2014. 05. 31 ▣ 센서 설계팀▣ 기하학적 치수공차(GD&T)를 통한 설계능력 극대화 및 원가 절감 실현 기법 결 재 담 당 과 장 차 장 팀 장 SIGNED ▣ 센서 설계팀▣

▣ 목차 목차 GD&T 정의 치수 및 공차 이론 GD&T 기초 이론 데이텀 이론 GD&T의 해석 ㅇ

▣ GD&T의 정의 ※ GD&T 란? ※ GD&T 정의 정확한 언어 : 기하공차는 도면상에 설계자가 의도하는 바를 표현할 수 있는 정확한 언어다. 따라서 제품 설계가 향상된다. 제품은 설계 의도를 파악할 수 있는 언어를 사용하며, 검사는 Set-Up을 결정하기 위해 언어를 기준으로 한다. 일치를 제공 : 도면 사양과 해석에 있어 일치됨을 통해, GD&T는 생산과 검사 공정에 있어 논쟁, 추측, 가정을 줄인다. ※ GD&T 정의 가장 경제적으로 제품을 만들 수 있도록 부품 형상(Part Feature)의 실제적인 기능 (Function) 또는 관계(Relationship)에 중점을 두고 도면의 치수 및 공차를 정하는 수단 경제적 기능 또는 관계

▣ GD&T의 정의 ※ GD&T 목적 GD&T의 등장 배경 2. GD&T의 사용 목적 ※ GD&T 효과 제품 설계가 점점 더 복잡해지고 정교해 짐. 2) Global Market에서 공통된 설계 언어가 필요. 2. GD&T의 사용 목적 조립에 있어 끼워 맞춤 및 상태에서 결합부품의 호환성 보장. 실제의 기능상 설계치수 및 공차상의 요구를 명확하게 정하기 위함. 도면에 의한 표현이나 해석에 있어서 통일성과 편리성을 얻을 수 있으므로 논쟁이나 짐작을 최소화 조립상태에서 최대의 조립공차 설계를 통하여 부품의 보너스 공차 등 공차가 확대 적용 되므로 생산성 극대화를 통한 직접적인 비용 절감이 가능 ※ GD&T 효과 확실한 의사 소통 설계, 제조, 검사 및 외주 생산에 있어 모든 사람이 같은 언어로써 의사소통을 확실하게 할 수 있다. 더 좋은 설계 제품 설계에 있어 조립 기능의 호환성을 보장할 수 있으므로 더 낳은 설계가 가능. 제조 공차의 증가 제조 공차에 있어 보너스 공차의 원리를 이용하면 제조 비용을 줄일 수 있다. 기능적 요구사항에 대한 Gauging(검사)이 가능.

▣ 치수 및 공차 이론 ※ 치수 및 공차 이론 ※ 치수 및 공차 적용의 일반 원칙 치수(Dimension) : Size 또는 Feature간의 상관성을 숫자로 표현하는 것. Size Dim’s : 길이, 넓이 두께, 부피, 용적, 체적 Location Dim’s : 형체의 위치 치수 공차(Tolerance) : 완벽한 제품은 없으므로 허용치를 주는 것.  허용치 : Location 공차, Size 공차, Surface Profile 공차 3. 공차의 종류 한계 공차 ± 공차 편측 공차 양측이 다른 공차 ▶ Size : Hole/Pin, Slot/Tap  FOS(Feature of Size) ▶ Surface : 평면/곡면  Profile : 형상/위치 ※ 치수 및 공차 적용의 일반 원칙 ▶ Dimension의 일반 규칙 모든 Dimension은 공차를 가짐 Dimension은 기능과 조립관계에 맞게 설정하고 여러 개의 해석이 되어서는 안됨. 90각도를 갖는 경우 도면에 Dimensioning하지 않음. 특별한 언급이 없는 한 Dimension과 Tolerance는 전체 길이, 폭에 적용 됨. Dimensioning과 Tolerancing은 현재 지시된 Drawing Level에 적용됨.  이것은 Ass’y Drawing에서 현재 지시된 Dimensioning과 Tolerance이 반드시 지켜져야 되는 것을 의미하지 않는다. ▶ Tolerance의 일반 규칙 1) 각 형체들은 반드시 공차를 가짐.  Size(크기), Location(위치), Orientation(자세), Form(모양) 2) 공차 값이 커질 수록 생산 및 측정이 경제적임. 3) 공차 설정은 제품의 기능에 의해 설정 4) 기하공차(GD&T)는 생산비용을 증가 시키지 않음. 5) 위치공차를 직교좌표(CD&T)로 표현하면 검사/측정결과 합/부 판정이 불 명확해 짐.

