Ocena skuteczności procesu projektowania technicznych środków

PRACE
NAUKOWE
z. 64
POLITECHNIKI
WARSZAWSKIEJ
Transport
2008
Andrzej ŚWIDERSKI
Zakład Systemów Jakości i Zarządzania MON
02-010 Warszawa, ul. Nowowiejska 26
[email protected]
OCENA SKUTECZNOŚCI PROCESU PROJEKTOWANIA
TECHNICZNYCH ŚRODKÓW TRANSPORTU
Z WYKORZYSTANIEM METODY FMEA
Streszczenie
Przedmiotem artykułu są zagadnienia związane z oceną skuteczności procesu projektowania
technicznych środków transportu w aspekcie ich jakości. Omówiono istotę skuteczności procesu projektowania,
jako istotnego elementu zapewnienia jakości. Szczególną uwagę zwrócono na zastosowanie metody FMEA. Jako
przykład zaprezentowano wykorzystanie tej metody do oceny skuteczności procesu projektowania
specjalistycznego nadwozia w AUTOSAN S.A. w Sanoku.
Słowa kluczowe: jakość, zapewnienie jakości, proces projektowania
1. WPROWADZENIE
Metoda FMEA (ang. Failure Made and Effect Analysis) jest jedną z najlepszych technik
analitycznych pozwalających na przejrzyste ustalenie związków między przyczynami
i skutkami niedomagań (wad), szukanie rozwiązań oraz optymalizowanie podejmowania
decyzji przy ich wyborze. Pozwala uzyskać pewność, że w projektowaniu wyrobów
i realizacji produkcji wszystkie możliwości zostały wzięte pod uwagę. Jest sposobem
wewnętrznego zdyscyplinowania personelu inżynieryjno - technicznego planującego proces
produkcji.
U podstaw opracowań FMEA legła obserwacja, że około 75 % wszystkich wad ma
swoje korzenie we wczesnych fazach procesów wytwarzania (realizacji) wyrobów (w tym
TŚT), lecz ich wykrywalność w tych fazach jest niewielka. Późne wykrywanie i usuwanie wad
jest kosztowne. Koszty jakości usuwania wad rosną bowiem w kolejnych fazach w sposób
wykładniczy (rys. 1).
FMEA jest szczególnie polecana przy projektowaniu i produkcji nowego wyrobu, gdyż
umożliwia rozpoznanie potencjalnych wad z takim wyprzedzeniem, aby można je było
wyeliminować przed rozpoczęciem produkcji. Pozwala sprawdzić, czy proces projektowania
i produkcji są zgodne z ich założeniami.
Andrzej Świderski
168
Rys. 1. Charakterystyka kosztów jakości usuwania wad wyrobów
Źródło [3]
Metoda opracowana została na potrzeby przemysłu zbrojeniowego USA. Opisano ją po
raz pierwszy w roku 1949 w normie wojskowej MIL-P 1629, która była podstawą do
późniejszego opracowania norm MIL-STD 1629 (w 1974 roku) oraz jej kolejnego wydania
MIL-STD 1629A w 1980 roku [7]. Metoda z powodzeniem została zaadoptowana została na
potrzeby innych branż [1,4,10,11,12], a głównie przemysłu samochodowego i lotniczego.
Znane są jej zastosowania nawet w medycynie. Oprócz ww. literatury (w tym norm
i podręczników koncernów samochodowych) metodę ta opisują w tradycyjnych
zastosowaniach również inne pozycje literaturowe [4,6,8,9,13,14,15].
Autor referatu podjął się próby zaprezentowania tej metody w nieco innym, niż opisuje
powszechnie literatura, obszarze zastosowania, a mianowicie do oceny skuteczności jednego
z procesów realizacyjnych - procesu projektowania technicznych środków transportu.
2. ISTOTA SKUTECZNOŚCI
Międzynarodowa norma ISO 9001:2000, dotycząca systemu zarządzania jakością (SZJ),
zawiera jednoznaczne wymaganie, dotyczące konieczności oceny skuteczności systemu SZJ
i procesów w nim realizowanych, w tym procesu projektowania technicznych środków
transportu (TŚT). Ma to pośrednie, ale ważne przełożenie na jakość produkowanych wyrobów
(w tym również realizowanych usług).
