Final quality control testing of flapper-nozzle electro-pneumatic transducers — Development and evaluation based on Failure mode analysis

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Master's thesis

Authors

Date

2025-07-31

Department

Major/Subject

Production Engineering

Mcode

Degree programme

Master's programme in Mechanical Engineering

Language

en

Pages

106

Series

Abstract

Electro-pneumatic transducers are essential elements in electrically controlled pneumatic systems, converting electrical inputs into proportional low-level pneumatic pilot signals utilized for precise actuation of primary devices. One particular mechanism used to achieve this signal conversion is the flapper-nozzle mechanism, which modulates the amplitude of the pneumatic signal by electromechanically venting excess working fluid from the control system. Given the high gain of these devices, Final Quality Control (FQC) testing is essential to ensure that all produced transducers meet set quality standards. Therefore, this thesis examines the extent to which FQC testing can detect process-related failure modes associated with a flapper-nozzle design intended to replace an existing design used in a commercially available product. To accomplish this, the author conducted a comprehensive risk assessment comprising both a Process Failure Mode and Effects Analysis (PFMEA) and a Fault Tree Analysis (FTA). The most critical failure modes identified were empirically tested using a custom laboratory testbed developed by the author, which emulated and extended the functionality of an existing FQC tester employed in the production of similar devices. The study successfully created a reliable testbed as well as induced and analyzed several selected failure modes, revealing that FQC testing must be combined with supplementary Quality Control (QC) protocols. Additionally, promising tester optimizations were established, though manufacturing disruptions limiting test samples precludes definitive test parameter recommendations. Although the study was only partially successful in quantitatively assessing the applicability of FQC testing, it provides a foundation for further development of QC as manufacturing of prototypes resumes.

Elektropneumatiska omvandlare är centrala element i elektriskt styrda pneumatiska system, där de omvandlar elektriska insignaler till proportionella lågnivå-pneumatiska pilotsignaler som används för styrning av primära enheter. En särskild mekanism som används för att uppnå denna signalomvandling är flapper-nozzle-mekanismen, som modulerar amplituden hos den pneumatiska signalen genom att elektromekaniskt ventilera överskottsarbetsmedium från styrkretsen. Med hänsyn på den höga förstärkningsgraden hos dessa anordningar är slutlig kvalitetskontroll (FQC) avgörande för att säkerställa att samtliga producerade omvandlare uppfyller fastställda kvalitetskrav. Detta examensarbete undersöker i vilken utsträckning FQC-testning kan identifiera processrelaterade fellägen associerade med en flapper-nozzle-mekanism som är avsedd att ersätta en befintlig modell i en kommersiellt tillgänglig produkt. För att åstadkomma detta genomfördes en riskbedömning bestående av en process-feleffektsanalys (PFMEA) och en felträdsanalys (FTA), varefter de mest kritiska fellägen testades med en laboratoriebaserad testbädd som emulerar och optimerar en befintlig FQC-testare som idag används i produktionen av liknande omvandlare. Studien skapade framgångsrikt en tillförlitlig testbädd samt inducerade och analyserade flera utvalda fellägen, och resultaten visar att FQC-testning måste kombineras med kompletterande kvalitetskontroll (QC). Dessutom identifierades lovande optimeringar av FQC-testerna, men tillverkningsrelaterade störningar som begränsade antalet tillverkade prototyper förhindrade framtagandet av definitiva parametrar för testalgoritmerna. Trots att studien endast delvis lyckades kvantitativt bedöma FQC-testningens tillämpbarhet, utgör den ett värdefullt underlag för fortsatt utveckling av QC i samband med att prototyptillverkningen återupptas.

Description

Supervisor

Akmal, Jan

Thesis advisor

Olkkonen, Mika

Keywords

electro-pneumatic transducer, current-to-pressure converter, flapper-nozzle, final quality control, risk assessment, failure mode

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202508186261

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG