DFMEA: Proaktive Risikoidentifikation zur Verhinderung von Systemausfällen

Was ist ein Ausfallmodus?

Ein Ausfallmodus ist alles, was dazu führt, dass das Produkt oder der Prozess außerhalb der erwarteten Parameter funktioniert. Er kann von einem sehr geringfügigen Fehler reichen, der kaum bemerkbar ist und die Leistung in keiner Weise beeinträchtigt, bis hin zu einem schweren Ausfall, der Produktrückrufe und eine Stilllegung der Produktionslinie zur Folge hat. In den schwersten Fällen könnte ein Ausfallmodus letztlich Verletzungen der Endbenutzer verursachen oder sogar zu Klagen führen.

Failure Mode Effect Analysis (FMEA) erklärt

Die Identifizierung des Ausfallmodus ist wichtig, aber es ist nur der erste Schritt in einer Ausfallmodus-Effekt-Analyse.

Der Zweck der FMEA ist es, zu bestimmen, warum der Ausfall aufgetreten ist, wie wichtig es ist, den Ausfall zu beheben, und dann Schritte zu unternehmen, um zu verhindern, dass der Ausfall in Zukunft erneut auftritt. Ob Sie einen Prozess, ein Design oder ein ganzes System betrachten – FMEA ist eine kritische Komponente zur Sicherstellung maximaler Betriebszeit, Sicherheit und Endbenutzerzufriedenheit.

Die 5 Schlüsselschritte der FMEA

In ihrer einfachsten Anwendung gibt es 5 grundlegende Schritte zur Durchführung einer FMEA.

1. Potenzielle Ausfälle und Auswirkungen identifizieren
2. Ausfallschwere bewerten
3. Ausfallwahrscheinlichkeit vorhersagen
4. Ausfallerkennungsprozesse
5. Risikopriorität bestimmen

Was ist der Zweck der DFMEA?

Der Zweck der DFMEA ist es, Bedrohungen für Produktionseffizienz, Qualität und Sicherheit zu identifizieren und zu beseitigen. Dadurch straffen Sie Prozesse, verbessern die Anlagensicherheit, erhöhen die Kosteneffizienz, bewahren Produktqualität und steigern die Kundenzufriedenheit.

Deshalb ist der DFMEA-Prozess ein unverzichtbares Risikobewertungs- und Risikominderungsinstrument für eine Vielzahl von Branchen, darunter Fertigung, Gesundheitswesen, Versorgungsunternehmen und Bauwesen.

Vorteile der DFMEA in der Produktentwicklung

DFMEA ist ein praktisches Werkzeug zur Verbesserung des Produktdesigns und zur Reduzierung langfristiger Kosten. Zu den Hauptvorteilen gehören:

• Designfehler vor der Produktion erkennen – eine deutlich günstigere Option als sie später zu beheben.
• Designrisiken systematisch angehen, was langlebigere, konsistentere Produkte sicherstellt.
• Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren, Wartung und Qualitäts teams erleichtern.
• Unterstützung für zukünftige Audits und Iterationen durch einen von der DFMEA erstellten Nachweis der Designlogik und Minderungsstrategien.

Designbedingte Probleme reduzieren, was zu besseren Benutzererfahrungen und weniger Garantieansprüchen führt.

Branchen, die DFMEA nutzen

Es gibt die anhaltende Vorstellung, dass DFMEA auf die Luft- und Raumfahrt- oder Automobilindustrie beschränkt ist, aber in Wirklichkeit hat es eine viel größere Reichweite. Jede Branche, die komplexe Produkte oder Systeme entwirft, kann von der Implementierung von DFMEA profitieren. In der Fertigung wird es beispielsweise häufig verwendet, um mechanische Komponenten, elektrische Systeme und Baugruppen vor Produktionsbeginn zu bewerten. In der Elektronik hilft es Teams, Fehler in Schaltkreislayouts zu erkennen. Die Medizintechnikbranche wendet DFMEA regelmäßig an, um spezifische Designprobleme zu identifizieren, die zu Sicherheitsrisiken führen könnten, und regulatorische Überprüfungen weiter unten in der Linie zu vermeiden.