Skuteczność, to stopień w jakim planowane działania są zrealizowane i planowane
wyniki osiągnięte [2]. W celu obiektywizacji oceny skuteczności nieodzowne jest
wyznaczenie charakterystyki kryterialnej K (t ) , opisującej planowane działania K , w tym
cele dotyczące jakości oraz charakterystyki procesu W (t ) , opisującej osiągnięte wyniki W .
Skuteczność SZJ jest zatem funkcją planowanych działań i osiągniętych wyników.
Miarą oceny może być wartość wskaźnika oceny skuteczności: ε ' ( K ' , t ) lub ε '' (K '' , t ) ,
wyznaczana na podstawie ilorazów o postaci (2.1) lub (2.2) [13]:
ε ' (K ' , t ) =
K ' (t )
W ' (t )
(2.1)
Ocena skuteczności procesu projektowania technicznych środków transportu z wykorzystaniem metody ... 169
Przykładami takich miar są charakterystyki wadliwości lub charakterystyki kosztów
jakości procesu (niższa wadliwość, mniejsze koszty jakości – większa skuteczność).
W '' (t )
(2.2)
K '' (t )
Przykładem takiej charakterystyki może być zdolność procesu lub niezawodność
wyrobu (większa zdolność procesu, większa niezaw odność – większa skuteczność).
ε '' (K '' , t ) =
Ocena skuteczności, jest to zatem osąd wartościujący, pozytywny lub negatywny,
wydany na podstawie reguły 2.3:
jeżeli ε (K , t )
≥ 1, to SZJ jest skuteczny
< 1, to SZJ jest nieskuteczny
(2.3)
Ogólnie ujmując, charakterystyki jakościowe procesu W(t) i charakterystyki kryterialne
K(t) w ocenie SP mogą mieć postać funkcji ciągłych lub dyskretnych (rys. 2).
Rys. 2. Postacie charakterystyk jakościowych procesu i charakterystyk kryterialnych: a) funkcje ciągłe, b)
funkcje dyskretne
Źródło: [13]
Do oceny skuteczności SZJ można wykorzystywać wiele metod powszechnie
opisywanych w dostępnej literaturze. Zaliczamy do nich m.in.: analizę kosztów jakości, QFD,
FMEA, statystyczną kontrolę odbiorczą SKO, statystyczne sterowanie produkcją SPC,
zarządzanie ryzykiem, analizę sieciową PERT, badania eksploatacyjne.
3. ISTOTA METODY FMEA
FMEA jest pracą grupową mającą na celu doprowadzenie do optymalnego rozwiązania
pozwalającego na zminimalizowanie wady. Dążenie do uniknięcia potencjalnych wad polega
na uruchomieniu przedsięwzięć w kierunku zmniejszenia prawdopodobieństwa ich
wystąpienia.
Ogólnie rozróżnia się następujące rodzaje analizy FMEA:
•
konstrukcji - stosowana w fazie projektowania TŚT dla ustalenia słabych miejsc
konstrukcji i sposobów oraz środków do ich usunięcia, a także w fazie badań dla
uzyskania wiedzy, jakie badania należy przeprowadzić dla oceny wyrobu, a z których
można zrezygnować. FMEA konstrukcji może obejmować cały wyrób lub jego część.
Andrzej Świderski
170
W analizie są wykorzystywane informacje, które projektanci posiadają o podobnych
wyrobach własnych lub wyrobach innych firm.
• procesów - stosowana w następujących fazach:
o przyjęcia zamówienia, aby zdecydować o jego przydatności i rozważyć dobór
środków produkcji,
o planowania produkcji, aby określić słabe miejsca i zastosować środki
zapobiegawcze,
o w okresie prób,
o w produkcji seryjnej, dla usprawnienia procesów, które okazały się niestabilne
lub o niskiej zdolności jakościowej
W dalszej treści artykułu autor analizie poddał FMEA konstrukcji.
