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Methoden - Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse (FMEA)

Grundlagen der Fehlermöglichkeits- und Einfluss-Analyse

Design-FMEA- und Prozess-FMEA im Modell

Ursprünglich für Zulieferer erstellt, hat die Fehlermöglichkeits- und Einfluss-Analyse (FMEA) ihre Wurzeln in der US-amerikanischen Militärnorm MIL-P-1629. In den 60er Jahren wurde das FMEA-Konzept von der NASA für das Apollo Programm übernommen, danach von der Automobilindustrie. Zunächst bei der Ford Motor Company eingesetzt, verbreitete sich das Konzept schnell in der gesamten Branche. In den USA führte die Automotive Industry Action Group (AIAG) die „Failure Mode and Effects Analysis“ ein, in der deutschen Autoindustrie gilt die Richtlinie „VDA Band 4“.

Kontinuität der FMEA wichtiger als gewählte Norm

Heute gibt es mehrere Normen für FMEA. Hier sind zu nennen: die Deutsche Gesellschaft für Qualität DGQ Band 13-11, die SAE J1739 für die Automobilbranche und auch die International Electrotechnical Commission IEC 60812 für die Elektronikbranche. Trotz existierender Normen müssen einzelne Unternehmen nicht zwingend einer bestimmten Norm folgen. Viele Firmen entwerfen ihr eigenes FMEA-Formblatt und eigene Bewertungskriterien. In der Regel sollten diese Eigenlösungen ähnlich sein und vor allem kontinuierlich angewendet werden.

Grundprinzip einer FMEA

Es gibt grundsätzlich zwei Arten der FMEA. Die Design-FMEA (DFMEA), auch als Produkt-FMEA bezeichnet, und die Prozess-FMEA (PFMEA). Andere existierende Varianten leiten sich aus diesen beiden Arten ab. Die DFMEA wird für die Entwicklung eines neuen Produktes verwendet. Zum Beispiel für die Entwicklung eines Kühlschranks oder eines Motors. Die PFMEA analysiert den Herstellungsprozess. Zum Beispiel die Fertigung oder Montage eines Kühlschranks oder Motors. Werden ganze Produkt- oder Prozessstrukturen betrachtet, spricht man von einer System-FMEA.

Entwicklung einer spezifischen FMEA

Das Ziel der FMEA ist, mögliche Fehler zu vermeiden bevor sie auftreten können. Eine späte Erkennung von Fehlern im Entwicklungs- oder Herstellungsprozess führt in der Regel zu höheren Kosten und zu unzufriedenen Kunden.

  • 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?

FMEA-Formblatt als Instrument

Um diese Fragen zu beantworten, dient das FMEA-Formblatt als Hilfsmittel. Jedoch kann das Formblatt nicht allein die Fragen beantworten. Dafür ist ein Team, bestehend aus einem Querschnitt der in die Aufgabenstellung einbezogenen Fachexperten, nötig. Das Team wird in der Regel von einem FMEA-Moderator begleitet. Dieser Moderator ist nicht der Fachexperte und auch nicht der Verantwortliche. Er sollte aber mit der FMEA-Methodik gut vertraut sein und sicherstellen, dass die einzelnen Schritte der Analyse von dem Team eingehalten und durchgeführt werden.

Das Erstellen einer FMEA ist keine einmalige Aktivität. Eine FMEA begleitet ständig die Entwicklung von Produkten oder die Gestaltung von Prozessen. Auch die FMEAs für laufende Produkte oder Prozesse sollten aktualisiert werden, um zum Beispiel bei Änderungen oder Kundenreklamationen frühzeitig mit Maßnahmen möglichen Fehlern entgegensteuern zu können.

Design-FMEA

Bei dem Ansatz der AIAG zur DFMEA sollte man zunächst die Systemgrenzen definieren. Diese Grenzen legen fest, was in der DFMEA zu betrachten und was auszuschließen ist. Zum Beispiel wird ein Getriebehersteller seine Getriebe in der DFMEA berücksichtigen aber nicht den Roboter des Kunden in dem das Getriebe eingesetzt wird. Für das Herausarbeiten der Grenzen gibt es Werkzeuge wie das Boundary-Diagramm und das Parameter-Diagramm (P-Diagramm). Weiterhin sind Technische Zeichnungen, Stücklisten und Flussdiagramme des zu betrachtenden Prozesses auch hier hilfreich und unterstützen diese Phase der FMEA.

