FMEA: Risiken erkennen und vermeiden

 
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FMEA - typische Fragestellungen

FMEA - vom Risiko zur Fehlervermeidung

FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) oder auch deutsch: Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse, ist eine analytische Methode, um potentielle Schwachstellen im Produkt zu finden. Im Rahmen des Qualitätsmanagements wird die FMEA zur vorbeugenden Fehlervermeidung eingesetzt. Die FMEA wird insbesondere in der Design- bzw. Entwicklungsphase neuer Produkte oder Prozesse angewandt. FMEA folgt dem Grundgedanken einer vorsorgenden Fehlerverhütung anstelle einer nachsorgenden Fehlererkennung und -korrektur (Fehlerbewältigung) durch frühzeitige Identifikation potentieller Fehlerursachen bereits in der Entwurfsphase und begleitend in den weiteren Phasen eines Entwicklungsprojektes.

Die FMEA-Methode gilt zwar als effektives Werkzeug für die Risikobewertung in der Produktentwicklung - jedoch wird sie meist bauteilorientiert eingesetzt, eine Vorgehensweise die grundsätzlich und insbesondere bei mechatronischen Produkten (Mechanik, Elektronik, Software) zunehmend an Grenzen stößt.

Was ist eine FMEA? Wie ist diese aufgebaut? Wie kann ein funktionsorientiertes Produktmodell berücksichtigt werden? Wie werden wesentliche Parameter wie die Risikoprioritätszahl (RPZ) an unternehmensspezifische Randbedingungen angepasst - profitieren Sie von unseren Erfahrungen anhand eines konkreten FMEA-Beispiels (Whitepaper [1.569 KB] ).

Die Durchführung einer FMEA ist notwendig – sei es, dass Sie in vielen Branchen für die Zulassung der Produkte vorgeschrieben ist oder bei Zulieferern von deren Kunden eingefordert wird. So hat sich die FMEA in den letzten Jahrzehnten als bewährtes Mittel zur Risikoentdeckung, -bewertung und -vermeidung etabliert. Aber sie ist nicht beliebt – denn für ein vollständig neues Produkt ist die Erstellung einer FMEA aufwändig, was oft dazu führt, dass man zwar der Pflicht nachkommt, der Mehrwert in der Phase der Entwicklung oder Anpassung eines Produktes an neue Kundenanforderungen aber nicht erkannt oder genutzt wird, auch weil die FMEA oftmals zu spät im Entwicklungsprozess eingesetzt wird

Bei der Anwendung der FMEA gilt es, zwei gänzlich verschiedene Szenarien zu unterscheiden. Für die Entwicklung eines neuen Produktes führt kein Weg an dem Grundsatz vorbei, systematisch mögliche Risiken - idealerweise auf Basis eines Funktionsstruktur des Produktes - zu identifizieren, zu bewerten und entsprechenden Maßnahmen zur Vermeidung und Prüfung zu definieren und alle Elemente einer System FMEA sukzessive aufzubauen.

Das deutlich häufigere Szenario ist aber, dass bestehende Produkte/Komponenten an geänderte Kundenanforderungen angepasst werden oder auch nur geklärt werden muss, ob ein bestehendes Produkt/Komponente ohne konstruktive Anpassungen verwendet werden kann. Hinsichtlich der FMEA steht also die Frage im Mittelpunkt, ob auf Basis der geänderten Kundenanforderungen bereits erkannte Risiken neu bewertet werden müssen, oder auch neue hinzukommen: Eine „klassische“ Fragestellung insbesondere in der Zuliefererindustrie in allen Branchen. Hieraus entsteht auch wegen Zeitdruck oft die Vorgehensweise, dass eine bestehende FMEA schnell situativ überarbeitet, flüchtig RPZ-Zahlen angepasst oder aus anderen FMEA’s Eintragungen übernommen werden. Somit ist die Gefahr offensichtlich, dass die hieraus entstehende Bewertung weder vollständig, aktuell noch korrekt ist.