FMEA konstrukcji przeprowadza się w przypadkach nowego wyrobu, zmiany części,
szczególnego
ryzyka
podzespołu,
nowych
materiałów,
nowych
zastosowań,
niebezpieczeństwa. FMEA konstrukcji przeprowadza się zawsze wtedy, gdy:
•
•
•
•
•
•
•
•
istnieje zadanie nowego rozwiązania technicznego, które znaczenie odbiega od
dotychczasowych rozwiązań, dla którego w przedsiębiorstwie brak jest
wystarczającego doświadczenia;
zastosowanie znajdują nowe materiały, w odniesieniu do których w wykonawstwie
i/lub w użytkowaniu brak jest wystarczającego doświadczenia;
dla realizacji wyrobu zastosowano nowoczesne procesy, dla których brak jest
wystarczającego doświadczenia;
dla wyrobu stawiane są specjalne wymagania bezpieczeństwa, które mogą
spowodować roszczenia z tytułu odpowiedzialności za wyrób (np. elektroniczny pedał
gazu);
dla realizacji wyrobu lub jego komponentów potrzebne są procesy o dużym znaczeniu
dla ochrony środowiska lub bezpieczeństwa pracy (np. powłoki galwaniczne);
w nowym wyrobie zostaną zastosowane części, nie mające dotychczas zastosowania;
dla wykonania wyrobu potrzebne są procesy, nie mające dotychczas zastosowania;
istniejący wyrób ma być przeznaczony do innych zastosowań, aniżeli dotychczas (np.
do sprzedaży w innym kraju, o charakterystycznych warunkach eksploatacji).
Tok postępowania przy realizacji FMEA można opisać w następujący sposób:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
sporządzanie wykazu wszystkich możliwych (potencjalnych) wad,
ocena oddziaływania tych wad na funkcjonowanie wyrobu,
określenia możliwych przyczyn wad,
ocena ewentualnego nadzoru procesu pod kątem rozpoznawania wad i zapobiegania
wadom,
ocena prawdopodobieństwa występowania wad i możliwości wykrywania wad,
ustalenie priorytetów (ważności działań) na podstawie dokonanych ocen,
ustalenie odpowiednich środków zaradczych dotyczących konstrukcji, technologii,
produkcji lub kontroli,
ustalenie odpowiedzialnych za realizację i terminów wykonania,
ponowna ocena rozpoznania wad i zapobiegania wadom w odniesieniu do ustalonych
powyżej działań zaradczych.
Zespół roboczy do analizy FMEA jest kilkuosobowy i składa się ze specjalistów
dobranych stosownie do postawionego celu. Powinien mieć łatwy i szybki dostęp do różnych
informacji źródłowych w zakładzie.
Ocena skuteczności procesu projektowania technicznych środków transportu z wykorzystaniem metody ... 171
Algorytm metody FMEA konstrukcji przedstawiono na rysunku 3. Kryteria liczbowego
określenia wady wyrobu lub błędu procesu przedstawiono w tablicy 1.:
Rys. 3. Algorytm metody FMEA konstrukcji
Źródło: opracowanie własne
Tablica 1. Kryteria liczbowego określenia znaczenia wady wyrobu
Liczba
Znaczenie
szacunkowa S
wady
1
Bardzo
małe
2-3
Małe
4-6
Przeciętne
7-8
Duże
9-10
Bardzo
duże
Źródło: na podstawie [6]
FMEA konstrukcji TŚT
Nie należy oczekiwać, że wada będzie miała jakikolwiek istotny wpływ na warunki
użytkowania wyrobu.
Znaczenie wady jest małe i prowadzi tylko do niewielkiego utrudnienia. Zauważalne
może być umiarkowane pogorszenie właściwości wyrobu.
Wada wywołuje ograniczone niezadowolenie. Wyrób nie zaspokaja potrzeb lub jest
źródłem uciążliwości. Użytkownik dostrzega mankamenty wyrobu.
Niezadowolenie użytkownika jest duże i jest wywołane niemożnością użycia wyrobu
zgodnie z przeznaczeniem – nie dotyczy to jednak zagrożenia bezpieczeństwa lub
naruszenia przepisów prawa.
Znaczenie wady jest bardzo duże, zagraża bezpieczeństwu użytkownika lub narusza
przepisy prawa.