FMEA erstellen in fünf Schritten

Der VDA Ansatz definiert fünf Schritte, um eine FMEA zu erstellen. Dabei stehen die ersten zwei Schritte für die Systemanalyse.

Schritt 1: Systemanalyse von Produkten und Prozessen

Der erste Schritt analysiert die Struktur eines Produktes oder eines Prozesses hinsichtlich seiner Systemgrenzen innerhalb und auch nach außen. Hierbei soll eine stücklistenartige Struktur für das Produkt aus funktioneller Sicht bzw. eine einem Flussdiagramm ähnliche Struktur der Prozessbereiche entstehen. Die Systemelemente dieser Struktur sind einander baumartig zugeordnet.

Zur Vorbereitung können hier die gleichen Werkzeuge wie beim Ansatz nach der AIAG Anwendung finden.

Strukturanalyse

Schritt 2: Funktionsanalyse einzelner Prozess-Schritte

Der zweite Schritt ist die Funktionsanalyse. Hier werden die Funktionen der einzelnen Systemelemente definiert. Jedem Systemelement der Struktur ist mindestens eine Funktion zuzuordnen, mehrere sind durchaus möglich und die Regel.

Funktionsanalyse

Schritt 3: Risikoanalyse möglicher Fehler und Risiken

Die Risikoanalyse beginnt mit Schritt 3. Der Schritt 3 ist die eigentliche Fehleranalyse. Hier werden den Funktionen mögliche Fehler zugeordnet. Ein Fehler ist in der Regel ein Ausfall bzw. die Nichterfüllung einer Funktion; die Negation der Funktion im einfachsten Fall. Man spricht auch von einer Fehlfunktion.

Fehleranalyse

Ursache und Wirkung

Die Fehler werden über die aus Systemelementen und Funktionen gebildete Struktur nach dem Ursache-Wirkung-Prinzip einander zugeordnet. Am oberen Ende der Fehlerkette (Systemgrenze) steht mindestens eine Fehlerfolge. Die unteren Enden der Kette werden jeweils von mindestens einer Fehlerursache abgeschlossen. (Grundstruktur wie in Abbildung "Fehlerbaum / Fehlerkettte" dargestellt) Die so erhaltene Struktur ist den Anforderungen entsprechend anpassbar. Die Auswirkungen geänderter Anforderungen auf das System sind darstell- und nachvollziehbar.

Fehlerkette / Fehlerbaum

Schritt 4: Maßnahmenanalyse

Schritt vier ist die Maßnahmenanalyse. Als Grundlage für die Risikobewertung ist jeder Fehlerursache mindestens eine gegenwärtig aktuelle Maßnahme zur Vermeidung und Entdeckung zuzuordnen. Eine Bewertung des gegenwärtigen Standes der Risiken ist somit möglich.

Schritt 5: Definition optimierender Maßnahmen

Der letzte Schritt ist, in Abhängigkeit von der Risikoauswertung, die Definition verbessernder bzw. optimierender Maßnahmen. Eine Neubewertung auf dieser Basis verfolgt das Ziel, die RPZ und damit das Risiko zu senken.

Prozess-FMEA entwickeln

Auch die Erstellung einer PFMEA sollte grundsätzlich eine Teamaktivität sein. Das Team bildet sich beispielsweise aus dem Prozessverantwortlichen, dem Betriebsingenieur bzw. Produktionsingenieur. Da es jedoch in der Regel mehrere Schritte in einem Herstellungsprozess (Fertigungsabschnitte) gibt, sollten auch Mitglieder der betroffenen Abteilungen einbezogen sein. Diese unterstützen mit Fachkompetenz spezielle Themen der FMEA und sind im Sinne einer effizienten Analyse themenbezogen heranzuziehen.

Der strukturelle Aufbau der DFMEA ist dem Grundgedanken nach auch bei der PFMEA anwendbar (siehe Abschnitt Design-FMEA).