Im Energie- und Versorgungssektor unterstützt DFMEA das Design von Turbinen, Transformatoren und anderer Infrastruktur. Konsumgüterunternehmen verlassen sich darauf, um Produktzuverlässigkeit zu verbessern und Garantieansprüche zu reduzieren. Selbst Sektoren wie Landwirtschaft, Verteidigung und Baumaschinen wenden DFMEA-Prinzipien an, um Ausfallrisiken zu reduzieren und langfristige Asset-Leistung zu gewährleisten.

Wie funktioniert DFMEA?

Design Failure Mode and Effect Analysis funktioniert, indem eine Gruppe von Personen mit Fachwissen über das zu analysierende Design zusammengebracht wird. Gemeinsam brainstormen diese Personen alle Möglichkeiten, wie das Design fehlschlagen könnte.

Teammitglieder können vergangene Erfahrungen abrufen und ihr Wissen nutzen, um zu überlegen, wie Ausfälle eintreten könnten und welche Ergebnisse diese Ausfälle haben könnten. Für bestehende Designs kann die DFMEA vergangene Daten nutzen, um die Ausfälle und ihre Auswirkungen zu bestimmen.

Dann entscheidet das Team gemeinsam über proaktive Lösungen für Probleme. Dies könnte Änderungen am Design, an Teilen, Materialien oder anderen Elementen des Designs und Produktionsprozesses umfassen. Werkzeuge wie ein Computerized Maintenance Management System (CMMS) können diesen Prozess unterstützen, indem sie historische Ausfalldaten und Asset-Leistungstrends zentralisieren und Teams helfen, besser informierte Designentscheidungen zu treffen.

Für technische Anleitungen dazu, wie groß angelegte Teams diese Methode anwenden, siehe das NASA Systems Engineering Handbook zur FMEA.

DFMEA-Beispiel

Angenommen, ein Ingenieur entwickelt ein Asset für die Verpackung eines Endprodukts. Während des Prototypentests identifiziert eine DFMEA einen Ausfall im Klebebandspendermechanismus. Er tritt nach etwa 100 Betriebsstunden auf und führt dazu, dass das Klebeband nicht wie benötigt abgegeben wird. Daraufhin werden etwa 50 % der Pakete falsch versiegelt, und in einigen Fällen fällt das Produkt aus der Verpackung und wird unbrauchbar.

Dies ist ein großes Problem. Während der DFMEA stuft das Team die Auftretensrate mit 7, die Schwere mit 10 und die Erkennung mit 2 ein. Dies ergibt eine RPN von 140, und das Team entscheidet, dass das Problem angegangen werden muss.

Nach Untersuchung stellt das Team fest, dass das Problem durch einen Fehler in den Lagern verursacht wird, die den Spender frei drehen lassen. Das Team kann dies beheben, indem es regelmäßige Schmierung und Wartung empfiehlt, die im Spender verwendeten Materialien ändert oder eine andere Änderung vornimmt, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass der Endbenutzer des Assets diesen Ausfall erlebt.

DFMEA abgrenzen: Was einzuschließen ist

Bevor Sie beginnen, Risikowerte zuzuweisen, sollten Sie den Umfang Ihrer DFMEA definieren. Welche Teile des Designs analysieren Sie? Welche Ausfallmodi liegen in Ihrer Kontrolle?

Eine gut abgegrenzte DFMEA vermeidet verschwendete Mühe und hält den Fokus auf Risiken. Sie stellen sicher, dass Sie keine Arbeit duplizieren, die bereits in einer PFMEA oder Systemanalyse abgedeckt ist. Beginnen Sie damit, die Grenzen des Designs, die beabsichtigte Funktion und alle kundenspezifischen Anforderungen zu definieren. Identifizieren Sie dann Schnittstellen, an denen Ausfälle am wahrscheinlichsten sind.

Die Abgrenzung beeinflusst direkt die Qualität und Relevanz Ihrer Ergebnisse. Wenn der Umfang zu breit ist, kann Ihr Team in niedrigprioritären Problemen verloren gehen. Wenn Ihr Umfang zu eng ist, könnten Sie wichtige Interaktionen zwischen Teilen verpassen.

Wer führt die DFMEA durch?

DFMEA funktioniert am besten, wenn Sie Fachleute zusammenbringen, die das Design aus verschiedenen Blickwinkeln verstehen. Das bedeutet normalerweise Designingenieure, Produktionsleiter, Qualitätspezialisten und möglicherweise Wartungs- oder Außendienstmitarbeiter.

