Leitfaden für Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse (FMEA – Failure Mode and Effects Analysis)

In einem wettbewerbsorientierten Markt ist es von großer Bedeutung, Probleme und Anomalien frühzeitig zu erkennen. Kunden stellen hohe Erwartungen an Hersteller, und die Nichtbereitstellung von Qualität und Zuverlässigkeit kann teuer sein. Die 1950 entwickelte FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) ist eine der effektivsten Methoden, um das Ausfallrisiko zu verringern und eine hohe Qualität während des gesamten Fertigungsprozesses aufrechtzuerhalten. In diesem Artikel werden wir uns die FMEA genauer ansehen, die Typen behandeln, wie die FMEA durchgeführt wird und wann erforderliche Maßnahmen ergriffen werden müssen.

Was ist FMEA?

FMEA ist ein strukturierter, qualitativer Ansatz, der von Herstellern verwendet wird, um Risiken proaktiv zu erkennen, Ausfälle zu antizipieren und zu verstehen, wie sich diese Ausfälle auf die Produktleistung, Sicherheit oder Kundenerfahrung auswirken könnten. Anstatt darauf zu warten, dass Probleme im Fertigungsbereich oder vor Ort auftreten, können die Teams mit der FMEA ein Produkt oder einen Prozess Schritt für Schritt bewerten und aufdecken, wo und wie es zu einem Ausfall kommen kann – und wie schwerwiegend, häufig oder erkennbar diese Ausfälle sein könnten.

Die FMEA hebt potenzielle Probleme nicht nur hervor, sie beschreibt auch die möglichen Ursachen für jede Ausfallart und bewertet die Wahrscheinlichkeit jedes Auftretens. Auf diese Weise können Hersteller Risiken basierend auf ihren potenziellen Auswirkungen priorisieren und erforderliche Maßnahmen ergreifen, bevor Anomalien Kunden erreichen.

Durch die detaillierte Untersuchung von Entwürfen, Materialien, Prozessen und Workflows unterstützt FMEA fundiertere Entscheidungsfindung in Engineering-, Qualitäts- und Betriebsteams. Das Ergebnis sind zahlreiche messbare Vorteile: weniger Ausschuss, weniger Produktionsunterbrechungen, niedrigere Gewährleistungskosten, bessere Konformität mit Vorschriften, verbesserte Kundenzufriedenheit und letztlich bessere Gewinnmargen.

Schlüsselkomponenten von FMEA

1. Ausfallmodi

Dies sind die spezifischen Möglichkeiten, wie ein Produkt, eine Komponente oder ein Prozessschritt ausfallen könnte. Ein Ausfallmodus beschreibt, was schief gehen könnte, z. B. Materialanomalien, unsachgemäße Montage oder falsche Messungen.

2. Auswirkungen von Ausfällen 

Dadurch werden die Konsequenzen jedes Ausfallmodus erfasst. Die Auswirkungen können von geringfügigen Leistungsproblemen bis hin zu großen Sicherheitsrisiken oder einem vollständigen Systemausfall reichen. Wenn Teams die Auswirkungen verstehen, können sie beurteilen, wie schwerwiegend jedes potenzielle Problem ist.

3. Ursachen von Ausfällen 

Für jeden Ausfallmodus bestimmen die Teams die zugrunde liegenden Ursachen. Dazu können Konstruktionsfehler, unzureichende Steuerungen, Umgebungseinflüsse, Bedienerfehler oder Prozessschwankungen gehören.

4. Schwere der Auswirkungen (S) 

Die Schwere der Auswirkungen misst, wie schwerwiegend die Auswirkung sein würde, wenn der Ausfall auftreten würde. Sie wird in der Regel auf einer Skala (z. B. 1–10) bewertet, wobei höhere Zahlen auf schwerwiegendere Ergebnisse hinweisen.

5. Auftreten (A)

Das Auftreten gibt wieder, wie wahrscheinlich es ist, dass ein Ausfall auftritt. Diese Bewertung wird auch auf einer Skala eingestuft und basiert auf historischen Daten, Fachwissen oder Prozessfähigkeit.

6. Erkennung (E)

Die Erkennung zeigt an, wie wahrscheinlich es ist, dass der Ausfall erkannt wird, bevor der Kunde erreicht wird. Geringere Erkennungsfunktionen führen zu einem höheren Wert, was ein höheres Risiko signalisiert.

7. Risikoprioritätsnummer (RPN)

RPN wird durch Multiplikation der Werte für Schweregrad, Auftreten und Erkennung (RPN = S × A × E) berechnet. So können Teams priorisieren, welche Probleme zuerst berücksichtigt werden müssen. Bei einigen Methodiken wird die Aktionspriorität (AP) anstelle von RPN verwendet.

