PS Qualitätsmanagement FMEA Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse Harald Panhofer
1 Einleitung 1 1 Einleitung Die Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (englisch: Failure Mode and Effects Analysis) ist eine Methode, die sich mit der Erkennung und Behandlung von potentiellen Fehlern beschäftigt. Im Rahmen des Qualitätsmanagements wird die FMEA verwendet, um das entstehende Risiko durch das Auftreten von Fehlern zu minimieren. Dabei werden potentielle Fehler in Systemen, Konstruktionen und Prozessen analysiert und Maßnahmen definiert, um diese so früh wie möglich zu entdecken. Der Zusammenhang zwischen den Kosten für die Beseitigung von Fehlern und dem Zeitpunkt der Entdeckung ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Zehnerregel 1 besagt, dass sich die Kosten von einem Prozessschritt zum nächsten verzehnfachen. Aus diesem Grund folgt die FMEA der Idee einer präventiven Fehlerverhütung anstelle einer nachträglichen Erkennung bzw. Korrektur. Fehlerermittlung/ Fehlervermeidung Entdeckung vor Auslieferung Entdeckung/ Beseitigung beim Kunden > 100 0,10 1 10 Kosten/Fehler Produktplanung Produktbewertung Produktanalyse Beschaffung/ Fertigungung Nutzung Hersteller Kunde Abbildung 1: Die Zehnerregel der Fehlerkosten (Quelle: Tietjen, Seite 41) Zur Erreichung dieser Zielsetzung ist es sinnvoll geeignete Maßnahmen bereits in den frühen Phasen des Produktentstehungsprozesses zu setzen. Im Rahmen von Entwicklung, Konstruktion und Planung wird vor allem bei Neuentwicklungen von Produkten, Sicherheitsteilen oder neuen Fertigungsverfahren bzw. Änderungen von Prozessen besonderes Augenmerk auf die Entstehung und Vermeidung von Fehlern gelegt. 2 1 Vgl. Tietjen(2003), Seite 41 2 Vgl. Kaminske(2006), Seite 73
2 Arten der FMEA 2 2 Arten der FMEA Abhängig von den unterschiedlichen Hierarchieebenen der Anwendung erfolgt eine Einteilung der FMEA in drei Arten. Die klassische Unterscheidung geht von einer System-FMEA, einer Konstruktions-FMEA und einer Prozess-FMEA aus. Die Erkenntnisse aus der Untersuchung auf Systemebene dienen als Basis der Konstruktions-FMEA, deren Ergebnisse wiederum in die Betrachtungen auf Prozessebene einfließen. In der Folge von Ursache und Wirkung gibt es bei den unterschiedlichen FMEA Arten eine hierarchische Verschiebung, bei der die Fehlerursache zur Fehlerart und die Fehlerart zur Fehlerauswirkung in der nachfolgenden Untersuchung wird. 3 2.1 System-FMEA Die Betrachtungen auf Systemebene werden in den frühen Phasen der Produktentwicklung durchgeführt, um innerhalb der Produktkonzeption mögliche Fehler oder Schwachstellen zu identifizieren und das Zusammenwirken der Systemkomponenten zu gewährleisten. Die Untersuchungen basieren dabei auf Funktionsdiagrammen, Konzeptentwürfen oder Schaltplänen. Mit Hilfe der System-FMEA wird das Verhalten eines Systems aufgrund möglicher Fehlfunktionen einzelner Systemkomponenten ermittelt. Das Hauptaugenmerk liegt dabei in der Gewährleistung der Systemsicherheit, der Zuverlässigkeit und der Einhaltung von gesetzlichen Vorschriften. 4 Aufgrund von Erfahrungen aus der Anwendung in der Automobilindustrie wurde die FMEA weiterentwickelt. Die Konstruktions-FMEA wurde in Richtung System FMEA-Produkt erweitert, um Fehler auf Bauteilebene im Zusammenhang sämtlicher Bauteile eines Produktes zu betrachten. Die System FMEA-Prozess, als Weiterentwicklung der Prozess-FMEA, behandelt die Analyse des gesamten Prozesses anstelle möglicher Fehler in Teilprozessen. 2.2 Konstruktions-FMEA Im Zuge der Konstruktions-FMEA werden einzelne Produkte oder Bauteile auf potentielle Schwachstellen in der Gestaltung oder Auslegung analysiert. Die Untersuchungen zur Vermeidung von Entwicklungsfehlern bzw. konstruktiv beeinflussbaren Prozessfehlern basieren auf Stücklisten und Konstruktionszeichnungen. Das Ziel der Analyse ist ein aus konstruktiver Sicht einwandfreier Entwurf, bei dem alle denkbaren Fehler berücksichtigt wurden und deren Eintreten durch geeignete Maßnahmen verhindert wird. Das Ergebnis der Konstruktions- FMEA sollte ein fehlerfreies Produkt sein. 5 3 Vgl. Tietjen(2003), Seite 19 4 Vgl. Tietjen(2003), Seite 27 5 Vgl. Tietjen(2003), Seite 26
