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Planung der Produktzuverlässigkeit

Produktentwicklungsphase
Produktentwicklung
Berechnung
Konstruktion
Konstruktions- FMEA
Abklärung der Konstruktionsrisiken
Technisch/ wirtschaftliche Auswahl von Lösungsvarianten
Zuverlässigkeitsplanung
Prototypen- Herstellung
Prototypen- Erprobung
Qualitätsnachweisplan

Ziel u. Zweck:Ein bedeutsames Teilgebiet der Qualitätsplanung, bei manchen Produkten sogar ihr Kernstück (!), ist die Zuverlässigkeitsplanung, also die Planung der Zuverlässigkeitsforderungen. Dabei geht es um die speziellen Qualitätsmerkmale "Zuverlässigkeit", vergleiche GEIGER ([2],S.101).

Ganz primitiv gesprochen muss ein Produkt nicht nur zum Zeitpunkt der Übernahme durch den Kunden einwandfrei funktionieren und alle Funktionsmerkmale erfüllen, sondern diese Eigenschaft auch über die gesamte Nutzungsdauer beibehalten.

Zuverlässigkeit ist deshalb ein Bestandteil der Qualität bzw. ein Qualitätsmerkmal. Bei bestimmten Produkten bzw. Organisationen nimmt das Qualitätsmerkmal "Zuverlässigkeit" eine zentrale Stellung ein, ist sozusagen eines der wichtigsten Qualitätsmerkmale. Im Rahmen der Qualitätsplanung ist die Zuverlässigkeitsplanung oft das mit Abstand wichtigste Element des Qualitätsmanagements. Im Hinblick auf die Bedeutung der Zuverlässigkeit bei der späteren Produktnutzung gilt die vor allem bei elektronischen Schaltungen, aber nicht nur bei diesen. Die Qualitätsnachweissicherung besteht dann vorwiegend aus dem Zuverlässigkeitsnachweis (Produkt- und Prozessqualifikation).

Zuverlässigkeitslehre:

Die Zuverlässigkeitslehre hat ihre Anfänge in der Raumfahrt sowie in der Elektrotechnik und hier wiederum im engeren Bereich der Elektronik, Fernmeldetechnik, Nachrichtentechnik, Datentechnik (Zur historischen Entwicklung der Zuverlässigkeitslehre vergl. MEYNA [6], Einführung). Hier wurden erstmals von zulässigen Systemausfallraten auf zulässige Ausfallsraten von Einzelsystemen rückgerechnet, welche wiederum in Qualifikationen und begleitenden Produktkontrollen nachgewiesen werden müssen bzw. im Umkehrschluss gezielten Reihenversuchen an Einzelkomponenten auf das Ausfallsverhalten des gesamten Systems hochgerechnet werden. Auch im Bereich der elektrischen Energietechnik ist die aufwendige rechnerische Behandlung von Zuverlässigkeitskenngrößen wie die z.B. die Systemverfügbarkeit Stand der Technik [5], [6], [9], [10].

Moderne Netzleitsysteme enthalten Softwarepakete zu deren Berechnung. Ebenso werden umfangreiche Verfügbarkeitsstatistiken von Anlagenkomponenten (Kraftwerke und deren Komponenten, Umspannwerke, Leitungen usw) östereichweit von den Energieversorgungsunternehmen erstellt (vergl. MUCKENHUBER [7]).

Auf die für die Zuverlässigkeitstechnik relevanten Begriffe und Definitionen soll hier nicht näher eingegangen werden. Vergl. dazu die einschlägigen Normen. Bei GEIGER ([2],S.115 ff.) finden sich Begriffserläuterungen sowie interessante Hinweise zur Begriffsweiterentwicklung.

Die Ausfallsraten, welche als Basis für Systemausfallsplanungen dienen, sind keine Konstanten sondern zeitlich abhängige Funktionen, deren Verlauf einer Badewannenkurve entspricht (Frühausfallsphase, Phase einer konstanten Ausfallsphase und Spätausfallsphase).