8. Empfohlene Maßnahmen 

Basierend auf den risikoreichsten Punkten entwickeln Teams Maßnahmen, um den Schweregrad zu verringern, die Wahrscheinlichkeit eines Auftretens zu verringern oder die Erkennung zu verbessern. Dazu können Umgestaltungen, Prozessanpassungen, verbesserte Steuerungen oder neue Prüfmethoden gehören.

9. Verantwortliche Parteien und Zieldaten

Für jede Aktion weisen die Teams Verantwortlichkeiten und Fristen zu, um die Ausführung und Verantwortlichkeit zu bestätigen.

10. Ergebnisse und Nachbereitung

Nach der Implementierung von Verbesserungen wird die FMEA mit neuen S-, A- und E-Punktzahlen aktualisiert. In diesem Schritt wird die Wirksamkeit der erforderlichen Maßnahmen überprüft und die FMEA als lebendiges Dokument aufbewahrt.

Anwendungen von FMEA

1. Entwicklung neuer Produkte und Prozesse

Wird während der Entwicklung und frühzeitigen Prozessplanung verwendet, um potenzielle Ausfälle zu erkennen, Konzepte zu verfeinern und zuverlässigere Produkte und Workflows zu entwickeln.

2. Verbesserung von Qualität und Zuverlässigkeit

Hilft Teams, Anomalien aufzudecken, Ausschuss und Nacharbeit zu reduzieren, Kontrollen zu stärken und die allgemeine Produktzuverlässigkeit zu erhöhen.

3. Sicherheit und Konformität mit Vorschriften

Unterstützt Sicherheitsbeurteilungen und Dokumentationen, die für Branchen mit strengen Normen erforderlich sind, um zu bestätigen, dass Risiken minimiert und die Compliance eingehalten wird.

4. Verbesserung der betrieblichen Effizienz

Leitet Strategien zur vorbeugenden und vorausschauenden Wartung und trägt gleichzeitig dazu bei, Ausfallzeiten zu reduzieren, die Anlagenleistung zu optimieren und die Anlagenlebensdauer zu verlängern.

5. Kontinuierliche Verbesserung und Veränderungsmanagement 

Fördert Lean/Six Sigma-Bemühungen und bietet eine strukturierte Möglichkeit, Risiken bei Produkt-, Material- oder Prozessänderungen zu bewerten.
 

DFMEA, PFMEA und FMECA

Um FMEA vollständig zu verstehen, ist es wichtig, die verschiedenen Typen zu verstehen. Für FMEA gibt es drei Hauptkategorien: FMEA, PFMEA, FMECA. In diesem Abschnitt werden wir jedes Thema ausführlicher behandeln.

Was ist DFMEA?

DFMEA (Design Failure Mode and Effects Analysis) untersucht die Möglichkeit produktspezifischer Fehlfunktionen, Produktlebensdauer und Sicherheitsbedenken hinsichtlich:

• Materialeigenschaften
• Geometrie
• Toleranzen
• Schnittstellen mit anderen Komponenten und/oder Systemen
• Engineering-Störungen: Umgebungen, Anwenderprofil, Verschlechterung, Systeminteraktionen

DFMEA hilft Ingenieuren, Probleme und Anomalien in Produkten frühzeitig zu erkennen, damit sie frühzeitig behoben werden können. Es wird in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, darunter Automobilindustrie, Software, Gesundheitswesen und mehr.

Was ist ein PFMEA?

PFMEA (Process Failure Mode and Effects Analysis) konzentriert sich auf die Erkennung von Ausfällen, die sich auf die Produktqualität auswirken, die Zuverlässigkeit bestimmter Prozesse verringern, zu Kundenunzufriedenheit führen oder zu Sicherheits- oder Umweltproblemen führen in Bezug auf:

• Menschliche Faktoren
• Methoden während der Verarbeitung
• Verwendetes Material
• Verwendete Maschinen
• Auswirkungen von Messsystemen auf die Akzeptanz
• Umgebungsfaktoren für die Prozessleistung

PFMEA führt hierzu eine detaillierte Analyse jedes Prozessschritts durch und bewertet ihn anhand von 10 Punkten. Sie werden nach Schweregrad, Auftreten, Erkennung und Risikoprioritätsnummer (RPN) bewertet.

Was ist ein FMECA?

