Robust Design als Design for Six Sigma Baustein bei der Robert

1 DS-PC/EIP5-Kl | 29.09.2010 | © Robert Bosch GmbH 2010. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

Robust Design als Design for

Six

Sigma

Baustein bei der Robert Bosch GmbH

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Six

Sigma


DS-PC/EIP5-Kl | 29.09.2010 | ©

Robert Bosch GmbH 2010. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.

Inhalt

Entwicklungsprozess und DFSS-Methoden

Schulungskonzept für DFSS-Methoden

bei der Robert Bosch GmbH

Inhalt des Seminars „Robust Design“

Warum brauchen wir „Robust Design“?

Definition „Robust Design“

Beispiel Schraubendruckfeder

Berechnungsablauf

Systemanalyse

Sensitivität

Optimierung

Robustheit

Zusammenfassung

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Six

Sigma


G2/PJ-BES, DS/PJ-BES, DS/ETD | 29.09.2010 | ©


PE im Bosch Business System

Vision

Mission

Bosch Business System

House of Orientation

Bosch Business SystemBosch Business System

BESBPS

BSS BSS

BES

Project Management PM

Pro

cess

Man

agem

ent

P

RM

InnovationManage-

ment

Product

Engineering

Competence Management CptM

Knowledge Management KM

IM PE

BES

Bosch Product Engineering SystemBosch Product Engineering System

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Six

Sigma


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1.1 Requirements Engineering

1.2 Stimme des Kunden

1.3 Quality Function Deployment

2.1 Konzept- alternativen

2.2 Konzept- bewertung

2.3 DFMA2.4 FMEA2.5 DRBFM

3.1 Statistik3.2 Robust Design 3.3 Statistische

Tolerierung3.4 Design of Experi-

ments (DOE)

4.1 Reliability Engineering

4.2 Messprozess- analyse

4.3 Statistische Prozess- Regelung

Project Prep.

Concept Eng.

Product and ProcessEngineering

SeriesProduction

Prepro- duction

Manufacturing Engineering

Product Engineering

Simultaneous EngineeringSOP

QB0 QB2 QB3 QB4QB1

Invention Innovation

10 2 3 4 5

1 .Identify 2. Design 3. Optimize 4. Verify

DFSS-Methoden im Produktentstehungsprozess

5

Verify

Optimize

Design

Identify

Basis


Six

Sigma


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Schulungsangebot (Auszug)

Elemente und Verfahren des Qualitätsmanagements bei Bosch

QFD -

Quality

Function

DeploymentDRBFMFMEA-GrundseminarGrundlagen der Technischen StatistikStatistische Versuchsplanung (DoE)Robust DesignStatistische TolerierungStatistische ProzessregelungGrundlagen der Zuverlässigkeit…

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Six

Sigma


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Seminar „Robust Design“

–

Inhalt

Motivation, Begriffe und Definitionen

Robust Design im Entwicklungsprozess

Statistische Grundlagen

Einsatz der Simulation im Entwicklungsprozess

Systemanalyse

Sensitivitätsanalyse

Grundlagen und Einsatz von Optimierungsmethoden

Grundlagen und Einsatz der Robustheitsbewertung /Störvariablenexperiment

Robuste Optimierung und Zuverlässigkeit

Taguchi-Methode

begleitendes Beispiel Schraubendruckfeder

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Six

Sigma


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Warum brauchen wir Robust Design?

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Six

Sigma


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Kunden sind nur mit Produkten die höhere Leistungsanforderungen erfüllen zu gewinnen

die gesetzlichen Anforderungen steigen kontinuierlich (Abgasnormen Euro 1-6 ff., CO2

-Diskussion, …)

neue Herstellungsverfahren und Werkstoffe sind am Markt verfügbar

die Auslegung unserer Produkte erfolgt immer näher an der physikalischen Grenze

Beanspruchung und Beanspruchbarkeit müssen damit immer genauer bestimmt werden um mögliche Ausfälle vorhersagen zu können

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Six

Sigma


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Eigenschaften von Werkstoffen, Fertigungsparameter, Umgebungs-, Betriebs-

und Gebrauchsbedingungen unterliegen immer Schwankungen –

die Funktion des Produktes muss trotz auftretender Abweichungen mit hinreichender Sicherheit gegeben sein.

