Die Entwicklung eines neuen Produkts oder die Verbesserung eines bestehenden Produkts beginnt mit einer Idee. Doch der Weg von der Idee zur Realität führt über eine Reihe von Prozessen, Tests und Fehlerbehebungen. Einer dieser Prozesse besteht darin, das Produkt einer Fehleranalyse (DFMEA - Design Failure Mode and Effect Analysis) zu unterziehen.
DFMEAs können auch für die Anlagen durchgeführt werden, aus denen diese Produkte entstehen, sowie für den Prozess der Produktentwicklung. Im Folgenden wird erläutert, wie eine Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse (FMEA) und eine DFMEA zusammenhängen, warum eine DFMEA wichtig ist und wie sie durchgeführt wird.
Many businesses use a computerized maintenance management system (CMMS) to manage and track data central to DFMEA. A CMMS centralizes maintenance data, monitors equipment performance, and keeps scheduling and tracking as accurate as possible.
What Is DFMEA? Design Failure Mode and Effects Analysis
DFMEA steht für "Design Failure Mode and Effects Analysis". Dabei handelt es sich um eine Methode, mit der ermittelt werden kann, wie ein Produkt in der Entwurfsphase versagen könnte und welche Folgen ein Versagen haben könnte. Die Idee ist, Probleme zu erkennen, bevor sie das Zeichenbrett verlassen und in die Produktionsphase eintreten.
Bei der DFMEA werden alle möglichen Fehler untersucht, die bei der Entwicklung eines neuen Produkts auftreten können. Von der Herstellung der Gussformen bis zum Löten der endgültigen Verbindungen kann beim Bau von Prototypen viel schiefgehen - deshalb ist es wichtig, alle möglichen Fehler zu berücksichtigen, bevor mit der Massenproduktion begonnen wird.
Während der DFMEA wird jedem Fehler und seinen Ergebnissen ein Schweregrad, ein Häufigkeitsgrad und ein Entdeckungsgrad zugewiesen. Diese drei Zahlen werden dann miteinander multipliziert, was eine Risikoprioritätszahl (RPZ) ergibt:
RPN = Severity x Occurrence x Detection
Fehler mit den höchsten RPZs sind schwerwiegender. Dieses Wissen kann Teams dabei helfen, die kritischsten Fehler zu entschärfen und ihre Wahrscheinlichkeit während der Produktion zu verringern oder zu beseitigen.
Im Idealfall führen Unternehmen eine DFMEA durch, bevor sie ihr Produkt auf den Markt bringen. Sie können zwar nicht alle potenziellen Fehler ausschließen, aber eine erfolgreiche DFMEA führt zu einem besseren Produktdesign und zufriedeneren Endnutzern.
Was ist ein Fehlermodus?
Ein Fehlermodus ist alles, was dazu führt, dass das Produkt oder der Prozess außerhalb der erwarteten Parameter funktioniert. Die Bandbreite reicht von einem sehr kleinen Fehler, der kaum auffällt und die Leistung in keiner Weise beeinträchtigt, bis hin zu einem schwerwiegenden Ausfall, der zu Produktrückrufen und einer stillgelegten Produktionslinie führt. In den schwerwiegendsten Fällen kann ein Fehlermodus zu Verletzungen bei den Endbenutzern oder sogar zu Gerichtsverfahren führen.
Erläuterung der Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA)
Die Identifizierung des Fehlermodus ist wichtig, aber sie ist nur der erste Schritt in einer Fehlermodus-Effekt-Analyse.
Der Zweck der FMEA besteht darin, festzustellen, warum der Fehler aufgetreten ist, wie wichtig es ist, den Fehler zu beheben, und dann Schritte zu unternehmen, um zu verhindern, dass sich der Fehler in Zukunft wiederholt. Unabhängig davon, ob es sich um einen Prozess, ein Design oder ein ganzes System handelt, ist die FMEA eine entscheidende Komponente, um maximale Betriebszeit, Sicherheit und Zufriedenheit der Endbenutzer zu gewährleisten.
Die 5 wichtigsten Schritte der FMEA
In ihrer einfachsten Anwendung gibt es 5 grundlegende Schritte zur Durchführung einer FMEA.
- Identifizierung potenzieller Fehler und Auswirkungen
- Bewertung der Fehlerschwere
- Vorhersage der Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Fehlern
- Verfahren zur Fehlererkennung
- Bestimmung der Risikopriorität
What Is the Purpose of DFMEA?
The purpose of DFMEA is to identify and resolve any threats to production efficiency, quality, and safety. By doing so, you’ll streamline processes, improve plant safety, increase cost-effectiveness, preserve product quality, and boost customer satisfaction.