FMECA (Failure Mode, Effects & Criticality Analysis; Analyse von Fehlerarten, Auswirkungen und Kritikalität) umfasst eine quantitative Ausfallanalyse, die eine Reihe von Verbindungen zwischen potenziellen Ausfällen, den Auswirkungen auf die Mission und der Ursache des Ausfalls schafft. Sie unterscheidet sich von FMEA, fällt jedoch immer noch in dieselbe Kategorie. Sie baut auf dem FMEA-Prozess auf, indem sie nicht nur potenzielle Ausfälle identifiziert, sondern diese auch durch eine Reihe von Maßnahmen untersucht und isoliert. Die von der FMECA ergriffene zusätzliche Kritikalitätsanalyse vergleicht die Ausfallwahrscheinlichkeit mit den Auswirkungen der Konsequenzen, sodass sich Hersteller auf die schwerwiegendsten Risiken konzentrieren können. Für diese Kritikalitätsanalyse ist eine FMEA erforderlich.

Wie wird die FMEA bewertet?

Wie bereits erwähnt, führt die FMEA eine detaillierte Analyse von Produkten und Prozessen durch und bewertet sie anhand von 10 Punkten hinsichtlich Schweregrad, Auftreten, Erkennung und Risikoprioritätsnummer (RPN). In diesem Abschnitt sehen wir uns diese Bewertung genauer an. Die FMEA wird in der Regel von 10, in einigen Fällen jedoch von 5 bewertet; je höher die Zahl, desto höher das Risiko,

Die FMEA wird anhand der folgenden Variablen bewertet:

• Schweregrad: Dies ist die Auswirkung des Ausfalls. In den meisten Fällen ist bei einem Schweregrad, der einen Wert von 8 überschreitet, eine Fehlerbaumanalyse erforderlich. Dies schätzt die Wahrscheinlichkeit des Ausfalls, indem es in Unterelemente unterteilt wird.
• Auftreten: Dies ist die Möglichkeit eines Ausfalls. Ein niedriger Wert könnte einen Ausfall darstellen, der alle 10 Jahre auftritt, während ein hoher Wert einen Ausfall bedeuten könnte, der so regelmäßig wie jede Stunde auftritt.
• Erkennung: Dies ist die Wahrscheinlichkeit, dass der Ausfall erkannt wird. Niedrige Werte bedeuten, dass die Wahrscheinlichkeit einer Erkennung hoch ist. Eine hohe Bewertung bedeutet, dass das Problem wahrscheinlich nicht erkannt wird.
• Risikoprioritätsnummer (RPN): Dies ist eine Berechnung aller oben genannten Punkte, um einem Ausfall eine Gesamtpunktzahl zu geben. In der Regel erfordert ein Fehler mit einer Bewertung von über 80 RPN eine Korrektur, was idealerweise zu einer niedrigeren RPN-Zahl führt.

Warum FMEA durchführen?

FMEA ist eine der zuverlässigsten Methoden, um Ausfälle früher zu erkennen. Historisch gesehen bedeutet die frühere Erkennung von Ausfällen, dass sie einfacher zu beheben sind und weniger Geld kosten. Die Bereitstellung eines FMEA-Systems bietet mehrere Vorteile:

• Erfasst das Wissen eines Teams
• Verbesserte Qualität, Zuverlässigkeit und Sicherheit von Prozessen
• Logischer, strukturierter Ansatz zur Erkennung von Ausfällen
• Verkürzt die Prozessentwicklungszeit
• Geringere Kosten
• Dokumentiert und verfolgt Maßnahmen zur Risikominderung
• Hilft bei der Identifizierung kritischer Qualitätsmerkmale
• Liefert historische Datensätze
• Höhere Kundenzufriedenheit und -sicherheit

Alle Vorteile der FMEA werden realisiert, da Unternehmen Ausfälle früher erkennen und basierend auf der Schwere des Problems erforderliche Maßnahmen ergreifen können.

Wann sollten Sie eine FMEA verwenden?

Jetzt, da Sie den Wert verstehen, ist es wichtig, auch zu wissen, wann es sinnvoll ist, eine Failure Mode and Effects Analysis (FMEA) durchzuführen. Sie sollten eine FMEA in Betracht ziehen, wenn:

• Sie ein neues Produkt, einen neuen Prozess oder eine neue Dienstleistung entwickeln
• Sie planen, einen bestehenden Prozess zu ändern
• Sie ein Qualitätsverbesserungsziel für einen Prozess haben
• Sie einen Ausfall verstehen und entsprechende Maßnahmen ergreifen müssen

Selbst wenn keine der oben genannten Aussagen zutrifft, wird empfohlen, während der gesamten Lebensdauer eines Prozesses gelegentlich eine FMEA durchzuführen. Die Qualität und Effizienz von Produkten und Prozessen sollte kontinuierlich überprüft werden, um optimale Ergebnisse und Kundenzufriedenheit zu erzielen.