Andrzej Świderski
172
Kryteria liczbowego określenia ryzyka wystąpienia wady wyrobu przedstawiono
w tablicy 2.:
Tablica 2. Kryteria liczbowego określenia ryzyka wystąpienia wady wyrobu
Liczba
szacunkowa
O
Wystąpienie
1
2
3
Nieprawdopodobne
Bardzo rzadko
Rzadko
Wystąpienie wady jest nieprawdopodobne
Zdarza się stosunkowo mało wad
Zdarza się stosunkowo mało wad
4-6
Przeciętnie
Wada zdarza się sporadycznie co jakiś czas
7-8
Często
9-10
Bardzo często
DFMEA konstrukcji
Wada powtarza się cyklicznie
Wady prawie nie da się uniknąć
Częstotliwość
występowania wady
< 1/ 1 000 000
1 na 20 000
1 na 4 000
1 na 1 000
1 na 400
1 na 80
1 na 40
1 na 20
1 na 8
1 na 2
Źródło: na podstawie [6]
Kryteria liczbowego określenia możliwości wykrycia wady wyrobu przedstawiono
w tablicy 3.:
Tablica 3. Kryteria możliwości wykrycia wady wyrobu
Liczba
szacunkowa D
Wykrywalność
wady
1-2
Bardzo wysoka
3-4
Wysoka
5-6
Przeciętna
7-8
Niska
9
Bardzo niska
10
Bardzo niska
FMEA konstrukcji
Środki weryfikacji/kontroli na pewno wykryją daną wadę wyrobu/konstrukcji
Środki weryfikacji/kontroli mają dużą szansę wykrycia danej wady
wyrobu/konstrukcji
Być może środki weryfikacji/kontroli wykryją daną wadę wyrobu/konstrukcji
Jest bardzo prawdopodobne, że środki weryfikacji/kontroli nie wykryją danej
wady wyrobu/konstrukcji
Z dużą pewnością można sądzić, że środki weryfikacji/kontroli nie wykryją
danej wady wyrobu/konstrukcji
Środki weryfikacji/kontroli nie dają szans wykrycia danej wady
wyrobu/konstrukcji
Źródło: na podstawie [6]
4. WYKORZYSTANIE FMEA DO OCENY SKUTECZNOŚCI PROCESU
PROJEKTOWANIA TŚT. ANALIZA PRZYPADKU
Dla przedstawienia możliwości wykorzystania FMEA do oceny skuteczności procesu
projektowania TŚT autor przeprowadził w Centrum Badawczo-Rozwojowym AUTOSAN
S.A. ocenę skuteczności projektowania mocowań w specjalistycznym nadwoziu
samochodowym. Celem badań z wykorzystaniem metody FMEA była ocena wpływu różnych
czynników na uszkadzanie się mocowań w specjalistycznym nadwoziu samochodowym.
Autor powołał do składu badawczego technologów, konstruktorów i inżynierów jakości
z Centrum Badawczo-Rozwojowego, Zakładu Nadwozi, Zespołu Zakupów, Zespołu
Systemów Jakości. Techniką „burzy mózgów” ustalono wymagania dla mocowań
oprzyrządowania w nadwoziu (tablica 4.).
Ocena skuteczności procesu projektowania technicznych środków transportu z wykorzystaniem metody ... 173
Tablica 4. Wymagania dla mocowań oprzyrządowania
WYMAGANIA JAKOŚCIOWE
STOPIEŃ WAŻNOSCI
Wolne od pęknięć nadwozia
Bardzo ważne
Wolne od pocienienia poszycia nadwozia w okolicach montażu mocowań
Wolne od pofałdowań poszycia nadwozia, powstałych w wyniku niewłaściwego
usztywnienia
Wolne od zarysowań
Bardzo ważne
Wolne od pofałdowań powstałych w wyniku podtłoczenia poszycia
Ważne
Ważne
Ważne
Źródło: opracowanie własne
Potencjalne przyczyny, wpływające na pękanie nadwozia w okolicy mocowań
oprzyrządowania zawarto w diagramie Ishikawy (rys. 4.).
Rys. 4. Diagram Ishikawy przyczyn pękania nadwozia
Źródło: [2]
Techniką „burzy mózgów” ustalono główne przyczyny mogące powodować pękanie
nadwozia: A – brak doświadczenia pracowników, B – zbyt cienkie poszycie w okolicy
montażu mocowań, C – zbyt głębokie podtłoczenia, D – zarysowania poszycia zewnętrznego,
E – niewłaściwe usztywnienie konstrukcji.