Häufige DFMEA-Fehler, die vermieden werden sollten

DFMEA funktioniert am besten, wenn der Prozess konsistent ist. Aber einige häufige Fehler können seinen Wert beeinträchtigen. Einer ist, zu lange zu warten, um eine DFMEA durchzuführen. Wenn Sie erst anfangen, Risiken zu analysieren, sobald die Produktion läuft, haben Sie die Chance verpasst, wirkungsvolle Änderungen vorzunehmen. Nicht ein funktionsübergreifendes Team einzubeziehen, ist eine weitere Falle. Allein arbeitende Ingenieure können praktische Einblicke verpassen, die Wartung, Betrieb oder Qualitäts teams einbringen können.

Manche Teams tappen auch in die Falle, Schweregrad, Auftreten und Erkennungsbewertungen ohne klare Definitionen zuzuweisen. Wenn Bewertungen nicht im Voraus vereinbart werden, werden die RPNs weniger zuverlässig. Andere überspringen die Dokumentation empfohlener Maßnahmen oder versäumen es, nach der Implementierung nachzufassen. Auch DFMEAs, die nie überprüft werden, können schnell veraltet sein. Diese peer-reviewte Studie unterstreicht Verbesserungen und zitiert über 200 Fachartikel mit Techniken zur Verbesserung der Erkennung, Reduzierung der Variabilität und Unterstützung der Designzuverlässigkeit.

Wann sollten Sie DFMEA einsetzen?

DFMEA ist am wertvollsten früh in der Designphase, bevor Prototypen finalisiert oder Werkzeuge in Auftrag gegeben werden. Es ist jedoch auch nützlich:

• Bei der Einführung größerer Änderungen an einem bestehenden Design
• Nach einem signifikanten Ausfall oder Feldproblem
• Während Kostensenkungsprojekten, die Materialien oder Komponenten betreffen
• Als Teil laufender Qualitätsverbesserungsprogramme

Das Ziel ist, designbedingte Probleme zu verhindern, bevor sie in Produktionsprobleme, Rückrufe oder Sicherheitsprobleme kaskadieren.

DFMEA vs. PFMEA

Process Failure Mode and Effect Analysis (PFMEA) und DFMEA sind beide Zweige der umfassenderen Failure Mode and Effects Analysis (FMEA).

PFMEA betrachtet den gesamten Prozess und identifiziert potenzielle Ausfälle im System. Beispielsweise kann eine PFMEA in der Fertigung nach Ausfällen in Prozessen wie Lackieren, Montieren oder Versenden des Produkts suchen.

Eine Design Failure Mode and Effect Analysis konzentriert sich jedoch auf Ausfälle in spezifischen Bereichen des Designs. Auf der Produktentwicklungsseite untersucht die DFMEA, wie das Produkt ausfallen könnte, z. B. wenn es auf eine bestimmte Weise verwendet wird oder bestimmten Temperaturen ausgesetzt ist. In der Fertigung verwendete Assets können ebenfalls einer DFMEA unterzogen werden, um sicherzustellen, dass die Assets wie erwartet funktionieren.

Wie man DFMEA durchführt

Die Durchführung einer DFMEA kann ein sehr tiefgehender und zeitaufwändiger Prozess sein, aber Designfehler zu erkennen und zu beheben, bevor sie zu großen Problemen führen, ist unglaublich wichtig. Hier ist, wie Sie beginnen:

1. Ein Design zur Analyse auswählen.

Sobald Sie den DFMEA-Prozess vollständig in Ihren Produktlebenszyklus integriert haben, werden Sie ihn bei jedem Design anwenden. Für jetzt wählen Sie ein Design in einem beliebigen Stadium des Produktentwicklungsprozesses: eines, das in der frühen Entwicklung ist, neu entworfen wurde oder bereits in der Produktionsphase ist.

2. Ein funktionsübergreifendes Expertenteam zusammenstellen, das mit verschiedenen Bereichen des Designs vertraut ist.

Ein ausgewogenes, diverses Team generiert die umfassendsten Ergebnisse. Idealerweise wird Ihr DFMEA-Analyseteam Qualitätsingenieure (Produktqualität, Testanalyse und Materialingenieure) sowie Teams aus Produktion, Service und Logistik umfassen.

