des de les primeres fases del disseny.
Factors de disseny
A l'hora de dissenyar un producte, els principals aspectes a tenir en compte són la resposta del mercat i la dificultat del disseny.
Mentre la dificultat del disseny augmenta linealment, el temps de disseny i la inversió augmenten exponencialment. Per a justificar-ho, les previsions de mercat haurien de ser bones.
Així mateix, l'organització i gestió del disseny són els factors més importants per a la bona marxa. La influència dels dissenyadors del projecte en el correcte desenvolupament del projecte depèn de moltes variables. Un d'ells és el nivell de rendiment global del projecte. Les causes d'un mal rendiment laboral poden ser molt diferents. La concurrència d'aquestes causes redueix exponencialment el rendiment. És molt difícil que el rendiment superi el 80%.
En la imatge superior es mostra l'emulador utilitzat per a ajudar al disseny.
Fiabilitat
La fiabilitat del sistema és el resultat de la fiabilitat del maquinari i programari.
Quan els projectes són petits o mitjans, en general no es realitzen càlculs o proves de fiabilitat. De fet, en aquests casos hi ha pocs diners per a desenvolupar el producte i moltes vegades es desconeix la seva fiabilitat i necessitat.
El major risc de retards en el desenvolupament de la fiabilitat es produeix quan no s'ha tingut en compte des de l'inici del projecte; la necessitat de fiabilitat es té en compte en les fases finals del projecte després de l'aprovació dels prototips.
L'indicador de fiabilitat del sistema és MTBF ( Pixen Time Between Failures ), és a dir, el temps mitjà entre fallades, o cosa que és el mateix , la relació entre el temps total de funcionament i el nombre de fallades.
La fiabilitat, en general, es calcula a través de la normativa MIL-HDBK-217, recorrent a la MTBF del sistema. Els resultats obtinguts són molt conservadors.
El grau de fiabilitat d'un producte en alguns casos coincideix amb l'especificació del projecte. En la majoria dels casos, no obstant això, la fiabilitat és un requisit indeterminat i d'obligat compliment del producte.
El risc potencial per falta de fiabilitat determina els mínims de FVTM exigits pel mercat.
Assajos de fiabilitat
Per a mesurar la fiabilitat real del disseny s'han de preparar assajos especials.
La probabilitat de fallada a l'inici de la vida dels components electrònics és molt elevada pel que es coneix com a fallada prematura. Per a evitar-ho, abans de realitzar l'assaig funcional, el component ha de sotmetre's a un procés d'escalfament (combustió). Això permet mitigar les reaccions químiques a l'interior dels semiconductors, sent el funcionament d'una setmana a alta temperatura equivalent al que es produiria durant uns mesos a temperatures inferiors.
La quantificació de l'escalfament pot aproximar-se mitjançant l'equació d'Ahrrenius.
Q = velocitat de reacció química
A = constant
Ea = energia d'activació (eV) de la reacció química
K = constant de Boltzman (8.61.10-5eV/ºK), i
T = temperatura absoluta de reacció (ºK).
Per exemple, mitjançant aquesta via, si a un component que funciona a 40 °C se li sotmet a un escalfament que aconsegueix una temperatura de 125 °C, i suposant un període de 20 setmanes de fallada primerenca, bastaria amb una mitja hora d'escalfament.
No obstant això, la temperatura ambient màxima permesa vindrà determinada pels components fabricats amb condensadors i plàstics, en aquest cas de 60-90 °C.
El marge per a superar la falta primerenca (en el cas de la combustió) és de 48-168 hores, ja que depèn dels ingredients, el valor més adequat serà sempre el que aporti l'experiència.
El gran avantatge de l'assaig d'error de fiabilitat, a més d'obtenir unes dades de funcionament, és conèixer les fallades del sistema a llarg termini. Aquests errors van apareixent al llarg de l'assaig de fiabilitat, la qual cosa permet corregir el disseny.
Quan els resultats obtinguts en el càlcul del FTC o mitjançant l'assaig de fiabilitat són pitjors del que és degut, s'hauria de desenvolupar una millora de la fiabilitat del sistema.
Això, a més de requerir components especials o tècniques redundants, pot suposar un replantejament de tot el disseny, que per descomptat pot encarir el cost del disseny.
Un altre assaig per a assegurar la fiabilitat és el tremolor. Mitjançant aquesta sessió, al marge dels tipus de fallades que es poden trobar en l'escalfament, poden aparèixer altres tipus de fallada, principalment males soldadures i fallades periòdiques.
Sistemes redundants
En el cas de molts equips, l'efecte d'algunes husuzas és totalment inacceptable. Per a això, si tenint en compte els components del sistema, no es pot aconseguir el nivell de fiabilitat necessari, s'han de dissenyar mòduls que suportin errors mitjançant tècniques redundants.
Davant un error, es poden dur a terme tres tipus d'accions:
- Que el sistema no perdi les seves característiques: si un sistema de computadors sense redundància té una disponibilitat mitjana de 0.99, una redundant pot tenir una utilitat de 0.999999.
- El sistema, encara que pot continuar funcionant, perd alguna característica (la graceful degradation).
- El sistema no pot continuar funcionant, però es queda en un estat segur ( safe shutdown ).