Aus diesem Szenario leitet sich das Ziel einer parameterbasierten System FMEA ab, nämlich  die Systematisierung dieser Aufgabenstellung, was bedeutet

  • Kundenanforderungen als treibende Parameter zur Anpassung der FMEA zu verstehen
  • das Leistungsverhalten des Produktes/Komponente auf Basis eines Funktionsmodells zu beschreiben,
  • den Einfluss  dieser geänderten Parameter auf bestehende Funktionen und Risiken zu identifizieren, um bestehende Risikoprofile automatisch anzupassen
  • den Funktionen die entsprechende Bauteile zuzuordnen, um den Hinweis auf zu prüfende oder zu überarbeitende Bauteile zu erlangen,
  • um letztlich hieraus notwendige Maßnahmen zur Vermeidung und Prüfung der Risiken automatisch zu identifizieren und als Basis für einen Validierungsplan zu verwenden.

Durch Hinzufügen von Produktoptionen (Funktionen/Bauteile) kann eine derartige parameterbasierte FMEA so erweitert werden, dass die Anwendung auf eine ganze Produktlinie ermöglicht wird.  Dies trägt wesentlich dazu bei, situative Anpassungen unter Zeitdruck zu vermeiden. Denn das Ergebnis ist eine über die Produktoptionen flexibel steuerbare und konsistente Maximalliste von Funktionen und Risiken.

Die Vorteile einer derartigen Vorgehensweise sind offensichtlich:

  • Bestehende Risikoprofile können auf Basis neuer Kundenanforderungen über die Parameter jederzeit schnell angepasst werden.
  • Die Bewertung der Risiken steht unmittelbar bereits in der frühen Entwicklungsphase zur Verfügung, so dass noch genügend Zeit für Gegenmaßnahmen vorhanden ist.
  • Die Übersicht der notwendigen Validierungsmaßnahmen passt sich den geänderten Parametern an und ist somit stets aktuell.
  • Eine Systematisierung vermeidet typische individuelle Fehler  der sonst üblichen Vorgehensweise, die sich aus dem oftmals unkoordinierten, situativen Kopieren von Risiken und deren Bewertung aus bestehenden FMEA s ergeben.
  • Mit Hilfe der verschiedenen Analysemöglichkeiten ist es möglich, z.B. zu erkennen, welche Parameter primär das aktuelle Risikoprofil beeinflussen. Somit können ggf, durch Beeinflussung der Kundenanforderung frühzeitig Risiken gesenkt und unnötige konstruktive Aufwände vermieden werden.
  • Durch die automatische Anpassung des Risikoprofils und sämtlicher Analysen sind auf einfachste Art und Weise What-if Szemeraien durchführbar, d.h. welche Risiken beim Einsatz eines Produktes unter geänderten Einsatzrandbedingungen von besonderer Bedeutung sind und welche konstruktiven Änderungen hieraus ableitbar sind.

Mithin steigt die Qualität der abgeleiteten Bewertung bei gleichzeitig drastisch reduziertem Aufwand.

Im Gegensatz zur klassischen Vorgehensweise ergibt sich ein anderes Vorgehensmodell, das sowohl eine drastische Reduktion des Aufwands bei gleichzeitiger Erhöhung von Qualität und Flexibilität ermöglicht.

Um eine solche Systematik zu realisieren, geht Life Cycle Engineers im Kundenprojekt nach folgendem Stufenmodell vor, aus dem ein entsprechendes Datenmodell abgeleitet werden kann:
  • Erarbeitung der Funktionsstruktur des Produktes,
  • Abbildung optionaler Funktionen im Produktmodell zur Erweiterung des Funktionsbaums auf eine Produktlinie,
  • Zuordnung von Bauteilen zu den Funktionen,
  • Identifikation von Risiken und Zuordnung zu den Funktionen sowie Ableiten der Risikoprioritätszahl,
  • Zuordnung von Vermeidungs- und Prüfmaßnahmen zu den erkannten Risiken,
  • Identifikation der Funktionsparameter sowie der Parameter auf Ebene der Kundenanforderungen (Lasten-/Pflichtenheft)
  • Festlegung von Gültigkeitsbereichen der Parameter: Zuordnung statistisch abgesicherter Grenzen, in denen sich Parameterwerte auf Ebene der Kundenanforderungen verändern dürfen, um willkürliche Risikobeeinflussungen zu vermeiden.
Die Ausgangssituation zu Beginn der FMEA Bewertung kann wie folgt charakterisiert werden:
  • Die FMEA-Vorlage berücksichtigt  zu allen Parametern den typischen Anwendungsfall, d.h. zu allen Parametern liegen typische Ausgangswerte vor. Diese können z.B. auf statistisch abgesicherten  Daten aus der Nutzung des Produktes basieren
  • Der typische Anwendungsfall basiert auf einer klar definieren Auswahl der hinterlegten Produktoptionen.
  • Die hinterlegten Risiken und deren Bewertung reflektieren diesen typischen Anwendungsfall

