FMEA/VMEA

FMEA

Die FMEA („Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse“, „Failure Mode and Effects Analysis“, „Auswirkungsanalyse“) ist eine Methode, mit der potentielle Fehler eines Produkts/ Prozessschrittes und deren Auswirkungen frühzeitig ermittelt werden.[1]  Sie wird in einem fachübergreifenden Team durchgeführt, um das gesamte Problemfeld vollständig von allen Seiten zu betrachten. Um erkannte Risiken zu minimieren werden Abgeleitete vorbeugende Maßnahmen eingesetzt. Die FMEA wird in der Planungsphase des Produkts, neuem Verfahren oder einer Organisationsveränderung bis zur laufenden Produktion eingesetzt.
Die Methode wird mit Hilfe eines Formblatts durchgeführt, in dem potentielle Fehler mit ihren Folgen und Ursachen, ihrer Risiko - Prioritätszahl (RPZ), den vorgesehenen Prüfmaßnahmen (Ist-Zustand) und den empfohlenen und letztlich getroffenen Abhilfemaßnahmen zusammengestellt werden. Besonders wichtig ist eine Risikobewertung mithilfe von Risiko-Prioritätszahlen, welche die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Fehlers, der Folgen und der Entdeckbarkeit abschätzen.

Ziele

  • Identifizierung kritischer Komponenten und Schwachstellen
  • Frühzeitiges Erkennen und Lokalisieren von möglichen Fehlern
  • Abschätzung, Quantifizierung und Reduzierung von Risiken
  • Verbesserte interne Kommunikation
  • Verringerung der Anzahl von Änderungen nach Serienanlauf [2] 

Nach Zielrichtung und Schwerpunkt werden folgende Arten von FMEA unterschieden:

  1. System-FMEA betrachtet die Zusammenwirkung der einzelnen Komponenten des Systems
  2. Konstruktions-FMEA betrachtet die Bauteile oder Baugruppen des Systems
  3. Prozess-FMEA betrachtet den Fertigungs- und Montageprozess.

Die Grenzen zwischen Arten von FMEA sind fließend. Der Ablauf ist aber bei allen 3 Arten gleich. [3] 

Vorgehensweise

  1. System/Prozess bestimmen. Das System/der Prozess besteht aus Elementen, die zur Beschreibung und Gliederung des Systems/des Prozesses dienen. Für das System/den Prozess müssen die Lebenszyklen festgelegt werden, die analysiert werden sollen, z. B. Betrieb der Anlage, Wartung der Anlage, Reparatur.
  2. Funktionen darstellen. System- und Prozesselemente haben unterschiedliche Funktionen oder Aufgaben im System. Die Funktionen und Aufgaben müssen für jedes Element festgelegt werden. Das Zusammenwirken der Funktionen wird Funktionsstruktur genannt, die sich in Funktionsbäumen oder Funktionsblockdiagrammen darstellen lässt.
  3. Fehler Analysieren. Für jedes System oder jeden Prozess und die Elemente und Funktionen muss eine Fehler- oder Gefahrenanalyse durchgeführt werden. Die potenziellen Fehler und Gefahren sind aus den Funktionen abgeleitete Fehlfunktionen. Die möglichen Fehler- oder Gefahrenursachen sind denkbare Fehlfunktionen untergeordneter Elemente. Die Folge der Fehler und Gefahren sind Fehlfunktionen übergeordneter Elemente.
  4. Risiko bewerten. Für die Risikobewertung werden die Bewertungszahlen A, B und E festgelegt und daraus die Risikoprioritätszahl (RPZ) errechnet. A = Bewertungszahl für die Auftretenswahrscheinlichkeit der Fehlerursache, B = Bewertungszahl für die Bedeutung der Fehlerfolge, E = Bewertungszahl für die Entdeckungswahrscheinlichkeit der aufgetretenen Fehlerursache.
  5. Maßnahmen festlegen und Zustand verbessern. Bei hohen RPZ oder hohen Bewertungszahlen A, B und E muss der Zustand nach folgenden Prioritäten verbessert werden:
  • Konzeptänderung, um die Fehlerursache auszuschließen oder die Bedeutung zu reduzieren
  • Erhöhung der Konzeptzuverlässigkeit, um das Auftreten der Fehlerursache zu minimieren
  • Wirksamere Entdeckung der Fehlerursachen (zusätzliches Prüfen möglichst vermeiden)