2 Arten der FMEA 3 2.3 Prozess-FMEA Basierend auf den Ergebnissen der Konstruktions-FMEA wird versucht prozessbedingte Fehler zu eliminieren. Im Rahmen der Prozess-FMEA sind Eignung, Sicherheit des Herstellungsverfahrens, Qualitätsfähigkeit und Prozessstabilität zu betrachten. Mögliche Untersuchungsgegenstände können sämtliche Produktionsprozesse und innerbetriebliche Abläufe sein. Im Fokus der Untersuchungen stehen Fertigungsprozesse, es ist jedoch möglich auch andere Prozesse wie Montage, Lagerhaltung oder Versand zu analysieren. 6 Fehlerfolge Fehlerart Fehlerursache System-FMEA Motor startet nicht Anlasser defekt Ankerwelle gebrochen Konstruktions- FMEA Anlasser defekt Ankerwelle gebrochen Zu hohe Pressung/ Einschnürung der Welle Prozess-FMEA Ankerwelle gebrochen Zu hohe Pressung/ Einschnürung der Welle Fertigungstoleranzen, Fügeart, etc. Tabelle 1: Zusammenhang von FMEA-Arten (Quelle: Tietjen, Seite 26) Der Zusammenhang der einzelnen FMEA-Arten am Beispiel eines Anlassers für ein Kraftfahrzeug ist in Tabelle 1 dargestellt. Die Beziehungen von Ursache und Wirkung der einzelnen FMEA-Arten werden dadurch verdeutlicht. Die Fehlerursache Ankerwelle gebrochen der System-FMEA wird zur Fehlerart der Konstruktions-FMEA und bildet als Fehlerfolge den Ausgangspunkt der Untersuchungen auf der Prozessebene. Mit fortschreitender Produktentwicklung geht die System-FMEA in die Konstruktions-FMEA und Schließlich in die Prozess- FMEA über. In der Praxis hat sich jedoch die klare Trennung in die drei Bereiche System, Konstruktion und Prozess als nicht sinnvoll erwiesen, da Produkte und Prozesse sehr komplex sein können und die Fehlerbeseitigung in einem Bereich neue Fehler in anderen Bereichen zur Folge haben kann. Die Einhaltung der Reihenfolge der Untersuchungen bedingt, dass die Auswirkungen von übersehenen Fehlerquellen während des Konstruktionsprozesses nicht mehr in die System- FMEA einfließen können. Erst eine spätere Prozess-FMEA würde die eigentliche Fehlerquelle aufdecken. Diese Probleme werden mit dem Ansatz der System FMEA-Produkt und System FMEA-Prozess vermieden, da ein System betrachtet wird, welches ein entweder ein Produkt oder ein Prozess sein kann. 6 Vgl. Tietjen(2003), Seite 26
3 Durchführung der FMEA 4 3 Durchführung der FMEA Zur Erstellung einer FMEA wird ein FMEA-Team gebildet, das aus Mitarbeitern aller betroffenen Abteilungen besteht, um eine gemeinsame Betrachtung aus unterschiedlichen Blickwinkeln zu gewährleisten. Eine wichtige Rolle spielt in diesem Prozess der Moderator bzw. Teamleiter, der alle Ergebnisse zusammenführen und dokumentieren muss. Anhand eines FMEA-Formblatts soll das Team folgende Fragen beantworteten: 7 Wo könnte ein Fehler auftreten? Wie würde sich der Fehler äußern bzw. wie tritt der Fehler auf? Was für eine Fehlerfolge könnte sich einstellen? Warum kann der Fehler/ die Fehlerfolge auftreten? Die Durchführung der FMEA folgt einer vorgegebenen Systematik, bei der die Ergebnisse in schriftlicher Form festgehalten werden. Das verwendete Schema kann in vier Blöcke unterteilt werden: Fehleranalyse, Risikobeurteilung, Maßnahmenvorschläge und Ergebnisbeurteilung. Die einzelnen Abläufe sind folgende: 8 Systembeschreibung Im ersten Schritt erfolgt die Abgrenzung und Beschreibung des Systems sowie aller Abläufe. Es kommt zu einer Gliederung in einzelne Systemelemente (Systeme, Baugruppen und Bauteile) und der Festlegung der einzelnen Schnittstellen zwischen den Elementen. Fehleranalyse Bei der Fehleranalyse werden den einzelnen Systemelementen