Ważność poszczególnych przyczyn powodujących pękanie nadwozia ustalono w skali
procentowej uwidocznionej w tablicy 5.
Tablica 5. Ważność przyczyn powodujących pękanie nadwozia
Kod przyczyny
Liczba wad
A
10
Ważność [%]
6,9 %
B
20
13,9 %
C
6
4,2 %
D
3
2,1 %
E
105
72,9%
∑
144
100 %
Źródło: opracowanie własne
Ważność przyczyn wpływających na pękanie nadwozia członkowie zespołu ustalili na
podstawie swojego doświadczenia technologicznego i konstrukcyjnego oraz zapisów
Andrzej Świderski
174
dotyczących reklamacji klientów z ostatnich 2 lat, a także obserwacji podobnych rozwiązań
konstrukcyjnych. Po określeniu potencjalnych przyczyn wady, oszacowano, na podstawie
danych z tablic: 1, 2 i 3, liczby priorytetowe S, O i D. Po oszacowaniu liczb priorytetowych
obliczono liczbę RPN. Przyjęto, że te przyczyny wady, dla których liczba priorytetowa
ryzyka RPN jest mniejsza od RPNq=240 są dopuszczalne. W przeciwnym wypadku należy
podjąć stosowne działania korygujące. W powyższym przypadku 3 liczby priorytetowe ryzyka
były większe od liczby dopuszczalnej. Wyniki oceny przedstawiono w tablicy 6. Działania
zapobiegawcze przeprowadzono w 3 fazach (tablica 7.), doprowadzając liczby RPN,
w stosunku do wszystkich przyczyn, do wartości mniejszej od RPNq=240 (założonego
kryterium). W pierwszej fazie zaproponowano zwiększenie sztywności użebrowania
nadwozia, w drugiej zmniejszenie głębokości podtłoczeń nadwozia, w trzeciej – zwiększenie
grubości poszycia w okolicy mocowań oprzyrządowania. Po wprowadzeniu zmian, proces
projektowania nadwozia zewnętrznego i mocowań oprzyrządowania specjalnego można było
uznać za skuteczny (we wszystkich przypadkach przyczyn powstania wady doprowadzono
wartość liczby RPN do <240). Liczbę priorytetową ryzyka RPN obliczono, mnożąc przez
siebie trzy liczby ocen punktowych znaczenia, występowania, wykrycia, czyli: S x O x D =
RPN. Wartości S, O, D przyjęto z tabel 1, 2 i 3.
Tablica 6. Wyniki oceny FMEA konstrukcji
Nazwa
zespołu
Potencjalny
rodzaj wady
Pękanie nadwozia
w okolicy
umieszczenia
mocowań
oprzyrządowania
specjalistycznego
Specjalistyczne
nadwozie
samochodowe
Potencjalny
skutek wady
Zniszczenie
nadwozia
S
Potencjalna
przyczyna wady
- zbyt głębokie
podtłoczenia
nadwozia w miejscu
mocowania
oprzyrządowania,
- niewłaściwe
usztywnienie
konstrukcji w
miejscu mocowań,
- zbyt cienkie
poszycie nadwozia w
okolicy mocowań,
- brak doświadczenia
pracowników
8
O
Wykrywalność
wad
7
Przegląd projektu 7
392
8
Przegląd projektu 8
512
7
Przegląd projektu 8
448
2
Przegląd projektu 7
112
D
RPN
Źródło: opracowanie własne
Tablica 7. Podjęte działania zapobiegawcze
Zmiany
Zwiększenie
sztywności
użebrowań
nadwozia
S
8
FAZA I
O
D
RPN
7
7
392
5
5
200
6
8
384
Zmiany
Zmniejszenie
głębokości
podtłoczeń
nadwozia
S
8
O
D
RPN
6
5
240
5
5
200
6
8
384
7
S
8
O
D
RPN
5
5
200
5
5
200
4
5
160
2
7
112
FAZA III
FAZA II
2
Zmiany
Zwiększenie
grubości
nadwozia
2
112
7
112
Źródło: opracowanie własne
Wskaźnik
postać (4.1):
oceny
skuteczności
jakościowej
ε ( RPN q , t ) =
RPN q (t )
RPN (t )
procesu
projektowania,
przyjmie
(4.1)
Ocena skuteczności procesu projektowania technicznych środków transportu z wykorzystaniem metody...