▣ 치수 및 공차 이론 ※ 기하공차의 필요성(1) 형상 규제의 차이 (a) Part drawing (b) Limit of size (c) Produced 설명 : 우측 그림과 같이 치수공차만으로 규제된 간단한 블록은 블록의 폭과 높이는 각각 0.2의 치수공차로 설계되어 있다. 이 공차역을 가상선으로 표시하면 b와 같고 이 공차의 범위 내에서 c와 같이 제작도리 수 도 있다. C와 같이 치수공차 범위내에서 블록의 폭과 높이가 가공될 경우 치수공차에는 합격인 제품이나 제품의 기능면에서 볼 때 양호한 기능을 발휘할 수 있다고 볼 수는 없을 것이다. 기하공차의 장점 - (1) 형상 규제의 차이 1. CD&T사용하고 공차를 0.1mm 0.01mm로 변경을 통해 기능 만족 가능할 수 있으나 제조 비용이 올라가 경제성을 저하 시킨다. 기하공차(GD&T)를 통해 기능과 경제성을 동시에 잡아 줄 수 있다. (a) CD&T(좌표계) (b) 기하공차(GD&T) ※ CD&T(좌표계) : Cooridiate Dim’s&Tolerance ※ GD&T(기하공차) : Geometric Dimensioning&Tolerancing

▣ 치수 및 공차 이론 ※ 기하공차의 필요성(2) 공차역의 차이 설명 : 우측 그림과 같이 CD&T와 GD&T를 사용하여 공차를 기입하여 표현이 가능하다. 두 표현의 방식인 CD&T와 GD&T의 공차 영역을 비교했을 때 GD&T의 공차 영역이 CD&T 보다 약 57%증가된 공차 영역을 확보함으로써 공정능력 증가 (단, 기능이 만족하는 조건) 기하공차의 장점 - (2) 공차역의 차이 구멍의 축선은 공차역 내에서 어느 위치에 있어도 합격이며, 대각선 방향의 끝에 있을 때가 허용되는 극한 위치로 CD&T 보다 GD&T를 사용할 때 약 57% 증가한 공차영역을 확보 가능. (단, 공차역 내의 부품이 기능적으로 간섭이 없이 조립된다는 것을 보장 할 경우) ※ 공차값 확대 : (1.414-1)/1 = 0.414 ≒ 41% ※ 공차 영역 확대 : {(3.14 x 2)/(4-1)}/1 = 0.57 ≒ 57% http://www.et.byu.edu/~chasek/ME%20477/Cats-1D/CATS_1D/XLS

▣ 치수 및 공차 이론 ※ 기하공차의 필요성(3) 공차역의 확장성 설명 : 우측 그림과 같이 CD&T와 GD&T를 사용하여 공차를 기입하여 표현이 가능하다. MMC와 LMC를 사용하여 보너스 공차를 얻을 수 있다. Ø 홀 치수 위치 허용 공차 Ø 6.2 □ 0.2 Ø 6.3 Ø 6.4 Ø 6.5 Ø 6.6 홀치수 MMC 위치 허용 공차 LMC 위치 허용공차 Ø 6.2(MMC) 0.28 0.68 Ø 6.3 0.38 0.58 Ø6.4 0.48 Ø6.5 Ø6.6(LMC) 기하공차의 장점 - (3) 공차역의 확장성 MMC Ø6.2(가장 작을 때), 허용공차 Ø0.28 LMC Ø6.6(가작 클 때), 허용공차 Ø0.28+α=0.68 공차가 늘어나면 위치도 공차Ø0.28+α(보너스) 만큼 커진다 (단, 조립에 문제가 없을 때) ※ 최대 실체 상태(MMC : Maximum Material Condition) : 부품에 존재하는 실체의 중량이 가장 무거운 상태일 때를 최대 실체 상태라 한다. Ex) 구멍 : 가장 작을 때, 축 : 가장 클때 ※ 최소 실체 상태(LMC : Least Material Condition) : MMC와 반대로 부품에 존재하는 실체의 줄량이 가장 가벼운 상태일 때를 말한다. Ex) 구멍 : 가장 클 때, 축 : 가장 작을 때