Jedes Teammitglied kann potenzielle Ausfallmodi in seinen spezifischen Fokusbereichen identifizieren. Sie können auch die von anderen Teams entdeckten Ausfallmodi überprüfen. Das gesamte Team sollte die Ursachen und Folgen jedes Ausfallmodus bewerten und Schweregrad-, Auftretens- und Erkennungsbewertungen evaluieren.

3. Alle möglichen Ausfallmodi identifizieren.

Bei der Identifizierung potenzieller Ausfallmodi ist es entscheidend zu verstehen, dass „Ausfall“ nicht immer Totalausfall bedeutet. Potenzielle Ausfälle umfassen:

• Intermittierende Ausfälle: Unregelmäßige, intermittierende oder anderweitig unvorhersehbare Ausfallmodi
• Funktionale Ausfälle: Ausfallmodi, die die primäre Funktion eines Assets hemmen, aber nicht vollständig beeinträchtigen
• Vollständige Ausfälle: Katastrophale Systemausfallmodi, die den Betrieb einstellen

Eine Vielzahl von Problemen kann zu jedem dieser Ausfälle führen. Deshalb ist Ihr nächster Schritt, die Grundursachen aller potenziellen Ausfallmodi zu bestimmen.

4. Die Grundursache(n) jedes Ausfallmodus identifizieren.

Bevor Sie zu Lösungen springen und sogar bevor Sie die verschiedenen von Ihrem Team entdeckten Ausfallmodi priorisieren, müssen Sie die Ausfallursachen verstehen. Grundursachen umfassen:

• Berechnungsfehler: Falsche Berechnungen während des Designprozesses können zu kaskadierenden Ausfällen in der Produktion führen.
• Umweltbedingte Ausfälle: Schwankungen in Temperatur, Luftfeuchtigkeit und anderen Umweltbedingungen können Designentscheidungen beeinflussen.
• Materialfehler: Falsche Materialauswahl kann zu potenziellen Risiken und Schäden in jedem Stadium des Fertigungs- und Montageprozesses führen.
• Testfehler: Unzureichende Tests in der Designphase können Probleme in jeder Phase des Produktlebenszyklus auslösen, einschließlich Produktsicherheit und Zuverlässigkeit.
• Degradationsausfälle: Konsistente Nutzung führt zu Asset-Degradation, was zu degradierten Ausfallmodi führen kann.
• Unbeabsichtigte Ausfälle: Wenn ein Asset aufgrund des Ausfalls eines anderen Teils oder Assets ausfällt, gilt dies als unbeabsichtigter Ausfall.

Ein Ausfall kann mehrere Grundursachen haben. Deshalb ist es essenziell, Ihr vollständiges funktionsübergreifendes Team in die Überprüfung und Bewertung aller potenziellen Ausfallmodi einzubeziehen.

5. Die Folgen jedes Ausfallmodus bestimmen.

Für effektives Risikomanagement ist es essenziell, eine vollständige Bewertung der Ausfallwirkungen durchzuführen. Sie müssen sowohl geringfügige Herausforderungen als auch kritische Probleme verstehen, was Ihnen ermöglicht, eine umfassende Risikominderungsstrategie zu erstellen.

Beispiele für potenzielle Folgen sind Schäden an Teilen, Assets, Produkten, Verpackungen, Einrichtungen oder der Arbeitssicherheit. Diese Folgen können von geringfügig (wie kostengünstige Reparatur oder Ersatz) bis schwerwiegend (wie katastrophale Sachschäden, schwere Verletzungen oder Todesfälle) reichen.

Sie benötigen eine umfassende Analyse aller potenziellen Folgen, da Sie diese Informationen verwenden, um Ausfallmodi zu bewerten und Lösungen zu priorisieren.

6. Schweregrad-, Auftretens- und Erkennungsbewertungen für jeden Ausfall zuweisen.

Beginnen Sie mit Schweregradbewertungen. Wenn dieser Ausfallmodus eintritt, wie schwerwiegend sind die Folgen? Berücksichtigen Sie Faktoren wie Geräteschäden, Sachschäden, finanzielle Verluste und Sicherheitsbedenken. Typischerweise bewerten Sie dies auf einer Skala von 1–10. Ein Schweregrad von 1 deutet auf ein geringfügiges Problem hin, während 10 am schwerwiegendsten ist.

Als Nächstes weisen Sie eine Auftretensbewertung zu. Dies misst die Wahrscheinlichkeit, dass jeder Ausfallmodus unter normalen Umständen eintritt. Auf einer Skala von 1–10 bedeutet 1, dass der Ausfall sehr unwahrscheinlich ist, während 10 bedeutet, dass der Ausfall fast sicher eintreten wird.