Nicht robuste Designs führen zu Ausfällen der Produkte im Feld oder zu Fehlern in der Produktion.

Einige Komponenten und Eigenschaften von Produkten sind ausschlaggebend für die Schwankungen -

wie können diese negativen Einflüsse minimiert werden?

Ziel ist es Produkte zu gestalten, die unempfindlich sind gegen die unvermeidliche Streuung von Fertigungs-, Umgebungs-, Betriebs- und Gebrauchsbedingungen.

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Six

Sigma


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Definition von Robust Design

Robust Design ist, wenn ein Produkt/Prozess eine gleichmäßig hohe Qualität liefert, trotz bestehender Abweichungen und Streuungen

“Hohe Qualität”

bedeutet, dass die Produkteigenschaften

im Zielkorridor (OGW –

UGW) liegen

innerhalb einer relativ geringen Bandbreite verglichen mit dem Zielkorridor der Spezifikation variieren

im Zeitablauf stabil bleiben

Traditionelle SichtTraditionelle Sicht

Kos

ten

UGWUGW ZielZiel OGWOGW

AkzeptabelAkzeptabel

Merkmal

DFSS SichtDFSS Sicht

Kos

ten

UGWUGW OGWOGWZielZiel

Merkmal

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Six

Sigma


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Wie erreichen wir ein Robust Design?

streuende Parameter und Umgebungsbedingungen sollen keinen spürbaren Einfluss auf die Produkteigenschaften haben

eine Unempfindlichkeit gegen diese Streuung wird durch eine Wahl

eines Designpunktes erreicht, indem die Streuungen nur einen geringen Einfluss auf die Produkteigenschaften haben

Robust Design ist eine Produkt-

eigenschaft

die durch das Design der Parameter erreicht wird und mit den vorgestellten Methoden nachgewiesen werden kann

Prozeßparameter

Zielgröße

robust

nicht robust

Prozeßparameter

Zielgröße

robust

nicht robust

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Six

Sigma


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Anwendungsbeispiel

Schraubendruckfeder

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Six

Sigma


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Anwendungsbeispiel

Schraubendruckfeder

Federsteifigkeit

Masse

erste Eigenfrequenz

nfddGc

m 3

4

8

24

22

nfddm m

221

21G

nfdd

m

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Six

Sigma


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Systemanalyse

System

Einflussgrößen(c)

Störgrößen(n)

Eingangsgröße(m)

Ausgangsgröße(y)

•

Federsteifigkeit

•

Masse

•

1. Eigenfrequenz

•

Drahtdurchmesser

0,5..3,0mm

•

Wickeldurchmesser

7,0..25,0mm

•

Anz. fed. Windungen

2,5..10,5•

-

•

(Federweg)

•

…

•

Drahtdurchmesser

•

Wickeldurchmesser

•

Anz. fed. Windungen

•

Schubmodul

•

Dichte

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Six

Sigma


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Berechnungsablauf

federrate.bat

federrate.py

federrate.txt

1

2

5

3

4

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Six

Sigma


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Sensitivität

Erstellung virtueller Muster durch ein Samplingverfahren

Darstellung der Zielfunktion im gesamten Parameterraum

Ziel: Identifikation von Parametern mit geringem Einfluss auf die Zielgrößen

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Six

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Optimierung

Einteilung der numerischen Optimierungsverfahren

Numerische Optimierungsverfahren

Deterministische Optimierungsverfahren

Stochastische Optimierungsverfahren

•

Gradientenverfahren•

Richtungssuchverfahren•

Antwortflächenverfahren•

Direkt-Algorithmen•

Approximationsverfahren•

…

•

Evolutionäre Algorithmen•

Genetische Verfahren•

Monte-Carlo Verfahren•

Simulated

Annealing•

Schwarm-Intelligenz•

…

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Six

Sigma


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Startpunkte für die Optimierung