Fiabilitat del programari
Les perspectives de fiabilitat del maquinari i programari són bastant diferents. En els sistemes de maquinari buit, el comportament poc fiable es deu a fallades en els components i no a fallades de disseny. Les deficiències del programari són errors directes del dissenyador i es donen en situacions molt concretes.
La via més recomanable per a aconseguir la fiabilitat del programari és codificar-lo sense buit, ja que en cas d'aplicar tècniques de tolerància els costos serien majors. Les raons d'aquesta mena de tècniques han de ser molt evidents.
Si bé aquestes tècniques són més complexes que les no tolerades, la seva gestió no és així, és a dir, el nivell al qual s'ha d'arribar estarà perfectament definit en les condicions que han de complir els productes.
Una vegada realitzada la codificació i depuració del programari es mesurarà el nivell de qualitat del mateix tenint en compte el producte i els requeriments del mercat.
Els mètodes per a mesurar la fiabilitat del programari no són fàcils d'usar. Una de les majors barreres es deu a la incertesa existent entre el desenvolupament i l'adquisició de dades.
El mètode més utilitzat és el que va començar a desenvolupar-se en 1973. Aquest mètode permet visualitzar el nombre de vacants per fase de desenvolupament.
El mètode de SAAM es basa en un augment exponencial del nombre d'hores d'assajos MTBF del programari.
Manteniment
La mantenibilidad inclou el manteniment i la reparació. El programa de manteniment obliga a realitzar importants inversions rendibles en diferents moments de la vida del sistema, com són el predisseny, el disseny i la fabricació.
El factor que influeix significativament en l'interval de reparació d'un sistema avariat és el servei de reparació i la distància entre clients.
Com més gran sigui la durabilitat de l'equip, més fàcil serà trobar el mòdul destruït. Si no, per a saber quin és el component que està malament, les eines i coneixements específics seran obligatoris.
En general poden existir tres polítiques de manteniment:
- Manteniment post-fallo: no es realitza cap manteniment fins que es produeixi la fallada.
- Manteniment previst: es realitzen determinades reparacions i modificacions en intervals determinats en funció de la data i edat del component.
- Manteniment condicionat: a través de múltiples controls del sistema s'obté un profund coneixement del mateix i es coneix el component a modificar abans que falla.
Disponibilitat
La variable que indica en quina proporció del rang que ha de funcionar el sistema està funcionant correctament és la DISPONIBILITAT.
MTTR, indicador del grau de manteniment del sistema, és el temps mitjà de reparació ( Pixen Time To Repair ), és a dir, la relació entre el temps total empleat en la reparació de totes les fallades d'un període i el nombre de fallades.
D'aquesta forma, si el sistema fos fàcilment reparable (amb un MTTR reduït) la disponibilitat seria alta, encara que la fiabilitat (MTBF) no fos molt bona.
La variable RAM (Reliability, Availability, Maintainability, fiabilitat, disponibilitat, mantenibilidad) és un indicador d'utilitat.
Perseverança
És convenient que la detecció de la fallada sigui clara i visible per a facilitar el seu manteniment. En els sistemes electrònics s'han millorat notablement aquests mètodes, sobretot amb microprocessadors.
Els sistemes d'assaig es poden classificar en els següents nivells:
- ASSAIG DE MÀ: l'assaig el realitza una persona utilitzant eines manuals. Això, encara que lent, sol ser bastant fiable.
- ASSAIG SEMIAUTOMÀTIC: quan el treball de la persona està entre el 2% i el 50% del temps total. Això és d'interès per a assajos de sistemes similars.
- ASSAIG AUTOMÀTIC: s'utilitza un equip per a reduir les tasques de manteniment dels operaris. En general, després d'una anàlisi exhaustiva i la detecció d'un error, el comunica a l'operari perquè estudiï les dades i prengui decisions. El temps de treball no arriba al 2% del temps total d'assaig.
- ASSAIG INTEGRAT EN EL PROPI SISTEMA: els components de l'assaig estan integrats en el propi sistema o es poden extreure senyals de diagnòstic per a ser analitzats per un altre sistema extern.
L'equip més utilitzat per a l'assaig de targetes electròniques és l'assaig funcional. Un equip d'aquest tipus pot trobar el 95% de les fallades. A més del seu elevat cost, el temps de programació d'un tècnic expert és també elevat a causa de la complexitat del programari que utilitza.
Per a realitzar l'assaig en el circuit, els equips realitzen assajos dels paràmetres de cadascun dels components a través del llit de captació formada pels punts d'assaig. La seva programació sol ser senzilla i amb una eficiència mitjana de detecció de fallades del 80%.
L'ús més interessant dels equips del circuit és la combinació amb els quals realitzen l'assaig funcional, és a dir, l'eliminació de part de la càrrega de l'equip d'assaig funcional, fixant els components amb paràmetres fora de certs límits.
L'única forma bona per a l'aprovació de productes mitjançant assaig de prototips és comprovar el funcionament del pitjor cas. És a dir, l'estat d'ambient d'assaig (calor, humitat, vibració, etc.) i el nivell de funcionament dels components electrònics han de ser capaços de respondre a qualsevol situació acceptable en les especificacions.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