▣ 치수 및 공차 이론 ※ 치수공차 VS 기하공차 비교 구분 치수공차(좌표)방식 CD&T : Coordinate Dimension&Tolerancing) 기하공차 방식 (GD&T : Geometric Dimension&Tolerancing) 제품모양 • 치수공차로 형상 (모양)규제 - 제조공차 축소/ 비용증가 초래 • 치수공차 내에서 형상(모양) 규제 - 제조비용 감소함 공차영역 조건 • 사각(세로x)가로의 공차역을 가짐 • 원형 공차역(사각형으로도 가능) 결과 • 구멍을 위한 공차 영역이 작음 • 제조비용이 비싸짐 • 공차 영역이 확대 됨(57% 증대) • 제조 비용이 감소(경제성 확보) 공차영역 변동성 • 공차역이 고정 됨. • 허용 공차역이 증대됨 (MMC/LMC가 적용될 경우 보너스 공차) • 기능상 문제없는 제품이 버려짐 • 높은 운영 비용 • 기능(조립/강도)상 만족되는 제품을 최대한 사용(버려지는 제품의 최소화) • 낮은 운영비용 측정/검사 • 측정 기준이 필요(기준/순서 불명확함) • 측정의 기준 및 순서가 명확함 • 측정결과의 반복성이 보장 안됨 • 검사판정(OK/NG)이 모호함 • 측정결과의 반복성 보장됨 • 검사판정(양/불량)의 논쟁 감소 • 기능게이지 적용을 통한 검사비용 감소 공차누적 • 공차누적 발생함 • 공차누적이 발생하지 않음(기준치수 적용)

▣ GD&T 기초 이론 ※ GD&T Rule #1 ※ GD&T Rule #2 Rule #1 다른 규정이 없는 한 형체의 한계 치수는 치수 뿐만이 아니라 기하학적 형상의 편차가 허용되는 범위도 규정 한다. (이 규제는 크기를 갖는 개개의 형체에서만 적용 형체의 진직도 /평면도와 같은 형상공차는 형체의 크기 범위 내에 있어야 한다. (즉, 공차의 개념으로 볼 때 치수공차가 형상공차보다 더 넓은 개념임을 의미) ※ GD&T Rule #2 Rule #2 수정기호가 규정되어 있지 않은 경우에는 개개의 공차나 데이텀 참조 또는 둘 다에 RFS를 적용한다. MMC와 LMC의 적용이 필요한 경우에는 도면상에 규제되어야 한다.

▣ GD&T 기초 이론 ※ GD&T Rule #1 의 예외 1. 공급된 상태 봉재, 판재, 관재, 구조용 형강과 같은 소재, 산업체나 정부 표준에서 진직도와 평면도 및 기타 기하학적 특성이 규정되어 생산된 것, 이 것들로 만들어진 부품에는 기하공차가 규정되지 않는다. 2. 자유상태 편차 억제되어 있지 않은 상태에서 자유상태(Free State) 편차를 요하는 부품 3. Independency Symbol MMC에서 완전한 형상의 경계선 필요  MMC에서 방향공차와 위치도 공차를 “0”으로 한다. 형체의 치수공차 옆에 Independency Symbol 가 규제되면 Rule #1 이 적용되지 않는다. 형체의 사이즈는 만족하되 형체의 모양새는 달라 질 수 있다.  Form Error가 가능함