Zur Minimierung des Risikos werden die zusätzlichen Maßnahmen beschrieben und für die Umsetzung jeweils ein Verantwortlicher mit Termin für die Erledigung benannt. Nach Optimierung werden bei Konzeptänderungen alle fünf Schritte der FMEA neu durchlaufen. Bei Zuverlässigkeitserhöhungen durch Vermeidungsmaßnahmen oder wirksamerer Entdeckung werden die Schritte 4 und 5 wiederholt. [4] 

Durchführung der Analyse

Innerhalb eines Teams werden anhand eines Formblattes mögliche potentielle Fehler festgelegt. Danach werden ihre Folgen untersucht sowie die Ursachen festgestellt und bewertet. Anschließend werden die Fehlerursachen hinsichtlich der Auftretenswahrscheinlichkeit A, der Bedeutung für den Kunden B und der Entdeckungswahrscheinlichkeit E bewertet, wobei für jedes Kriterium ein Wert zwischen 1 und 10 einzutragen ist.
Aus der Multiplikation dieser drei Größen wird die Risikoprioritätszahl RPZ errechnet. Die Risikoprioritätszahl (RPZ) bezeichnet die Größe des Risikos einer Fehler-Folge-Ursachen-Kette. Je größer die RPZ, desto größer ist das Risiko, welches die Teilnehmer der FMEA-Sitzung dieser Kette beimessen.
RPZ kann einen Wert von 1 bis 1000 annehmen.
RPZ = A *B *E
Risikoprioritätszahl RPZ kann man folgenderweise interpretieren:
RPZ < 100: in Ordnung, wenn das Team auch die Einzelwertung durch die Risikozahl akzeptiert
100 < RPZ < 200: Entscheidung im Ermessen des Teams, wird mit Begründung im Formblatt notiert
RPZ > 200: Maßnahmen erforderlich

Potentielle Fehlerursachen

Typische Fehler Typische Fehlerfolgen Typische Fehlerursachen

Ermüdung
Gebrochen
Deformiert
Verschlissen (frühzeitig)
Korrodiert
Klemmt
Gefressen
Verbeult
Lose
Undicht
Verbrannt
Eingefallen
Leistungsabfall
Abgezogen
Kurzschluß
Hoher Widerstand
Unterbrechung (elektrisch)
Farbunterschied
Durchhängen
Fluchtungsfehler
Schmutz-/Wassereintritt
Vibration

Geräusche
Unregelmäßige Funktion
Keine Funktion
Unstabil
Zeitweilig unterbrochen
Fahrzeug außer Kontrolle
(unsicher)
Raue Fahreigenschaft
Übermäßiger Kraftaufwand
erforderlich
Geruch
Funktion beeinträchtigt
Luftzug
Schlechtes Aussehen

Falsches Material benutzt
Vor Montage bereits korrodiert
Montagefehler
Falsches Drehmoment
Unzureichende Schmierung
Falsche Warmbehandlung
Materialverunreinigung
Werkzeugmarkierungen
Verformungsrisse
Oberflächenbehandlung
Falsche Materialdicke
Schlechte Schweißung
Dimension entspricht nicht der
Zeichnung
Überdehnt
Überbeansprucht
Unzureichende Wartung
Beschädigung in der Produktion
Fehlt
Fluchtungsfehler
Exzentrisch / Unwucht
Falsche Materialstruktur

Tabelle: Potentielle Fehlerursachen[5] 

Ablaufplan für die FMEA


Ablaufplan für die FMEA [6] 

Bewertung der RPZ-Größen

Auftrittswahrscheinlichkeit (A) Bedeutung (B) Entdeckung (E)

Sehr unwahrscheinlich, tritt fast nie auf =1
Sehr gering, Fehler tritt selten auf = 2-3
Gelegentlich auftretende Fehlerursache = 4-6
Fehlerursache tritt wiederholt auf, problematisch = 7-8
Sehr häufiges Auftreten der Fehlerursache = 9-10

Geringe Bedeutung, nur vom Fachpersonal erkennbar=1
Sehr geringe Bedeutung, der Kunde wird den Fehler nicht bemerken = 2-3
Der Kunde fühlt sich gestört, vorzugsweise optische oder
geringe funktionelle Beeinträchtigungen = 4-6
Schwerer Fehler,
Kundenverärgerung = 7-8
Äußerst schwerwiegender
Nichterfüllung gesetzlicher Vorschriften, Sicherheitsrisiko = 9-10

Fehler wird sicherlich entdeckt =1
Hohe Wahrscheinlichkeit der Fehlerentdeckung = 2-3
Fehlen werden überwiegend entdeckt, regelmäßige Stichprobenprüfung = 4-6
Fehler wird nicht entdeckt, unregelmäßige Stichprobenprüfung = 7-8
Entdecken der Fehlerursache ist unwahrscheinlich = 9-10