175
Zobrazować go można na rysunku 5.:
Rys. 5. Wykres charakterystyki wskaźnika oceny skuteczności procesu projektowania
Źródło: [13]
5. PODSUMOWANIE
Przedstawiona w artykule metodologia oceny skuteczności procesu projektowania
z wykorzystaniem metody FMEA ma duże znaczenie dla jakości projektowanych,
produkowanych i następnie eksploatowanych technicznych środków transportu. Nie bez
znaczenia - największe zastosowanie ma w przemyśle samochodowym i lotniczym. W tych
branżach ma wręcz swój rodowód. Bez wiarygodnej oceny procesu projektowania, popartej
wynikami badań, niemożliwe jest podejmowanie racjonalnych decyzji doskonalących jakość
wyrobów.
W artykule zaprezentowano wyniki badań przeprowadzonych z wykorzystaniem metody
FMEA oraz analizy Pareto-Lorenza i diagramu Ischikawy w ocenie procesu projektowania
samochodowego nadwozia specjalnego. Autor uważa, że przedstawiona koncepcja nie
ogranicza wykorzystania tej metody tylko do obszaru technicznych środków transportu. Może
mieć również zastosowanie do oceny projektowania, jak również produkcji innych wyrobów,
w tym również usług, głównie logistycznych.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
ISO/TS 16949:2002 Systemy zarządzania jakością. Szczegółowe wymagania do stosowania ISO
9001: 2000 w przemyśle motoryzacyjnym w produkcji seryjnej oraz w produkcji części
zamiennych.
PN-EN ISO 9000:2006 Systemy zarządzania jakością. Podstawy i terminologia.
Bosiakowski Z. Ekonomiczne problemy sterowania jakością, wyd. PWE, 1998.
Hamrol A., Mantura W.: Zarządzanie jakością. Teoria i praktyka, Wydawnictwo Naukowe
PWN, Warszawa - Poznań 1998.
IEC 60812 Metody prowadzenia analizy FMEA i FMCA.
176
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
Andrzej Świderski
Juran J., Gryna F.: Jakość-projektowanie-analiza, wyd. WNT, Warszawa 1974.
MIL-STD 1629A:1980 Procedure for Performing a Failure Mode, Effects and Criticality
Analysis.
KOLMAN R.: Inżynieria jakości; wyd. PWE, Warszawa 1992.
OAKLAND J. S.: Total Quality Management, wyd. Bulterwarth-Heinemann, Oxford 1992.
Podręcznik przywoławczy Chryslera, Forda, General Motors: Advanced Product Quality
Planning (APQP), wydanie drugie 1995.
Podręcznik przywoławczy Chryslera, Forda, General Motors: Analiza Potencjalnych Wad i ich
Skutków (FMEA)” wydanie drugie 1995.
SAE J-1739 Zasady prowadzenia analizy FMEA projektu, procesu i maszyn.
Szkoda J., Świderski A.: Problemy oceny skuteczności jakościowej procesów realizacji
wyrobów w aspekcie wymagań AQAP, EIJ, Warszawa 2005.
SZKODA J., KUBICKI A.: Wyznaczanie ryzyka wadliwości techniki wojskowej za pomocą
metody FMEA, Mat. konf. nt. Problemy eksploatacji techniki wojskowej.; Kielce 2000.
Zdanowicz R., Kost G.: Wykorzystanie metody FMEA do poprawy jakości i produktów,
,,Problemy jakości”, lipiec 2001.
EVALUATION IN THE EFFECTIVENESS OF DESIGN PROCESS OF TECHNICAL TRANSPORT
MEANS USING FMEA METHOD
Abstract
The issues connected with the effectiveness evaluation of design process of technical transport means in
aspect of their quality are the subject of the article. The effectiveness essence of process design as an essential
elements of quality assurance is described. Special attention was paid to FMEA method application. The use of
FMEA method for effectiveness assessment in design of specialist coachwork in AUTOSAN S.A. is presented in
the article as an example.
Keywords: quality, quality assurance, design process
Recenzenci: Andrzej Chudzikiewicz, Tomasz Nowakowski