Schließlich bestimmen Sie die Erkennungsbewertung. Wenn dieser Ausfall eintritt, ist er leicht zu erkennen? Weisen Sie eine Erkennungsbewertung von 1 zu, wenn der Ausfall leicht zu erkennen ist, 10, wenn er extrem schwer zu erkennen ist, oder irgendwo dazwischen.

Für die genauesten Ergebnisse denken Sie daran, Ihr gesamtes Team in den Bewertungsprozess einzubeziehen. Zum Beispiel wird ein Produktmanager wahrscheinlich nicht die Einfachheit der Erkennung eines Geräteausfalls verstehen. Ebenso kann Ihr Lagermanager Verpackungsausfälle beobachten, aber möglicherweise nicht die Material- oder Designkompetenz haben, um eine Auftretensbewertung zuzuweisen.

7. Die Risikoprioritätszahl (RPN) identifizieren.

Wenn es 100 potenzielle Ausfallmodi über 27 Produkte gibt, ist es schwierig zu wissen, wo man anfangen soll. Welche Lösungen sind am wichtigsten, und wie bestimmen Sie die Reihenfolge der Wichtigkeit?

Die Antwort ist Ihre Risikoprioritätszahl (RPN). Anstatt zu versuchen, bei jedem Arbeitsbeginn das richtige Gleichgewicht aus Schweregrad, Auftreten und Erkennung zu berechnen, weisen Sie jedem potenziellen Ausfallmodus eine einzelne RPN zu.

Glücklicherweise ist es einfach, diese Bewertungen in Ihre RPN umzuwandeln, sobald Sie Bewertungen für Schweregrad, Auftreten und Erkennung zugewiesen haben.

RPN = Schweregradbewertung × Auftretensbewertung × Erkennungsbewertung

Ihre Hochrisiko-Ausfälle haben die höchsten RPNs, während Ihre niedrigeren Risiko-Ausfälle eine niedrigere RPN haben. Mit dieser Risikobewertungsstrategie beginnen Designteams mit der höchsten RPN und arbeiten sich nach unten vor.

8. Einen systematischen Ansatz mit einem Aktionsplan implementieren, um Ausfallrisiken zu reduzieren oder zu eliminieren.

Für jeden potenziellen Ausfallmodus identifizieren Sie einen geeigneten Aktionsplan mit konkreten, messbaren Korrekturmaßnahmen. Betrachten Sie Änderungen an Ihren bestehenden Präventionskontrollen (Mittel zur Verhinderung von Ausfällen) und Erkennungskontrollen (Mittel zur Erkennung von Ausfällen) sowie neue Handlungsschritte und Designprozesse zur Verbesserung der RPN.

Sie benötigen möglicherweise zusätzliche Werkzeuge und Ressourcen für neue Risikominderungs- und Korrekturschritte. Bewerten Sie budgetäre Bedürfnisse, Beschaffungsprozesse und andere wesentliche Komponenten des Erfolgs Ihres Aktionsplans.

9. Nach der Implementierung RPN neu bewerten und einen kontinuierlichen Verbesserungsansatz für DFMEA anwenden.

Der DFMEA-Prozess ist keine einmalige Lösung. Die Integration regelmäßiger Ausfallanalysen in Ihren Design- und Fertigungsprozess hilft, optimale Effizienz, regulatorische Compliance mit Branchenstandards, Qualitätskontrolle, Produktsicherheit und Kundenzufriedenheit zu gewährleisten.

Indem Sie routinemäßig Ausfallmodi identifizieren und einen systematischen Prozess zur Behebung von Problemen implementieren, helfen Sie, kostspielige Ausfälle zu reduzieren und zu verhindern. Wenn Sie DFMEA als iterativen Prozess angehen, verschieben Sie Ihren Ansatz von reaktiver Fehlersuche zu proaktiver, kontinuierlicher Verbesserung.

Ein Computerized Maintenance Management Program (CMMS) kann der Schlüssel zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und Verbesserung der RPN-Werte sein. Durch das Verfolgen von Assets und das Sammeln von Leistungsdaten wird Ihr Team gut gerüstet sein, um gründliche Geräteanalysen durchzuführen und die Leistung mit gezielter Wartung zu steigern.