Tabelle: Bewertung der RPZ-Größen[7] 

Vorteile

  • Bereichsübergreifende Zusammenarbeit in einem Unternehmen wird zum früheren Zeitpunkt gefordert
  • Systematischer Übersicht über alle Fehlerfälle, deren Ursachen und Auswirkungen der Fehler
  • Auswertbarer Erkenntniszuwachs hinsichtlich qualitätssichernder Maßnahmen
  • Die Anzahl von Fehler in der frühen Phasen der Produktentstehung wird reduziert
  • Bessere Produkt- und Prozessqualität
  • Ergebnisse von FMEA (Fehlerfälle) können als Eingangsdaten für andere Verfahren genutzt werden (Fehlerbäume)

Nachteile

  • Zeitaufwendig und teuer
  • Gemeinsame Betrachtung der Arten von FMEA, weil sie einander beeinflussen
  • Nur einzelne Fehler werden erkannt, keine mehrfache Fehler (Common Mode Fehler)
  • Viele Formblätter werden benutzt (Bürokratismus)
  • Entsprechende Schulung und Motivation der Mitarbeiter erforderlich
  • Kosten/Nutzen sind schwer abzuschätzen [8] 

VMEA

Die VMEA ("Variant Mode and Effects Analysis") ist eine systematische Vorgehensweise, die sowohl die technische als auch die kostenmäßige Beherrschung der Variantenvielfalt sicherstellt. Wichtig ist die frühzeitige Einbindung der relevanten Unternehmensbereiche Produktprogrammplanung, Produktentwicklung, Produktion und Vertrieb und die interdisziplinäre Zusammenarbeit. [9] 

Hauptprinzip

Die Methode zielt darauf ab, vom Kunden nicht wahrgenommene Varianz in Produkten zu eliminieren und dadurch Kostensenkungspotentiale zu erschliessen. Insbesondere werden die Einflüsse der Varianz bereits konstruktionsbegleitend erfasst und kostenmässig bewertet. Dies ermöglicht die Auswahl kostengüngstiger Konstruktionsalternativen zur Erreichung der gewünschten Vielfalt[10] 

Darstellung

Für die einfache Anwendung sowie die Implementierung der VMEA wurde der Variantenbaum zur Abbildung der Produktstruktur konzipiert. Er visualisiert die notwendigen Informationen über die Ursachen und Anzahl der Varianten der Baugruppe, indem er die Varianten und Teilevielfalt auf der horizontalen und die Montagereihenfolge auf der vertikalen Achse darstellt.
Dieses Instrument ermöglicht eine strukturierte und transparente Abbildung der aktuellen Variantenvielfalt eines Produktprogramms. Man erhält so die Möglichkeit, Varianten zu reduzieren und trotzdem auf spezielle Kundenwünsche einzugehen.

Variantenbaum
Methoden und Hilfsmittel zum Variantenmangement [11] 