In einem nächsten Schritt werden aufgrund der vorliegenden Kundenanforderungen die gültigen Produktoptionen gewählt und die Ausgangswerte der Parameter aktualisiert und. Sind diese hinreichend verlässlich, so erfolgt eine systemgestützte, automatische  Anpassung des anfänglichen Risikoprofils:

  • Aufgrund der geänderten Parameterwerte und dem eventuelle Überschreiten der Gültigkeitsbereiche erfolgt eine Neubewertung der zugeordneten Risiken, d.h. die vorliegende RPZ-Werte werden angepasst.
  • Die zwingend durchzuführende Vermeidungs- und Prüfungsmaßnahmen werden aus den geänderten Risikoprofil abgeleitet und bilden die Basis für den Validierungsplan.
  • Systemgestützt können die geänderten Risiken detaillierter hinsichtlich der zugeordneten Bauteile, Parameter, Vermeidungs- und Prüfungsmaßnahmen usw. analysiert werden.

Das zugrundeliegende Datenmodell bildet die Beziehungen zwischen Funktionen, Funktionsparametern, Kundenanforderungen, Bauteilen sowie Vermeidungs- und Prüfungsmaßnahmen ab. Hieraus sind vielfältige Analysen möglich:

  • Aufgrund des angepassten Risikoprofils ist erkennbar, welche Bauteile am meisten risikogefährdet sind.
  • Mit Hilfe der Zuordnung der Bauteile zu den Funktionen  ist unmittelbar ersichtlich, bei welchen Bauteilen Validierungsmaßnahmen durchgeführt werden müssen, die dann ggf. zu konstruktiven Anpassungen führen können.
  • Die Zuordnung der Kundenanforderungen zu den Funktionen lässt erkennen, welche Parameter primär das Risikoprofil beeinflussen. Somit können ggf, durch Beeinflussung der Kundenanforderungen Risiken gesenkt und unnötige konstruktive Aufwände vermieden werden.
  • Durch die Zuordnung der Risiken zu den Funktionen sind auf den verschiedenen Ebenen des Funktionsmodells die risikostärksten Funktionen direkt erkennbar. Unmittelbare Schlussfolgerungen hinsichtlich  der nachhaltigen Funktionssicherheit sind hiermit gewährleistet.

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  • parameterbasierte System FMEA
    • Technologie zur Realisierung einer parameterbasierten System-FMEA  mit Smart Data Technologie, IT&Production, Wissen Kompakt 2016/17, Seite 12-16 (Artikel, deutsch)
    • Einführung einer parameterbasierte System FMEA für Turbolader bei MAN Diesel&Turbo:
      • Artikel "Parameter-based System FMEA for Turbocharger Validation, MTZ Industrial 2/2016 (Artikel, englisch)
      • Artikel "FMEA ganz anders: effizient und flexibel" in VDI Verlag Konstruktion, 4/2016 (Online Artikel, deutsch)
      • Artikel  "Mit FMEA zur Innovation" in Qualität&Management, 2/2016 (Artikel, deutsch)
      • Artikel "MAN Diesel&Turbo optimiert Fehlerrisiko-Untersuchungen" in Schiff&Hafen,  3/2016 (Artikel, deutsch)
      • Referenz des Leiters Engineering Validation Assessment, MAN Diesel&Turbo SE
      • Referenz des Bereichsleiters Turbo Charger Validation, MAN Diesel&Turbo SE
  • funktionsbasierte System-FMEA
    • Whitepaper (Artikel, deutsch)
    • Einführung einer funktionsbasierten System FMEA bei BorgWarner in Quality Engineering, 4/2007 (Artikel, deutsch)