Für die Betrachtung einer PFMEA sind ebenso wie bei der DFMEA Systemgrenzen zu bilden. Diese beziehen sich jedoch im Prozess der Produktentstehung auf die zu betrachtenden Fertigungsabschnitte, die sich in ihrer höchsten Auflösung als Mensch, Maschine, Material und Mitwelt darstellen.

Als Vorbereitung ist ein Flussdiagramm hilfreich. Es löst in anschaulicher Form die Fertigungsabschnitte weiter in einzelne Prozessschritte auf, ggf. bis hin zu einzelnen Verrichtungen der Produktentstehung.

Prozess-Schritte definieren

Die möglichen Fehler (Fehlfunktionen) bilden hier die Abweichungen von den Zielen der Prozessschritte. Ein Beispiel: Im Fertigungsabschnitt „Wareneingangskontrolle“ mit dem Prozessschritt „Entdeckung defekter Bauteile“ ist nicht „Bauteil defekt“ der Fehler, sondern „defekte Bauteile werden nicht entdeckt“.

Als Grundlage für die Risikobewertung ist auch bei der PFMEA jeder Fehlerursache mindestens eine gegenwärtig aktuelle Maßnahme zur Vermeidung und Entdeckung zuzuordnen. In Abhängigkeit von der Auswertung werden verbessernde bzw. optimierende Maßnahmen festgelegt. Die Neubewertung auf dieser Basis verfolgt das Ziel, die RPZ zu berechnen und damit das Risiko zu senken.

Risiko-Prioritäts-Zahl (RPZ) für Produkte und Prozesse berechnen

Die Bewertung der Risiken möglicher Fehler erfolgt auf der Basis der drei Faktoren B, A und E.

  • B: Bedeutung, bezieht sich auf die Schwere der Fehlerfolge.
  • A: Auftretenswahrscheinlichkeit, bezieht sich auf die Wirksamkeit der Vermeidungsmaßnahme, das Auftreten der Fehlerursache zu verhindern.
  • E: Entdeckungswahrscheinlichkeit, bezieht sich auf die Wirksamkeit der Entdeckungsmaßnahme, die Fehlerursache zu entdecken.

Die Skalierung dieser Bewertung ist für alle drei Faktoren 1 bis 10, so dass das Produkt, die Risiko-Prioritäts-Zahl (RPZ), einen Wertumfang von 1 bis 1000 annehmen kann. Zur Anwendung dieser Skalierung sind möglichst eindeutige und immer gleich anzuwendende Kriterien zu definieren.

Autoren:

Matthew Barsalou, M.S. Wirtschaftsingenieurwesen, ist ASQ-zertifizierter Six Sigma Black Belt und erwirbt gegenwärtig im Rahmen eines Abschlussprojektes seine Lean Six Sigma Master Black Belt Zertifizierung.

Heinz Günter Kehl, Diplom-Ingenieur Maschinenbau, moderiert FMEA und erstellt eine im Unternehmen weltweit wirksame Methode der FMEA für die Entwicklung von Aufladesystemen.

Literaturhinweis

United States Department of Defense. MIL-P-1629: Procedures for Performing a Failure Mode, Effects and Criticality Analysis. USA: Department of Defense. 1949.

Apollo Reliability and Quality Assurance Office. Procedure for Failure Mode, Effects, and Criticality Analysis (FMECA). Washington, D.C.: National Aeronatics and Space Administration 1966. Download 2013. [PDF] ,

Chrysler LLC, Ford Motor Company, General Motors. Potential Failure Mode and Effects Analysis (FMEA) Reference Manual (4. Auflage). USA: Chrysler LLC, Ford Motor Company, General Motors, 2008.

Verband der Automobilindustrie e.V. (VDA). VDA Band 4. Qualitätsmanagement in der Automobilindustrie: Sicherung der Qualität vor Serieneinsatz, System FMEA. Frankfurt: August 2006

Deutsche Gesellschaft für Qualität. DGQ-Band 13-11: FMEA - Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (5. Auflage). Berlin: Beuth Verlag 2012. Download August 2014 [PDF] .