That’s why the DFMEA process is an essential risk assessment and risk mitigation tool for a wide variety of industries, including manufacturing, healthcare, utilities, and construction.
Vorteile der DFMEA in der Produktentwicklung
Die DFMEA ist ein praktisches Instrument zur Verbesserung des Produktdesigns und zur Senkung der langfristigen Kosten. Die wichtigsten Vorteile sind:
- Das Aufspüren von Konstruktionsfehlern vor der Produktion ist eine wesentlich kostengünstigere Option, als sie im Nachhinein zu beheben.
- Systematischer Umgang mit Designrisiken, was zu langlebigeren, konsistenten Produkten führt.
- Erleichterung der Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren, Wartungs- und Qualitätsteams.
- Unterstützung für künftige Audits und Iterationen durch eine von der DFMEA erstellte Aufzeichnung der Entwurfslogik und Minderungsstrategien.
Reducing design-related problems, resulting in better user experiences and fewer warranty claims.Industries That Use DFMEA
There’s a lingering idea that DFMEA is limited to the aerospace or automotive industries, but in reality, it has a much larger reach. Any industry that designs complex products or systems can benefit from implementing DFMEA. In manufacturing, for instance, it’s commonly used to evaluate mechanical components, electrical systems, and subassemblies before production begins. In electronics, it helps teams spot flaws in circuit layouts. The medical device industry regularly applies DFMEA to identify specific design issues that could lead to safety hazards, avoiding regulatory review further down the line.
In the energy and utilities sector, DFMEA supports the design of turbines, transformers, and other infrastructure. Consumer products companies rely on it to improve product reliability and reduce warranty claims. Even sectors like agriculture, defense, and construction machinery apply DFMEA principles to reduce failure risk and ensure long-term asset performance.
Wie funktioniert die DFMEA?
Bei der Analyse von Konstruktionsfehlern und -effekten wird eine Gruppe von Personen mit Fachwissen über die zu untersuchende Konstruktion zusammengestellt. Gemeinsam machen diese Personen ein Brainstorming über alle Möglichkeiten, wie das Design versagen könnte.
Die Teammitglieder können sich an frühere Erfahrungen erinnern und ihr Wissen nutzen, um sich vorzustellen, wie es zu Fehlern kommen könnte und was die Folgen dieser Fehler sein könnten. Bei bestehenden Konstruktionen kann die DFMEA frühere Daten nutzen, um die Fehler und ihre Auswirkungen zu bestimmen.
Then, the team collaboratively decides on proactive solutions to problems. This could include making changes to the design, parts, materials, or other elements of the design and production process. Tools like a computerized maintenance management system (CMMS)can support this process by centralizing historical failure data and asset performance trends, helping teams reach better-informed design decisions.
For more technical guidance on how large-scale teams use this method, see NASA’s Systems Engineering Handbook on FMEA.
DFMEA Beispiel
Nehmen wir an, ein Ingenieur entwickelt eine Anlage, die für die Verpackung eines Endprodukts verwendet werden soll. Während der Prototypentests wird im Rahmen einer DFMEA ein Fehler im Klebebandabrollmechanismus festgestellt. Der Fehler tritt nach etwa 100 Betriebsstunden auf und führt dazu, dass das Klebeband nicht wie erforderlich ausgegeben wird. Dies führt dazu, dass etwa 50 % der Verpackungen falsch versiegelt werden und in einigen Fällen das Produkt aus der Verpackung austritt und unbrauchbar wird.
Dies ist ein großes Problem. Während der DFMEA stuft das Team die Häufigkeit des Auftretens mit 7, den Schweregrad mit 10 und die Entdeckung mit 2 ein. Dies ergibt eine RPZ von 140 und das Team beschließt, dass das Problem angegangen werden muss.
After examination, the team discovers that the issue is caused by a fault in the bearings which allow the dispenser to spin freely. The team may choose to address this by recommending regular lubrication and maintenance, changing the materials used in the dispenser, or making some other change to reduce the likelihood that the end user of the asset experiences this failure.Scoping a DFMEA: What To Include
Bevor Sie mit der Zuweisung von Risikobewertungen beginnen, sollten Sie den Umfang Ihrer DFMEA festlegen. Welche Teile des Entwurfs werden analysiert? Welche Fehlermöglichkeiten liegen in Ihrem Einflussbereich?
Eine gut durchdachte DFMEA vermeidet unnötigen Aufwand und konzentriert sich auf die Risiken. Sie stellen sicher, dass Sie keine Arbeit duplizieren, die bereits in einer PFMEA oder einer Analyse auf Systemebene behandelt wurde. Beginnen Sie damit, die Grenzen des Entwurfs, die beabsichtigte Funktion und alle kundenspezifischen Anforderungen zu definieren. Identifizieren Sie dann die Schnittstellen, an denen es am ehesten zu Fehlern kommen kann.
