Comprendere l’affidabilità per progettare prodotti più “fidati”

Pubblicato il 3 ottobre 2018

È senz’altro fuori di dubbio che i prodotti in grado di funzionare correttamente senza problemi (dependability) sono molto apprezzati dagli utilizzatori e le società che li producono godono di un’ottima reputazione. Per le imprese che operano nel campo della tecnologia, costruire e mantenere la reputazione di fornitori di prodotti di questo tipo è spesso uno dei principali obiettivi strategici, ma ciò non è frutto del caso.

Il corretto funzionamento di un prodotto è una combinazione di parecchi fattori, inclusa l’affidabilità, che deve essere integrata attraverso un’attenta cura dei dettagli. La reputazione del marchio non è l’unico aspetto a trarre beneficio da un progetto DfR (Design for Reliability, in cui cioè l’affidabilità è una caratteristica del prodotto e come tale deve essere progettata mentre si sviluppa il prodotto stesso). E’ possibile ottenere numerosi vantaggi lungo tutto l’arco del ciclo di vita del prodotto tramite la riduzione di oneri quali necessità di apportare modifiche al progetto, procedere a un nuovo collaudo, effettuare modifiche sul campo e richieste di risarcimento in garanzia. I vantaggi sono senz’altro molteplici, ma è necessario individuare il punto di partenza.

Affidabilità: concetti di base

Per prima cosa è necessario definire in modo adeguato il concetto di affidabilità, che viene riportato poco sotto. Successivamente, dopo analizzato un malinteso abbastanza comune, è possibile iniziare a delineare le modalità da seguire per sviluppare un progetto orientato all’affidabilità al fine di ottenere i migliori risultati possibili.

Innanzitutto, una definizione di affidabilità:

L’affidabilità di un determinato prodotto è la probabilità che una singola unità, operante in condizioni specifiche, funzioni correttamente per un periodo di tempo prestabilito

Da questa definizione appare chiaro che l’affidabilità è un concetto di natura statistica che può essere espresso matematicamente dalla seguente espressione:

 

                                                                       R(t) = eλt

Nell’ingegneria dell’affidabilità, questa espressione è correlate alla distribuzione di Weibull (fig. 1), dove β (fattore di forma) ha un valore pari a 1 in modo da escludere guasti precoci (mortalità infantile: β < 1, ovvero tasso di guasto che descresce col tempo) e guasti dovuti a usura (fine vita: β > 1, ovvero tasso di guasto che cresce col tempo). L’espressione R(t) = eλt fornisce quindi la probabilità che si verifichino guasti nella regione centrale della nota curva a vasca da bagno (fig. 2) e λ è il tasso di guasto intrinseco del sistema.

Fig. 1 – La distribuzione di Weibull prevede due parametri (η è un fattore di scala)

 

Fig. 2 – La curva a vasca da bagno illustra il ciclo di vita di un prodotto in termini di guasti precoci, guasti random e guasti dovuti a usura.

 

L’inverso di λ, 1/λ, è l’MTTF (Mean Time To Failure). Nell’industria della potenza, questo è spesso espresso sotto forma di MTBF (Mean Time Between Failure)

 

MTBF: un errore da evitare

Un errore abbastanza comune è ritenere che l’MTBF indichi la durata prevista di un determinato prodotto. Si tratta di un’ipotesi non veritiera, come si può facilmente desumere dall’analisi della curva rappresentativa dell’espressione R(t) = eλt.

Fig. 3 – La probabilità che un componente operi per l’intero MTBF previsto è solo del 33,67%

Se il produttore di un componente dichiara che l’MTBF di una singola unità è pari, ad esempio, a 1 milione di ore, il suo tasso di guasto intrinseco, λ, è 10-6 guasti/ora. La curva R(t) evidenzia che solo per il 36,7% dei componenti è statisticamente prevista una durata così lunga (ovvero 1 milione di ore). Per il 9,5% dei componenti, inoltre, è previsto un guasto entro 100.000 ore, mentre per il 59,4% un guasto potrebbe verificarsi entro 500.000 ore.

E’ utile ricordare che questa analisi è stata applicate a un solo componente. Per determinare l’affidabilità di un intero sistema è necessario sommare i tassi di guasto individuali di tutti i componenti presenti nel sistema, ovvero:

          λA = λ1n1 + λ2n2 + … + λini

Da questa espressione è possibile notare che:

  • L’affidabilità complessiva del sistema non può essere maggiore di quella del componente più “debole”. Per questo motivo i progettisti possono incrementare in tempi brevi l’affidabilità focalizzando la loro attenzione su questo tipo di componenti, magari adottando misure idonee contro i guasti prevendo, ad esempio, un raffreddamento supplementare o specificando componenti di livello qualitativo più elevato per quelle porzioni specifiche del sistema
  • Il calcolo dell’affidabilità di un sistema che contiene un numero abbastanza elevato di componenti può divenire un problema complesso. In pratica vi sono molti aspetti da tenere in considerazione, tra cui i differenti comportamenti dei componenti in determinate condizioni operative.

Fortunatamente, esiste un certo numero di approcci standardizzati per il calcolo dell’affidabilità, oltre a tool software che rappresentano un valido ausilio.  Tra gli standard, o manuali di affidabilità, più diffusi si possono segnalare  Telcordia SR-332 e MIL-HBK-217 per le applicazioni nel settore dell’elettronica. Altri manuali utili sono IEC TR 62380, basato sugli standard di telecomunicazione francesi e i manuali cinesi GJB.

Ciascuno standard prevede numerose modalità per modellare il comportamento dei componenti ed effettuare calcoli di affidabilità. In base ai componenti utilizzati in un determinato prodotto, alla tipologia di applicazione e all’ambiente operativo, uno standard può fornire una previsione di affidabilità più accurata rispetto a un altro. Dal confronto tra le previsioni e i dati acquisiti sul campo, i produttori possono utilizzare questi manuali in maniera giudiziosa per fornire previsioni di affidabilità realistiche per i nuovi prodotti. Solitamente CUI utilizza i manuali Telcordia SR-332 o MIL-HBK-217 per calcolare l’MTBF dei propri alimentatori, compresi gli adattatori di potenza esterni e gli alimentatori Ac-Dc per montaggio a chassis.

Considerazioni conclusive

La conoscenza dei principi dell’affidabilità, delle tecniche di previsione e degli approcci da utilizzare per la progettazione DfR – comprese le modalità da adottare per concentrare gli sforzi di sviluppo, e il budget, sui componenti più “deboli” – può fornire ai progettisti nuovi metodologie per differenziare i loro prodotti rispetto a quelli della concorrenza.

 

Ulteriori risorse

Visualizzate altre informazioni utili sull’affidabilità e sulla scelta degli alimentatori più adatto per i vostri prodotti

Leggete articoli pratici sulle seguenti tematiche – gestione termica, potenza, interconnessioni, audio e controllo del movimento – nei blog Tech Insights di CUI

 

Jeff Smoot VP of Application Engineering & Motion Control (CUI)