Society of Automotive Engineers. J1739: Potential Failure Mode and Effects Analysis in Design (Design FMEA) and Potential Failure Mode and Effects Analysis in Manufacturing and Assembly Processes (Process FMEA) and Effects Analysis for Machinery (Machinery FMEA) (4. Auflage). USA: SAE, 2009.

International Electrotechnical Commission. IEC 60812: Analysis techniques for system reliability —Procedure for failure mode and effects analysis (2. Auflage). Genf, Schweiz: IEC, 2006.

QZ-online.de „Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) nach QS-9000“ , Download 2013.

Thorsten Tietjen, André Decker, Dieter H. Müller. FMEA-Praxis: Das Komplettpaket für Training und Anwendung (3. Auflage). München: Hanser 2011.

Philipp Theden, Hubertus Colsman. Qualitätstechniken: Werkzeuge zur Problemlösung und ständigen Verbesserung (5. Auflage). München: Hanser 2013.

Chrysler LLC, Ford Motor Company, General Motors. Potential Failure Mode and Effects Analysis (FMEA) Reference Manual (4. Auflage). USA: Chrysler LLC, Ford Motor Company, General Motors, 2008.

'FMEA ganz praktisch' lesen Sie in dem QM-Basic: “Formblatt zur Fehlermöglichkeits- und Einfluss-Analyse individuell erstellen“

zusätzliche Links

Mehr zum Thema bei Hanser Fachbuch:

Literatur

Qualitätstechniken - Werkzeuge zur Problemlösung und ständigen Verbesserung
Philipp Theden, Hubertus Colsman
Leseprobe online

FMEA-Praxis : Das Komplettpaket für Training und Anwendung
Thorsten Tietjen, André Decker, Dieter H. Müller
Leseprobe online

FMEA : Fehler-Möglichkeits- und Einfluss-Analyse
Hans-Joachim Pfeufer, Hrsg. von Gerd. F. Kamiske
Leseprobe online

Mehr zum Thema in der „QZ – Qualität und Zuverlässigkeit“:

QZ 08/2014, Großer Nutzen bei kleinen Losgrößen - Eignungsnachweis von Prüfprozessen mittels VDI/VDE 2600

QZ 06/2014, Weniger Fehler durch höhere Toleranz? Fehlertoleranz-Ansatz als Alternative zu Nullfehler-Strategie

QZ 04/2014, Nur enge Einbindung entfaltet das Potenzial - Die FMEA als integrativer Teil der Qualitätssicherung

Weitere QM-Basics zum Thema:

Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMA) nach QS-9000

Automobile Produktionsplanung mit System – FMEA bei der Produktionslinie der T5-Transportergeneration bei VW

Richtig smart erst gemeinsam – System-FMEA: Risikoabsicherung in Fahrzeugprojekten nur durch enge Einbindung aller Partner

Matthew Barsalou
Engineering Quality Expert
BorgWarner Turbo Systems Engineering GmbH
matthew.barsalou <AT> gmail.com

Dipl.-Ing. Heinz Günter Kehl
FMEA Moderation und Koordination
BorgWarner Turbo Systems Engineering GmbH
hkehl <AT> borgwarner.com

Weiterführende Information
  • Methoden - Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse (FMEA)

    Aufbau und Entwicklung von FMEA-Formblättern

    Formblatt zur Fehlermöglichkeits- und Einfluss-Analyse individuell erstellen

    Die Fehlermöglichkeits- und Einfluss-Analyse (FMEA) beginnt so früh wie möglich im Entwicklungsprozess mit dem Ziel, möglichen Fehlern vor ihrem Eintreten mit entsprechenden Maßnahmen entgegen wirken zu können.   mehr

  • Methoden - Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse (FMEA)

    Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse (FMEA) nach QS-9000

    Fehler frühzeitig ermitteln und vermeiden

    Mit einer FMEA lassen sich Fehler und Fehlerquellen systematisch ermitteln. Dabei unterscheidet man zwischen System-, Konstruktions- und Prozess-FMEA.   mehr

DIN EN ISO 9001:2015

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Serie zum Thema Prozesse, veröffentlicht von QM-Experten deutscher Unternehmen gemeinsam mit der N5 GmbH und der Fachzeitschrift QZ

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