Der Umfang wirkt sich direkt auf die Qualität und Relevanz der Ergebnisse aus. Ist der Rahmen zu weit gefasst, kann sich Ihr Team in Fragen von geringer Priorität verlieren. Ist der Geltungsbereich zu eng gefasst, könnten Sie wichtige Wechselwirkungen zwischen den Teilen übersehen.
Who Will Conduct DFMEA?
Die DFMEA funktioniert am besten, wenn Sie Fachleute zusammenbringen, die den Entwurf aus verschiedenen Blickwinkeln verstehen. Das bedeutet in der Regel Konstrukteure, Produktionsleiter, Qualitätsspezialisten und vielleicht auch Wartungs- oder Außendienstmitarbeiter.
Häufig zu vermeidende Fehler bei der DFMEA
Die DFMEA funktioniert am besten, wenn der Prozess konsistent ist. Aber einige häufige Fehler können ihren Wert beeinträchtigen. Einer davon ist, zu lange mit der Durchführung einer DFMEA zu warten. Wenn Sie erst dann mit der Risikoanalyse beginnen, wenn die Produktion bereits angelaufen ist, haben Sie die Chance verpasst, wirksame Änderungen vorzunehmen. Ein weiterer Fallstrick ist die fehlende Einbindung eines funktionsübergreifenden Teams. Ingenieure, die allein arbeiten, verpassen möglicherweise praktische Erkenntnisse, die die Teams aus den Bereichen Wartung, Betrieb oder Qualität einbringen können.
Some teams also stumble into the trap of assigning severity, occurrence, and detection scores without clear definitions. If ratings aren’t agreed upon in advance, the RPNs become less reliable. Others skip documenting recommended actions or fail to follow up after implementation. Also, DFMEAs that are never revisited can quickly become outdated. This peer-reviewed study underlines improvements, citing over 200 journal articles, with techniques to enhance detection, reduce variability and support design reliability.
Wann sollten Sie die DFMEA einsetzen?
Die DFMEA ist in der frühen Entwurfsphase am wertvollsten, bevor die Prototypen fertiggestellt oder die Werkzeuge in Betrieb genommen werden. Aber sie ist auch nützlich:
- Wenn Sie größere Änderungen an einem bereits bestehenden Geschmacksmuster vornehmen
- Nach einem signifikanten Ausfall oder einem Problem im Feld
- Bei Projekten zur Kostenreduzierung, die Materialien oder Komponenten betreffen
- Im Rahmen der laufenden Qualitätsverbesserungsprogramme
Ziel ist es, zu verhindern, dass konstruktionsbedingte Probleme zu Produktionsproblemen, Rückrufaktionen oder Sicherheitsproblemen führen.
DFMEA vs. PFMEA
Process failure mode and effect analysis (PFMEA) and DFMEA are both branches of the broader failure mode and effects analysis, or FMEA.
Die PFMEA betrachtet den gesamten Prozess und identifiziert potenzielle Fehler im System. In der Fertigung kann eine PFMEA zum Beispiel nach Fehlern in Prozessen wie Lackierung, Montage oder Versand des Produkts suchen.
Eine Design Failure Mode and Effect Analysis (DFMEA) hingegen konzentriert sich auf Fehler in bestimmten Bereichen des Designs. Bei der Produktentwicklung untersucht die DFMEA, wie das Produkt versagen kann, z. B. wenn es auf eine bestimmte Art und Weise verwendet oder bestimmten Temperaturen ausgesetzt wird. Die für die Herstellung dieser Produkte verwendeten Anlagen können ebenfalls einer DFMEA unterzogen werden, um sicherzustellen, dass die Anlagen wie erwartet funktionieren.
Wie man DFMEA durchführt
Performing a DFMEA can be a highly in-depth and time-consuming process, but catching design errors and fixing them before they result in major issues is incredibly important. Here’s how to get started:
1. Choose a design to analyze.
Once you’ve fully integrated the DFMEA process into your product life cycle, you’ll use it with every design. But for now, select a design at any stage in the product development process: one that’s in early development, newly designed, or already in the production phase.
2. Assemble a cross-functional team of experts familiar with different areas of the design.
A well-rounded, diverse team will generate the most comprehensive results. Ideally, your DFMEA analysis team will include quality engineers (product quality, testing analysis, and material engineers), along with teams from production, service, and logistics.
Each team member can identify potential failure modes in their specific areas of focus. They can also review the failure modes discovered by other teams. The full team should assess the causes and consequences of each failure mode and evaluate severity rankings, occurrence rankings, and detection rankings.