Lebensdauerstudien: Hohe Lebensdauern sind meist das Ergebnis umfangreicher Planungen, Versuche, Verbesserungen usw. und müssen auch mittels Lebensdauerstudien nachgewiesen werden. Dabei auftretende Ausfälle müssen analysiert werden (Ausfallsanalyse) und daraus abgeleitete Erkenntnisse zur weiteren Produktverbesserung eingesetzt werden. Die Lebensdauer (bzw. das daraus abzuleitende Ausfallsverhalten folgt einer Weibullverteilung bzw. einer "Badewannenkurve".

Aus der Sicht der Zuverlässigkeitsplanung ergeben sich aus der Badewannenkurve folgende Konsequenzen:

Frühausfälle können durch spezielle Vorbehandlungen eliminiert werden. In vielen Branchen werden solche Vorbehandlungen vor Auslieferung durchgeführt. Vorbehandlungen können sein - je nach Ausfallsmechanismus - thermische Aktivierungen, Aktivierungen durch Kälteschock, Feuchte, oder durch Beschleunigung. Thermische Aktivierung nennt man "Einbrennen" oder englisch als "Burn- In". Die anderen Aktivierungen erfolgen in Klimakammern (Temperaturschock, Feuchte) oder durch Rütteltische (Beschleunigung). Hinsichtlich Ausfallsquoten und Fehlerschwerpunkten werden meist Eingriffsgrenzen festgelegt. Eine systematische Auswertung und Analyse dieser Ausfälle stellt eine wertvolle Quelle für mögliche kontinuierliche Produktverbesserungen dar.

Frühausfallsstudien: Zulässige Ausfallszahlen für Frühausfälle können ebenfalls geplant werden. Dazu muß man entsprechende Frühausfallsstudien (englisch: early-life-studies) durchführen. Zur Zuverlässigkeitsplanung gehört auch eine gezielte Verringerung von Frühausfällen, was durch eine gezielte Voralterung (engl. burnIn) geschieht. Dabei werden viele Fehler und Schwachstellen eliminiert. Die Frage, ob man dabei zuviel "Lebensdauer wegnimmt" bzw. gerade durch diesen Test Vorschädigungen oder Alterung beschleunigt, kann nur experimentell beantwortet werden. Dabei müssen auch die genauen Voralterungsbedingungen (z.B. Temperatur, Spannung usw.) festgelegt werden. Grundlage hierfür sind Lebensdauerversuche an einer kleinen Stichprobe bis zum Lebensdauerende. Die Auswertung erfolgt dabei am besten mittels Weibullpapier (siehe statistische Versuchs Planung und Auswertung). Die Frage, ob 48h gerade richtig sind, ist ausschließlich mittels einer BurnIn Studie beantwortbar. Man macht sie, indem man die Funktionsprüfungen in Intervallschritten z.B. 6h,12h,24h,48h durchführt. Aus dem Verlauf der Ausfallsquote erkennt man dann sehr genau, bis wann die meisten Frühausfälle ausgefallen sind. Auch hier erfolgt die Auswertung am besten wieder mittels Weibullpapier unter Zugrundelegung einer noch zulässigen Ausfallrate. Ganz wesentlich ist, dass alle bei diesen Tests aufgetretenen Ausfälle analysiert werden und daraus Verbesserungen abgeleitet werden.

Für eine Zuverlässigkeitsplanung ist auch folgende Unterscheidung wichtig:

Die Zuverlässigkeitsplanung muss branchen- und/ bzw. produktspezifisch erfolgen. Im Falle instandzusetzender Einheiten spielt die Instandhaltungsstrategie eine wichtige Rolle. Für die Zuverlässigkeitsplanung komplexer Systeme mit instandzusetzenden Einheiten gibt es umfangreiche, mathematische Theorien. Anwendung finden diese beispielsweise bei den entsprechenden Verfügbarkeitsstudien im Kraftwerksbetrieb.

Eine systematische Methode zur Erhöhung der System-Zuverlässigkeit, insbesondere bei nicht instandzusetzenden Einheiten, ist der gezielte Einbau von Redundanzen. Man unterscheidet zwischen Systemredundanz und Komponentenredundanz.

Das Qualitätsmerkmal "Zuverlässigkeit" ist im Zuge der Qualifikation eines Produktneuanlaufes oder im Zuge von fertigungsbegleitenden (zeitraffenden) Untersuchungen bei laufender Fertigung nachzuweisen. Einen ganz wesentlichen Rückschluß auf tatsächliche Ausfallsraten stellen die Rückmeldungen vom Kunden dar (Stichwort "Feldausfälle").