Vorgehensweise

  1. Marktorientierte Ermittlung und Gestaltung der Produktfunktionen
    1. Definition von Merkmalen und Ausprägungen. Die Produktplanung beinhaltet die Festlegung von Kundenfunktionen, gesetzlichen Anforderungen und variantenerzeugenden Eigenschaften einer Baureihe sowie die angebotene Kombinatorik dieser Funktionen und Eigenschaften. Für den Betrachtungsumfang werden alle Merkmale, wie Lenkseite (rechts oder links), Karosserieform, Farbe usw. erfasst. Jedes Merkmal ist der Oberbegriff für zwei oder mehrere Ausprägungen. Die Merkmale und Ausprägungen werden in der Merkmals-/Ausprägungsmatrix aufgenommen, anhand derer die Produktfunktionen eindeutig beschrieben werden.
    2. Festlegung der Funktionskombinatorik. Da die Ausprägungen in der Regel nicht frei kombinierbar sind, müssen aus technischen und marktseitigen Gründen zur Einschränkung der Kombinationsmöglichkeiten Kombinationszwänge und -verbote definiert werden. Diese werden in der Kombinationsmatrix dargestellt.
    3. Definition der Funktionsbauteile. In der Produktentwicklung werden die Funktionen des Lastenheftes durch geeignete Bauteile konstruktiv realisiert. Die Bauteile werden sodann klassifiziert und hinsichtlich ihrer Teileverwendung beschrieben. Es werden Standardteile, Zusatzteile, Ersatzvariantenteile und Zusatzersatzvariantenteile unterschieden. Die Teileverwendung wird mit Hilfe der Ausprägungen aus der Produktplanung eindeutig beschrieben. Dadurch wird eine unverwechselbare Verknüpfung von Bauteilen und Funktionen hergestellt. Die Montagereihenfolge wird in Abstimmung mit der Produktion festgelegt und durch die Reihenfolge der Bauteile dokumentiert. Durch die Ablage der Funktionsbauteile gemäß dem Montageablauf wird zudem die Variantenzahl pro Montagestufe ausgewiesen.
  2. Planspiel – Ableiten von Gestaltungsalternativen. Durch Planspiele wird der ermittelte Plan-Zustand in einen optimierten Soll-Zustand überführt. Der Soll-Zustand beschreibt den tatsächlichen zu produzierenden Umfang an Varianten und enthält somit die Zielgröße für die Varianten- und Teilevielfalt. Es wird grundsätzlich zwischen Planspielen auf Funktions- und Bauteileebene unter-chieden: Planspiele auf Funktionsebene dienen dazu, die Kundenrelevanz jeder Ausprägung hinsichtlich des Kundennutzens und der Verkaufszahlen zu prüfen. Ziel ist es, die Anzahl der Ausprägungen zu reduzieren, und zwar durch Eliminieren oder Integrieren in den Standardumfang. Auf Bauteileebene besteht die Möglichkeit, mittels Planspielen die Änderung der Teileverwendung, das Einfügen oder Eliminieren von Bauteilen wie auch die Bildung von Standard- oder Integralbauteilen sowie die Optimierung der Montagereihenfolge durchzuführen.
  3. Bewerten der alternativen Lösungen. Neben der technischen Realisierbarkeit von Gestaltungsalternativen müssen die Mehr- bzw. Minderkosten gegeneinander abgewogen werden. Mehrkosten entstehen z.B. durch Verwendung von multifunktionalen Bauteilen. Dies bedeutet höhere Entwicklungs- und Fertigungskosten, die allerdings z.T. durch Volumeneffekte kompensiert werden können. Kosteneinsparungen können insbesondere bei den varianten-abhängigen Kosten (Komplexitätskosten) ausgemacht werden. Zur vergleichenden Bewertung planspielerisch ermittelter Gestaltungsszenarien kann die ressourcenorientierte Prozesskostenrechnung (RPK) eingesetzt werden. Dies ermöglicht es, den variantenabhängigen Wertverzehr aller Unternehmensressourcen zu berücksichtigen. [12] 

Regelkreis des Variantenmanagements [13] 

 

Quellennachweise

1.  FMEA http://www.meistersite.de/pdfs/methodenkoffer/FMEA.pdf Stand: 12.04.2012 [↑]

2.  FMEA http://gina.ikmfbs.ing.tu-bs.de/Methoden/Uploads/FMEA.pdf Stand:12.04.2012 [↑]

3.  FMEA http://www.meistersite.de/pdfs/methodenkoffer/FMEA.pdf Stand: 12.04.2012 [↑]

4.  FMEA http://www.riedel-doku.de/images/download/FMEA%20Vorgehen%20_%20DE.pdf Stand:17.04.2012 [↑]

5.  FMEA http://gina.ikmfbs.ing.tu-bs.de/Methoden/Uploads/FMEA.pdf Stand:12.04.2012 [↑]

6.  FMEA http://gina.ikmfbs.ing.tu-bs.de/Methoden/Uploads/FMEA.pdf Stand:12.04.2012 [↑]

7.  FMEA http://gina.ikmfbs.ing.tu-bs.de/Methoden/Uploads/FMEA.pdf Stand:12.04.2012 [↑]

8.  FMEA http://umsetzer.com/fileadmin/download/weiterfuehrendes/Failure_Mode_and_Effects_Analysis.pdf Stand: 12.04.2012 [↑]

9.  Eversheim, W.; Schuh, G.; Caesar, C.: Konventionelle Kostenkalkulation verursacht Varianten, VDI-Z 131, 1989, Nr.2, S.59 [↑]

10.  Vgl. Meyer, Lehnerd(1997), S.13-15 [↑]

11.  Produktionsmanagement http://www.wzl.rwth-aachen.de/de/080d8d8c949a1ac0c1256f190035d886/pm_i_v4.pdf Stand: 23.05.2012 [↑]

12.  Eversheim, W.; Schuh, G.; Caesar, C.: Konventionelle Kostenkalkulation verursacht Varianten, VDI-Z 131, 1989 [↑]

13.  VMEA http://www.transmechatronic.de/methoden/variantenplanung/ Stand 23.05.2012 [↑]