Zakaj se stvari pokvarijo?

Vsak izdelek, ki ga naredimo, ima svoj rok trajanja. Ni pomembno, kaj je, sekira ali lokomotiva, prej ali slej se vse pokvari. Stvar je le v času. To je naravna zakonitost, njeno razumevanje je bistveno pri izdelavi izdelkov z dolgim rokom trajanja, pa tudi izdelkov, ki se pokvarijo v časovnem intervalu, ki ga je že pri njihovem oblikovanju določil proizvajalec. 

Da bi razumeli, zakaj, predvsem pa verjetnost, kdaj se bo neki del pokvaril, kolikšna je njegova povprečna življenjska doba (v urah, letih delovanja), proizvajalci v svojih laboratorijih in v računalniških modelih preizkušajo kritične sestavne dele oziroma celotne izdelke. Tega ne počnejo za kupce, temveč zaradi sebe. Najslabše, kar se jim lahko pripeti, je, da se veliko izdelkov pokvari med trajanjem garancijske dobe, kar jih lahko stane veliko denarja. Razumljivo so o pogostosti okvar skrivnostni, nočejo povedati, koliko denarja letno plačajo za garancijska popravila, zato v javnost pridejo le najbolj razvpiti primeri. Na primer odpoklic avtomobilov znamke Toyota pred leti, ki je sledil zaradi nekaj smrtnih primerov v nesrečah, ki so se zgodile zaradi zatikanja stopalke za plin.

Microsoftov krog smrti

Med zabavnimi in z računalništvom povezanimi napravami pa je bila najbolj razvpita napaka »rdeč krog smrti« (Red Ring of Death), ki se je pripetila Microsoftovi igralni konzoli Xbox 360. Microsoft jo je predstavil med božično nakupovalno sezono leta 2005. Začele so deževati pritožbe kupcev, katerih naprava se je pregrela, nato pa pokvarila, napaka pa je ime dobila po treh diodah okoli tipke za vklop, ki so po napaki svetile rdeče namesto zeleno. Kupci so zahtevali podaljšanje garancije (najprej je ta veljala le devetdeset dni) na eno leto, kar je Microsoft storil, a hkrati tudi zanikal, da gre za resnejši problem. Trdil je, da je število okvar v pričakovanem območju med tremi in petimi odstotki, kar naj bi bilo normalno za izdelek na začetku življenjske poti. Leto in pol se Microsoft ni dal, šele leta 2007 pa je le priznal resnost napake. Podaljšali so garancijo na tri leta, ta pa je veljala tudi »za nazaj« (retroaktivno) za vse dotedanje kupce Xboxa, za kar so namenili med 1,05 in 1,15 milijarde dolarjev. Redkokdaj podjetja objavijo podatek, koliko jih je stala »večja« napaka v njihovih izdelkih, omenjena vsota pa vseeno pomeni, da je šlo v tem primeru za »monumentalno katastrofo«. A do danes niso razkrili vzroka za problem. Splošno sprejeto mišljenje je, da je razlog v pregrevanju procesorja do te mere, da je prihajalo do deformacije vezja, kar je povzročilo pokanje spajkanih spojev, izdelanih iz materiala brez svinca. Smešno pa je, da so ta material uporabili zaradi skladnosti naprave z evropskimi okoljskimi standardi. Primer Xbox še zdaleč ni osamljen, bil je le v zadnjih letih najbolj javno izpostavljen. Podobni dogodki so v vsaki industrijski panogi, vendar jih podjetja skušajo pomesti pod preprogo, ne le zaradi ugleda na trgu, temveč tudi zato, da zmanjšajo svoje obveznosti do kupcev. Če kupci ne vedo, da gre za stvarno napako proizvajalca, potem kot »množica« ne morejo zahtevati odpoklica izdelka, vrnitve kupnine ali podaljšanja garancije, stroški podjetja, ki nastanejo kot posledica napake, pa so manjši. 

Kako močan mora biti sestavni del

to podjetja take dogodke prikrivajo, da do njih sploh ne bi prišlo, pa izdelke preizkušajo, a le za garancijsko dobo. Vseeno pa to ni preprosta zadeva. Dobra ponazoritev zapletenosti zadeve so avtomobili. Sestavljeni so iz veliko sestavnih delov, do napake lahko pride na katerem koli ali pa zaradi okvare »povezav« med njimi, posledice pa so lahko v skrajnem primeru tudi smrtne. Vzemimo primer stopalke za plin. Koliko pritiskov povprečnega ali agresivnega voznika mora ta brez težav zdržati? Dejali bi čim dlje, kar pomeni, da mora biti vijak stopalke, ki to drži na svojem mestu in hkrati omogoča njeno premikanje, dovolj kakovosten. Trčimo v problem teže, kakovosti in cene. Vijak je lahko tako močen, da bo preživel voznika, vendar je v tem primeru tudi težji (in dražji). Ker jih je v avtomobilu veliko, to vpliva na njegovo težo in ceno. Pa gre le za en manjši vijak, kje so še drugi sestavni deli. Govorimo o pod- in predimenzioniranju izdelkov in sestavnih delov, kar pa je močno odvisno od industrije. Letalska, kjer lahko že najmanjša napaka pomeni katastrofo (in visoke odškodnine), teži k predimenzioniranju, drugače pa se odloči izdelovalec dirkalnih koles, kjer je teža bolj pomembna kot vzdržljivost. Zato so sestavni deli običajno poddimenzionirani.