▣ GD&T 기초 이론 ※ 기준 치수(Basic Dimension) ※ 재료 조건 기호 Size : 크기를 나타내는 치수(FOS : Feature OF Size)  구멍/축 형체의 지름 등과 같이 최대치수와 최소치수로 표시할 수 있는 것) 2. Dimension : 형체의 각도나 위치를 나타낼 때 사용하는 치수  (홀 간거리 등) 기준치수가 적용되는 것 기준치수는 이론적으로 정확한 값을 나타내는 치수로 공차가 없다. 2) 기준치수를 적용할 때는 반드시 기준치수에 해당되는 공차를 형체규제 테두리에 규정하여야 한다. 3) 기준치수의 표시 기호는 치수 둘레에 사각형 테두리로 표시한다. ※ 재료 조건 기호  재료기호는 생산되는 형체의 크기나 위치에 따라 기하공차가 수정되거나 변화하기 때문에 흔히 수정기호 (Modifying Symbol)라고 한다 Maximum Material Condition(MMC, ) : 최대재료 조건  최대 질량을 갖는 부품 형체의 상태. 즉 최소의 구멍 치수, 최대의 축 치수 등을 말함. 2. Least Material Condition(LMC, ) : 최소재료 조건  최소 질량을 갖는 부품 형체의 상태, 즉 최대의 구멍 치수, 최소의 축 치수 등을 말함. 3. Regardless of Feature Size(RFS, ) : 형체치수 무관계  치수 공차와 관계없이 형체의 형상 또는 위치가 엄수되지 않으면 안될 조건으로, MMC나 LMC가 규제되어 있지 않을 경우 모든 기하공차는 RFS로 적용

▣ GD&T 기초 이론 ※ MMC, LMC, RFS 공차 해석 정리 형체 Size RFC MMC LMC 보너스공차 허용공차 실효치수 30.1(MMC) 0.1 30.0 0.4 0.5 30.2 0.2 0.3 30.3 30.4 30.5(LMC) ※ 보너스 공차 1. MMC가 규제되면 보너스 공차가 적용 됨. 2. 보너스 공차의 합은 공차의 합과 같다. (즉, 허용공차 MMC – 0.1, LMC – 0.5)  보너스 공차 : 형체Size – MMC  허용 공차 : RFC + 보너스 공차 ※ 실효치수 1. 내측형체 : 구멍의 실효 치수 = 구멍의 MMC – 규정된 기하공차 2. 외측형체 : 축의 실효 치수 = 축의 MMC + 규정된 기하공차

▣ GD&T의 해석 ※ GD&T 규제 형태 ※ 규제 형태 기하특성기호 지름기호(원통공차영역) 공차 공차수정기호 1차 데이텀 2차 데이텀 3차 데이텀

▣ GD&T의 해석 ※ 모양공차 – 진직도(Straightness) 설명 : 표면/축심의 요소가 직선인 경우의 조건으로 직선으로부터 벗어나는 정도로 표시(두 개의 평행한 직선 사이 간격) 단독형테로 적용되므로 밑면에 대해서 평행할 필요 없음. 단, 치수공차 범위 내 및 치수공차 보다 작아야 함.

▣ GD&T의 해석 ※ 모양공차 – 평면도(Flatness) 설명 : 한 평면 내에서 모든 요소가 갖는 표면의 상태를 나타냄 치수공차 범위 내에 있어야 하며, 데이텀과 무관 공차영역의 재료조건 RFS. 단, 중앙면에 대하여는 MMC/LMC 적용 가능 일 부분 평면도는 가상선으로 표시하고, 내부를 해칭선으로 표시 단위평면도는 단독 또는 전 표면 평면도 공차와 함께 사용 가능.단, 단위 공차는 총 공차보다 작아야 함.

▣ GD&T의 해석 ※ 모양공차 – 진원도(Roundness) 설명 : 구면 이외의 형체는 축심에 수직한 임의의 단면 구의 형체는 구의 중심을 통과하는 임의의 평면 치수공차보다 작음(자유상태의 편차에 의한 부품을 제외)

▣ GD&T의 해석 ※ 모양공차 – 원통도(Cylindricity) 설명 : 원통표면의 모든 점이 공통의 축심으로부터 등거리에 있는 회전 표면의 상태로 정의되며, 원형/길이방향 요소가 모두 포함되므로 원통 형체에만 적용(테이퍼/구 형체 규제 안됨) 치수공차보다 작아야 하며, 원통형태의 진원도와 진직도 및 테이퍼를 포함하는 형상의 복합 규제