3. Identify all possible failure modes.
When identifying potential failure modes, it’s critical to understand that “failure” doesn’t always mean total failure. Potential failures include:
- Intermittent failures: Failure modes that are irregular, intermittent, or otherwise unpredictable
- Functional failures: Failure modes that may inhibit, but don’t fully compromise, an asset’s primary function
- Full failures: Catastrophic system failure modes that cease operations
A wide variety of issues can lead to any one of these failures. That’s why your next step is to determine the root causes of all potential failure modes.
4. Identify the root cause(s) of each failure mode.
Before jumping to solutions, and even before prioritizing the various failure modes your team uncovers, you must understand the failure causes. Root causes include:
- Calculation failures: Incorrect calculations during the design process can lead to cascading failures throughout production.
- Environmental failures: Variations in temperature, humidity, and other environmental conditions can affect design decisions.
- Material failures: Improper material selection can lead to potential risks and damage at any stage of the manufacturing and assembly process.
- Testing failures: Insufficient testing during the design stage can trigger issues at any phase of the product life cycle, including product safety and product reliability failures.
- Degraded failures: Consistent use leads to asset degradation, which can result in degraded failure modes.
- Unintentional failures: When an asset fails due to the failure of another part or asset, it’s considered an unintentional failure.
One failure may have multiple root causes. That’s why it’s essential to include your full cross-functional team in the review and assessment of all potential failure modes.
5. Determine the consequences of each failure mode.
For effective risk management, it’s essential to conduct a full assessment of failure effects. You need to understand minor challenges as well as critical issues, which enables you to create a comprehensive risk mitigation strategy.
Examples of potential consequences include damage to parts, assets, products, packaging, facilities, or worker safety. These consequences can range from minor (such as inexpensive repair or replacement) to severe (such as catastrophic property damage, severe injury, or loss of life).
You need a comprehensive analysis of all potential consequences, because you’ll use that information to rank failure modes and prioritize solutions.
6. Assign severity, occurrence, and detection rankings to each failure.
Start with severity rankings. If this failure mode occurs, how severe are the consequences? Consider factors including equipment damage, property damage, financial loss, and safety concerns. Typically, you’ll rate this on a scale of 1–10. A severity score of 1 indicates a minor issue, while 10 is the most severe.
Next, assign an occurrence rating. This measures the likelihood of each failure mode occurring under normal circumstances. On a scale of 1–10, 1 means the failure is very unlikely to occur, while 10 means the failure will almost certainly occur.
Finally, determine the detection rating. If this failure occurs, is it easy to detect? Assign a detection rating of 1 if the failure is easy to detect, 10 if it’s extremely difficult to detect, or anywhere in between.
For the most accurate results, remember to involve your entire team in the ranking process. For example, a product manager probably won’t understand the ease of detecting an equipment failure. Similarly, your warehouse manager may observe packaging failures but may not have the material or design expertise to assign an occurrence rating.
7. Identify the risk priority number (RPN).
If there are 100 potential failure modes across 27 products, it’s difficult to know where to start. Which solutions are most important, and how do you determine the order of importance?
The answer is your risk priority number (RPN). Instead of scrambling to calculate the right balance of severity, occurrence, and detection at the start of each workday, you’ll assign a single RPN to each potential failure mode.
Thankfully, once you’ve assigned ratings for severity, occurrence, and detection, it’s easy to convert those ratings to your RPN.
RPN = Severity Rating x Occurrence Rating x Detection Rating
Your high-risk failures will have the highest RPNs, while your lower-risk failures will have a lower RPN. With this risk assessment strategy, design teams will start with the highest RPN and work their way down.
8. Implement a systematic approach with an action plan to reduce or eliminate failure risk.
For each potential failure mode, identify an appropriate action plan with concrete, measurable corrective actions. Consider modifications to your existing prevention controls (means of preventing failure) and detection controls (means of detecting failure), along with new action steps and design processes to improve RPN.
You may need additional tools and resources for new risk reduction and corrective action steps. Evaluate budgetary needs, procurement processes, and other essential components of success of your action plan.
9. After implementation, reassess RPN and adopt a continuous improvement approach to DFMEA.
The DFMEA process isn’t a one-time solution. Integrating regular failure analysis into your design and manufacturing process helps ensure optimal efficiency, regulatory compliance with industry standards, quality control, product safety, and customer satisfaction.
By routinely identifying failure modes and implementing a systematic process for addressing any issues, you’ll help reduce and prevent costly failures. When you approach DFMEA as an iterative process, you shift your approach from reactive troubleshooting to proactive, continuous improvement.
A computerized maintenance management program (CMMS) can be the key to increasing reliability and improving RPN scores. By tracking assets and gathering performance data, your team will be well-equipped to perform thorough equipment analyses and boost performance with targeted maintenance.