Grundsätzlich unterliegen alle mechanisch bewegten bzw. beanspruchten Teile einer Abnutzung, welche sich aus der Belastung, dem Material und der Bewegungsanzahl ableitet. Die Folge daraus sind ein mit der Dauer zunehmendes Spiel, eine Leichtgängigkeit usw. Man sagt auch, ein Teil sei "ausgeleiert". Beispiel hierfür können Beschläge, Scharniere usw. sein, Billigere, qualitativ weniger hochwertige Teile oder Materialien werden entsprechend früher Verschleißerscheinungen aufweisen.

Nach Meinung des Verfassers müsste gerade eine systematische Zuverlässigkeitsplanung im vorstehend ausgeführten Sinne inklusive entsprechender, mittels Qualifikationen geführter Zuverlässigkeitsnachweise auch bei Klein- und Mittelbetrieben (KMB) mehr Bedeutung erlangen. Bei den vom Verfasser befragten KMB wurde bei keinem einzigen systematische Zuverlässigkeitsplanung betrieben bzw. wurden keine Zuverlässigkeitstests durchgeführt. Die angemessene Behandlung von Zuverlässigkeitsfragen im Bereich der KMB müsste deshalb aus der Sicht des Verfassers noch intensiviert werden.


Weiterführende Literatur

Meyna, A., Pauli, B.: "Taschenbuch der Zuverlässigkeits- und Sicherheitstechnik- Quantitative Bewertungsverfahren" Praxisreihe Qualitätswissen Hanser verlag, 2003, ISBN 3-446-21594-8

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Link zu "Taschenbuch der Zuverlässigkeits- und Sicherheitstechnik- Quantitative Bewertungsverfahren" Meyna, A., Pauli, B., Praxisreihe Qualitätswissen Hanser verlag, 2003, ISBN 3-446-21594-81439846405

Link zu Transportation Systems Reliability and Safety B.S.Dhill0n, CRC Press Inc 2011; ISBN-10: 1439846405


Quellenhinweise

  1. Danzer, H.H.: "Qualitätsmanagement im Verdrängungswettbewerb" TAW-Verlag Wuppertal ISBN 3-930526-01-8 und Verlag Industrielle Organisation Zürich 1995 ISBN 3-85743-979-3
  2. [102]Geiger, W.:"Qualitätslehre, Einführung, Systematik, Terminologie", 2.Auflage, Vieweg Verlag, 1994 ISBN 3-528-13357-0
  3. Graebig, K., Normenausschuß Qualitätsmanagement, Statistik und Zertifizierungsgrundlagen (NQSZ) im DIN: "Die Bedeutung der Begriffe Wartung und Kundendienst im DIN EN ISO 9001-3", QZ 40, 1995, Heft 8, S.900
  4. Härtler, G.:"Statistische Methoden für die Zuverlässigkeitsanalyse", VEB verlag Technik Berlin, 1983, Springer Berlin ISBN 3-211-95810-x
  5. Masing, W.:"Handbuch der Qualitätssicherung", Herausgeber Prof. Masing, 2.Auflage, Carl Hanser Verlag München Wien, 1988
  6. Meyna, A., Pauli, B.: "Taschenbuch der Zuverlässigkeits- und Sicherheitstechnik- Quantitative Bewertungsverfahren" Praxisreihe Qualitätswissen Hanser verlag, 2003, ISBN 3-446-21594-8
  7. Muckenhuber, Skriptum, 1979, TU Graz Anlagen 3
  8. Nikolaizik,J.: "VEM Handbuch- Zuverlässigkeit von Automatisierungs- und Elektroenergieanlagen" Herausgeber: Institut für Elektro-Anlagen (IEA), Institut des VEB Kombinat Automatisierungsanlagenbau, VEB Verlag Technik Berlin, 1981
  9. Preuß, H.:"Zuverlässigkeit elektronischer Einrichtungen", VEB Verlag Technik Berlin, 1976
  10. Siemens Brochüre "SQS- Qualitätssicherung Integrierte Schaltungen", 1988