▣ GD&T의 해석 ※ 윤관도 – 선의 윤곽도(Profile of a Line Tolerance) 설명 : 형체의 길이에 이어지는 2차원적인 것 공차역에 RFS, 데이텀 형체에는 MMS/LMS 적용가능 선의 윤곽도는 해석 및 적용에 있어 불명확한 요소가 있어 면의 윤곽도를 적용하는 것이 좋다. ※ 윤관도 – 면의 윤곽도(Profile of a surface Tolerance) 설명 : 주어진 평면(2차원도면/투영도/단명도)에서 물체의 외형 형상, 방향, 위치 등을 조합하여 규제도 가능 전 표면에 적용 가능, 부품의 단면을 취하여 개개로도 가능 공차영역에 RFS, 데이텀 형체에는 MMC/LMC 적용 가능

▣ FMEA 적용 이점 ※ FMEA 적용 이점 강사 : Dr. 임관택 강의 내용 : 제품설계 최적화 과정 (D-FMEA) 제품개발 초기 단계에서 제품의 잠재 고장모드의 확인을 용이하게 함 제품의 모든 잠재고장모드 및 조립에 미치는 그것들의 영향의 예측 가능성을 증진 안전상의 문제들을 제거할 수 있는 제품 설계 행위들을 확인함으로써 잠정 안전문제들을 밝혀 내는 것을 용이하게 함 설계 요인들 및 대안들에 대한 평가를 용이하게 함 제품에 대한 철저한 설계 검증 계획을 용이하게 해주는 정보를 제공 중요관리 특성을 쉽게 확인 설계 개선조치들간에 우선순위를 설정 향후 제품설계 개발을 유도하며, 제품설계 변경 후 그 근거의 문서화 P-FMEA 신규제조 및 조립공정의 해석을 용이하게 함 제조 및 조립공정상의 잠재 고장모드와 그 영향이 검토 될 수 있는 가능성을 증진 엔지니어들로 하여금 불량발생을 절감하거나 불량 탐지력을 증대시킬 수 있는 관리 수단 또는 방법에 초점을 맞출 수 있도록 공정 결함을 밝혀 냄 중요관리 특성을 밝혀내고 제조관리계획 개발을 용이하게 함 공정개선조치들간에 우선수위를 설정

▣ 고객의 정의 ※ 고객의 정의 강사 : Dr. 임관택 강의 내용 : 제품설계 최적화 과정 (D-FMEA) 고객에 대한 지식은 기능, 요구 사항 및 규격들을 강건하게 정의 관련된 고장 유형의 영향을 결정 ※ 고객의 정의 최종 고객 OEM 조립품 및 제조센터(공장) • 최종 고객 제품을 사용하게 되는 사람 또는 조직 • 최종 고객에 영향을 주는 FMEA 분석이 포함(내구성) • 제조 작업 및 차량 조립이 일어나는 OEM 장소 • 제품과 그 조립공정 간의 상호 작용을 표현하는 것이 효과적인 FMEA 분석에 중요 사항 공급자 사슬 제조 • 생산 자재의 제조, 가공, 조립이 발생하는 공급자 장소 • 모든 차기 공정 또는 하위 공정, 차 순위 협력업체 제조 과정이 된다. 조정자 • 제품 또는 공정에 영향을 주는 안전, 환경 규격을 위한 요구 사항을 정의하고 수행을 감독 하는 정부 기관

▣ FMEA 의 개발 ※ FMEA 의 개발 생산 검토, 분석 범위 결정 Block Diagrams 또는 P-Diagrams 강사 : Dr. 임관택 강의 내용 : 제품설계 최적화 과정 (D-FMEA) ▣ FMEA 의 개발 ※ FMEA 의 개발 ◊ 없어서는 안될 항목들 √ 제품 설계의 효과적인 검증 생산 검토, 분석 범위 결정 Block Diagrams 또는 P-Diagrams (제품의 기능과 요구사항 명기) 명확한 제품 요구 특성 파악 쉬운 잠재적 고장형태 인식 √ 요구되어지는 모든 기능 및 수행내용을 포함한 분석 결과물이 사용되는 것이 D-FMEA의 결과물이다.