potentielle Fehler zugeordnet, die als Einschränkung oder Nichterfüllung von Systemfunktionen definiert sind. Bei der Aufnahme der Fehler kommt es vor allem auf die Behandlung aller vorstellbaren Fehlerarten und nicht deren Auftrittswahrscheinlichkeit an. Jeder identifizierte Fehler wird auf seine Auswirkung auf angrenzenden Systemelemente bzw. das Gesamtsystem untersucht. Das wichtigste Ergebnis der Analyse der Fehlerfolge ist die Auswirkung des Fehlers auf den Endbenutzer des Produktes. Im letzten Schritt der Analyse werden alle denkbaren Ursachen, die zu dem beschriebenen Fehler führen können dokumentiert. Anschließend werden Maßnahmen zur Vermeidung bzw. Entdeckung der einzelnen Fehler und deren Ursachen aufgelistet. 7 Vgl. Tietjen(2003), Seite 24 8 Vgl. Kaminske(2006), Seite 75
3 Durchführung der FMEA 5 Risikobeurteilung Bei der Risikobeurteilung werden die Wahrscheinlichkeit des Auftretens(A), die Bedeutung der Folgen(B) und die Wahrscheinlichkeit der Entdeckung(E) der einzelnen Fehler ermittelt. Diese Bewertung der Fehler wird mit Hilfe der Risikoprioritätszahl RPZ berechnet: 9 Risikoprioritätszahl RPZ = Wahrscheinlichkeit des Auftretens x Bedeutung der Folgen x Wahrscheinlichkeit der Entdeckung Zur Risikobeurteilung der jeweiligen Punkte dient eine Skala von 1(kein Risiko) bis 10 (hohes Risiko), aus denen die Risikoprioritätszahl RPZ berechnet wird. Der Wertebereich, der als Rangfolge für eventuelle Gegenmaßnahmen dient, liegt dadurch zwischen 1 und 1000. Übersteigt die Risikoprioritätszahl einen vorgegebenen Wert (RPZ >125) sollten Verbesserungsmaßnahmen getätigt werden. Zuständigkeit Konstruktionskomponente Prozessablauf Systemkomponente Nr. Mögliche Fehler Derzeitiger Zustand Empfohlene Verantwort- Verbesserter Zustand Abstellmaß- lichkeit Nahmen Art Auswirkung Ursache A B E RPZ Aktivität Kontrollmaßnahmen Getroffene Maßnahmen A B E RPZ Wahrscheinlichkeit des Auftretens des Fehlers (Fehler kann vorkommen) unwahrscheinlich = 1 sehr gering = 2 3 gering = 4 6 mäßig = 7 8 hoch = 9 10 Bedeutung des Fehlers (Auswirkungen auf den Kunden) kaum wahrnehmbare Auswirkungen = 1 unbedeutender Fehler, geringe Belästigung des Kunden = 2 3 mäßig schwerer Fehler = 4 6 schwerer Fehler, Verärgerung des Kunden = 7 8 äußerst schwerwiegender Fehler = 9 10 Wahrscheinlichkeit der Entdeckung des Fehlers (vor Auslieferung an den Kunden) hoch = 1 mäßig = 2 3 gering = 4 6 sehr gering = 7 8 unwahrscheinlich = 9 10 Tabelle 2: FMEA-Formblatt (Quelle: Kamiske, Seite 74) Risikominimierung Maßnahmen zur Verringerung der Risikoprioritätszahl sollten auf Fehlervermeidung statt auf Fehlerendeckung zielen. Die Optimierungsreihenfolge sollte gemäß dem Pareto-Prinzip erfolgen, welches besagt, dass man mit der Lösung von 20% der Probleme bereits 80% des Erfolgs erzielen kann. Mit der Reihung der einzelnen Fehlermöglichkeiten können vorhandene Ressourcen optimal eingesetzt werden. 10 9 Vgl. Kaminske(2006), Seite 75 10 Vgl. Eversheim(2000), Seite 99
3 Durchführung der FMEA 6 Ergebniskontrolle- und Beurteilung Die Bewertung der Wirksamkeit der einzelnen Maßnahmen zur Verringerung von Fehlern erfolgt mit Hilfe einer weiteren Risikobeurteilung. Die Risikoprioritätszahl vor der Verbesserung wird danach mit der Risikoprioritätszahl des verbesserten Systems verglichen. Am Ende der Durchführung werden die ausgefüllten FMEA-Formblätter zu Dokumentationszecken archiviert, um jederzeit Zugriff auf die Ergebnisse der Untersuchungen zu haben und das Wissen im Unternehmen weitergeben zu können. Ein Beispiel für ein FMEA-Formblatt ist in Tabelle 2 dargestellt. Literatur EVERSHEIM, Walter: Qualitätsmanagement für Dienstleister, Verlag Springer Berlin, 2000 KAMISKE, Gerd F.; Brauer, Jörg-Peter: Qualitätsmanagement von A bis Z, Verlag Hanser München, 2006 TIETJEN, Thorsten; Müller, Dieter H.: FMEA Praxis, Verlag Hanser München, 2003