Podobno velja za vse industrije, tudi industrijo elektronike (takšne in drugačne). Po eni strani se vse bojijo, da bi prišlo do »katastrofalnega fiaska«, po drugi pa si prizadevajo za to, da njihovi izdelki odpovejo čim prej po izteku garancijske dobe. Tudi tako, da v izdelek vgradijo poddimenzioniran sestavni del, ki ni bistven za delovanje naprave, vendar je po njegovi odpovedi uporaba otežena, kar uporabnika običajno prepriča, da kupi nov izdelek. Zaradi obeh razlogov težijo proizvajalci k čim bolj natančnim napovedim »kvarjenja«, kar pa je, presenetljivo, težko razumljivo. Kdaj bo prišlo do okvare, je odvisno od tega, kako uporabnik napravo uporablja (je previden, grob), in od »notranjih« lastnosti vsakega sestavnega dela. To pa pomeni, kako se snovi, iz katere so, odzivajo na spreminjajoče se pogoje uporabe. Ugibanje o roku trajanja izdelka je zato umetnost, ki je v celoti ne obvladajo niti največji proizvajalci. Da bi bila zadeva zanje še bolj otežena, je tu Moorov zakon, ki ne vpliva le na računalniško industrijo, temveč vse bolj na celotno gospodarstvo. Kupci pričakujejo, da so naprave iz leta v leto manjše, lažje, zmogljivejše in učinkovitejše. To se odraža na vseh izdelkih, ki so okoli nas. Avtomobili morajo prevoziti več kilometrov z manj goriva, kolesa morajo biti vse bolj lahka, pralni stroji morajo prati z manj vode in tako naprej. Da proizvajalci zadovoljijo tem željam, ki so mimogrede nastale zaradi njihovega prepričevanja kupcev, da je to prav, in ne vedno zaradi dejanske potrebe, posegajo po novih (včasih tudi manj preizkušenih) materialih in tehnikah oblikovanja izdelka. To je sicer odlično za inovacije, vendar pogubno za zanesljivost delovanja naprave (izdelka). 

Vedo, kdaj se bo kaj pokvarilo

Uporabne podatke za razporeditev verjetnosti okvar izdelka skozi čas lahko proizvajalci dobijo le s pomočjo testiranja. Fizičnega, ko izdelek ali njegov del podvržejo različnim pogojem uporabe in pogojem okolice (temperatura, vlažnost …) ali pa, kot je zadnje časa vse bolj priljubljeno zaradi cene, testiranju v virtualnem računalniškem modelu. Hitro je razumljivo, da pri nobenem pristopu ne gre za testiranje v »pravem« času, saj na primer ne moremo deset let testirati izdelka, pri katerem je predviden tolikšen rok trajanja. Testiranja so pospešena, pri tem pa se simulira ta čas uporabe. Robot hitro in z različno močjo pritiska na stopalko za plin ali na gumb za vklop–izklop naprave. Tako dobijo neke okvirne podatke, ti pa na grafikonu (Weibullova distribucija) kažejo verjetnost, koliko izdelkov bo v določenem času (ali določenem ciklu uporabe – na primer število pritiskov na tipko) odpovedalo. Nič tudi niso naredili, če testu podvržejo le en izdelek. V tem primeru dobijo podatek le zanj. Testirati je treba dovolj istih izdelkov, da dobijo statistično pravilne podatke. Krivulja je večinoma takšna, da se največ izdelkov pokvari po času, za katerega so bili narejeni. Vzemimo primer. Če je tipka na tipkovnici narejena tako, da bi morala po teoretičnih izračunih zdržati deset tisoč pritiskov, potem je okoli te številke največ okvar. Nekaj tipk se bo seveda pokvarilo prej, čim manj, da proizvajalec ni preveč obremenjen s plačevanjem garancijskih zahtevkov in morebitnih dodatnih odškodnin, nekaj pa jih bo delovalo tudi veliko dlje. Če smo malce nesramni, si proizvajalec želi, da je obeh skrajnih primerov čim manj in da izdelek oziroma sestavni del odpove natančno takrat, kot je predvidel. Testirajo vsi proizvajalci, v obsegu, ki si ga lahko privoščijo. Pomembno pa je tudi, da proizvajalci sami določijo, koliko časa naj njihov izdelek »živi«, kar je seveda močno odvisno od industrije in zahtev na trgu, ter ga temu primerno oblikujejo. Kako potrošniška družba vpliva na rok trajanja izdelkov, pa vemo in verjetno tega ni treba spet pogrevati. 