▣ Block (Boundary) Diagrams 강사 : Dr. 임관택 강의 내용 : 제품설계 최적화 과정 (D-FMEA) ▣ Block (Boundary) Diagrams ※ Block (Boundary) Diagrams ◊ 설계영역 내의 부품과 서브시스템 간의 관계를 나타낸다. √ Output 으로 나가는 것이 들어오면 Factor, 그 외의 것들은 Control, Noise Factor Control Factor Input System Output Noise Factor

▣ 시스템 레벨 FMEA ※ 시스템 레벨 FMEA 관계를 이해하는 것이 D-FMEA 개발단 계에서 경제적인 분석을 일관성 있게 강사 : Dr. 임관택 강의 내용 : 제품설계 최적화 과정 (D-FMEA) ▣ 시스템 레벨 FMEA ※ 시스템 레벨 FMEA 관계를 이해하는 것이 D-FMEA 개발단 계에서 경제적인 분석을 일관성 있게 할 수 있는 방법이다. End User 영향 시스템의 고장 영향 시스템 고장 유형 서브 시스템의 고장 영향 서브시스템 고장 유형 상위 수준에서 하위 수준으로의 연결은 순수한 원인과 영향의 관계보다는 고장의 물리적 특성과 관련이 있다. 컴포넌트의 고장 영향 컴포넌트 고장 유형 부품의 고장 영향 부품 고장 형태 부품 고장 원인

▣ 부가적인 분석 기법 FTA, DRBFM, DRBTR FTA (Fault Tree Analysis ) 1. 시스템 고장이 단순한 잠재 고장에서부터 모든 가능한 원인 구분까지에 걸쳐 분석되는 시스템 분석을 위한 기법으로, 상호 의존 뿐만 아니라 독립적 원인의 결합을 고려한다. 2. 고장 나무의 구조 및 모든 논리적 상호의존과 더불어, 일반적으로 고장 확률 증명을 포함하며, 주어진 구성품 신뢰도로 시스템 신뢰도를 산출 할 수 있게 한다. DRBFM (Design Review Based on Failure Mode) 고장 유형을 근거로 한 디자인 검토는 디자인 변경과 관련 된 문제점의 원인과 영향을 분석 하는 것으로, 변경사항에 대한 논의의 지침과 관리를 위한 도구이다. 문제점 예측 및 예방의 목적으로 디자인, 공정평가, 제조 시스템 변경의 영향에 초점을 두며, 변경 및 관련 개선 평가를 위해 전문가에 의한 디자인 검토가 절대적으로 필요한 사항이다. DRBTR (Design Review Based on Test Results) 부품 또는 어셈블리의 손상이 발생되는 곳에서 신뢰성 및 내구성 시험 및 기타 시험을 수행한 후 진행된다. 잠재적인 손상 발생이 예상되는 시험을 하는 동안 특정 지점에 대해 또한 실시

▣ 신뢰성문제의 분석 설계 변경 시 검토 부족 ※ 신뢰성문제의 분석 28% 100% 신뢰성 검토부족 24% 여유가 없는 설계 강사 : Dr. 임관택 강의 내용 : 제품설계 최적화 과정 (D-FMEA) ▣ 신뢰성문제의 분석 ※ 신뢰성문제의 분석 100% 설계 변경 시 검토 부족 28% 신뢰성 검토부족 24% 여유가 없는 설계 16% 단순실수 기타 ◊ 사소한 변경에도 큰 실수 ◊ 기술상식을 무시한 단순 미스 ◊ Soft의 중도변경에도 주의 ◊ 내구, 신뢰성 시험은 시험 후의 분석확인이 중요 ◊ Cost Down은 품진 Down의 근원 ◊ 내구, 신뢰성 시험을 부품 메이커에게만 위임 시켜 버림 ◊ 여유 없는 설계는 2 ~ 3년 후에 대량고장으로 연결 됨 설계 시 문제 발생 (약 70%) 0%

▣ D-FMEA Process Block ※ D-FMEA Process Block Lessons & Learned Functional Analysis Brain Storming HBD/FBD D-FMEA QFD DVP&R P-FMEA FTA Ref. 명확히 표현 Control Plan Ref. 를 적극적 해석(How 부재) 방법론 수행임무 출력물

(Process Flow Diagram) ▣ FMEA 전체 개략도 VOC TS(CTS, SSTS) 기능분석 자체적 기능 – 담당 Item 관계적 기능 – 연관되어 있는 Item FBD/HBD FTA 고장영향 고장형태 고장원인 D-FMEA DVP&R PFD (Process Flow Diagram) P-FMEA C.P (Control Plan) STD (Standard)