Piramida testiranja

Testiranje enega sestavnega dela izdelka, na primer tipke na tipkovnici, je poceni, zato jih lahko med testiranjem »uničijo« veliko. Brez problema lahko uničijo tudi več tipkovnic, ki tudi niso ravno drage. Težje pa je tako testirati veliko dražjih izdelkov. Temu pravijo piramida testiranja. Na dnu so testiranja manjših sestavnih delov, sledijo testiranja sklopov, podsistemov in na vrhu celotnega izdelka. Višje ko se gibljemo po piramidi, dražji so testi. Lahko si le predstavljamo, koliko stane testiranje več deset v celoti sestavljenih avtomobilov. Vsi proizvajalci si ne morejo privoščiti vseh testov, zato testirajo po svojih zmožnostih, temu primerno pa so natančni tudi njihovi podatki. Še huje je, ker je frekvenca predstavitev novih, zmogljivejših izdelkov vsako leto višja. Če bi desetletja proizvajalec izdeloval enak izdelek, bi imel zelo natančne podatke o verjetnosti njegove okvare. Ker je prisiljen nenehno izboljševati izdelek, stari podatki niso več pravilni, zato mora teste ponavljati. Zmanjkuje tako časa kot denarja. Zaradi tega se vse bolj uveljavljajo navidezni testi, kjer izdelke v obliki računalniškega modela testirajo z računalniki. V nekaterih primerih so računalniki zelo natančni. Če imamo model strukture in so znane lastnosti materialov, potem lahko računalniški model nanj aplicira različne močne pritiske (ali temperaturne pogoje) in tako izračuna na primer točko, v kateri se struktura sesuje. Ker danes večina izdelkov najprej nastane v računalniku, je to mogoče, pričakovano in poceni. Še toliko bolje, ker lahko oblikovalec, ne da bi sploh naredili prototip, popravi strukturne in kakšne druge napake, ki so se mu prikradle pod prste. 

Računalnik pa odpove, ko je treba določiti dejansko »moč« sestavnega dela (na primer tečaja vrat). »Obnašanje« materiala je veliko bolj zapleteno, kot si mislimo, ker na mikroskopski ravni še ne razumemo mehanizma, ki je glavni vzrok za nastanek razpok (material poči, zakaj poči, kjer so notranje napetosti v materialu in tako naprej). Ker so osnovne surovine lahko različne ali pa so bile izdelane po različnih postopkih (kakšna je bila temperatura pri obdelavi in koliko časa je bil material izpostavljen), je na neki (mikro)ravni vsak sestavni del unikaten. Največji izziv pri napovedih, kdaj bo prišlo do okvare izdelka, je razumevanje materialov, iz katerih je. Enaki sestavni deli, naj bodo iz kovine ali keramike, so na mikroskopski ravni med seboj različni, te razlike pa vplivajo na rok trajanja izdelka, v katerega so vgrajeni. Že zanemarljivo majhna sprememba v velikosti dela mu lahko spremeni njegove lastnosti, s tem pa tudi, kako se bo obnesel, vgrajen v izdelek. avni. 

Razlog za staranje bitij se skriva v celicah, razlog za okvaro izdelkov pa v mikroskopski strukturi materialov, iz katerih je sestavljen. Temperatura vpliva na delovanje integriranih vezij (čipov), saj deformira elemente v njem, zato procesor ali pomnilnik prej ali slej odpove. Vrtenje trdega diska vpliva na pojav mikrorazpok v ležajih, pa tudi v vrtečih se ploščah. Spremembe, čipi so vse manjši, v njih je več elementov (tranzistorjev), ali manjši sestavni deli (maj robustni ležaji) zmanjšujejo predvideni rok trajanja izdelkov. Ploske iz katerih so ohišja, je vse tanjše. Zato da je proizvodnja izdelka cenejša, vendar je ta zaradi tega manj vzdržljiv. Smernice so, da so sestavni deli naprav zabavne elektronike vse bolj poddimenzionirani. Ne samo zaradi cene, temveč tudi, da izdelek odpove čim prej po garancijskem roku, kupec pa kupi novega. Večina naprav v trgovinah je iz leta v leto manj robustna. Ko nekdo pravi, da mu je izdelek odpovedal nekaj dni po garancijski dobi, ni več le naključje, temveč vse bolj dejstvo.