Parameter Startpunkt 1 Starpunkt 2 Startpunkt 3

d 3,0mm 1,0mm 1,25mm

dm 20,0mm 10,0mm 19,25mm

nf 8,5 2,5 3,5

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Six

Sigma


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Optimierung –

Gradientenverfahren

Parameter Startpunkt 1 Starpunkt 2 Startpunkt 3

d 1,912mm 1,195mm 1,741mm

dm 13,08mm 9,283mm 15,361mm

nf 5,897 2,519 2,503

Zielfunktionswert c 10,001N/mm 9,993N/mm 10,0N/mm

Iterationen 133 128 92

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Six

Sigma


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Ergebnis der Optimierung –

Zielfunktionswert

9

9,2

9,4

9,6

9,8

10

10,2

10,4

10,6

10,8

11

Grad1

Grad2

Grad3

ARSM1.1ARSM1.2ARSM2.1ARSM2.2ARSM3.1ARSM3.2EAlok

al1EAlok

al2EAlok

al3Eag

lobal1

EAgloba

l2

MC1

MC2

MC3

Ziel

funk

tions

wer

t

Ziel

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Six

Sigma


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Ergebnis der Optimierung –

Aufwand

0

100

200

300

400

500

Grad1

Grad2

Grad3

ARSM1.1ARSM1.2ARSM2.1ARSM2.2ARSM3.1ARSM3.2EAlok

al1EAlok

al2EAlok

al3Eag

lobal1

EAgloba

l2

MC1

MC2

MC3

Anz

ahl d

er Z

ielfu

nktio

nsau

fruf

e

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Six

Sigma


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Fazit Optimierung

es gibt mehrere Designpunkte die optimal sind

verschiedene Optimierungsalgorithmen angewendet –

Details zu den Verfahren im Seminar TQ018

einzelne Algorithmen führen bei einzelnen Startpunkten und bei einzelnen Einstellungen nicht zu einem gültigen Optimum

unterschiedlicher Aufwand bei den einzelnen Algorithmen

Erfahrung bei der Auswahl und der Anwendung der Optimierungs-

algorithmen

notwendig

Frage: Welcher Designpunkt ist der robusteste?

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Six

Sigma


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Robustheitsanalyse der Schraubendruckfeder

System

Einflussgrößen(c)

Störgrößen(n)

Eingangsgröße(m)

Ausgangsgröße(y)

•

Federsteifigkeit

•

Masse

•

1. Eigenfrequenz

•

Drahtdurchmesser

aus Optimierung

•

Wickeldurchmesser

•

Anz. fed. Windungen•

ggf. aus Optimierung

•

(Federweg)

•

…

•

Drahtdurchmesser

±0,05mm

•

Wickeldurchmesser

±0,4mm

•

Anz. fed. Windungen

±0,2

•

Schubmodul

Weibull; UG 78000; 0,02

•

Dichte

Weibull; UG 0,0078; 0,01

24

angegebene Toleranzen sind Ober-

bzw. Untergrenze für die Fertigung

bei stabilen Prozessen werden die Toleranzgrenzen nicht ausgeschöpft

diese Eigenschaft wird als Prozessfähigkeit cp

bzw. cpk

bezeichnet

mit diesem Index können die angegebenen Werte in 1–Werte und anschließend in Variationskoeffizienten CV umgerechnet werden


Six

Sigma


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Systemanalyse –

Umrechnung der Toleranzen

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angegebene Toleranzen sind Ober-

bzw. Untergrenze für die Gut-

Schlecht-Sortierung

angegebenen Größen müssen nicht symmetrisch sein


Six

Sigma


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Systemanalyse –

Umrechnung der Toleranzen

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Six

Sigma


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optiSLang –

Robustheitsanalyse -

Postprozessing

Designpunkt 1 Designpunkt 2 Designpunkt 3

Mittelwert 10,26 10,27 10,26

Standard-

abweichung0,4165 0,6159 0,4121

Fazit: Designpunkt 1 und Designpunkt 3 weisen ähnliche Streuungen auf, Designpunkt 2 ist weniger robust

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Six

Sigma


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optiSLang –

Robustheitsanalyse -

Postprozessing

Bestimmtheitsmaß

R2

stellt dar wie viel Prozent der Änderungen durch das Simulations-

modell

erklärt werden können

Beitragsleister liefern die Anteile der Parameter

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Six

Sigma


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optiSLang –

Robustheitsanalyse

Änderung der Streuung des Parameters dm

von ±0,4mm auf ±0,1mm

Vergleich der Streuungen des Outputparameters c

Fazit: die Streuung der Federsteifigkeit c konnte um ca. 15% verringert werden

neu=0,3441

alt=0,4165

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Six

Sigma


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Zusammenfassung

Mit Robust Design kann die Streuung der Produkteigenschaften vorhergesagt und gezielt verbessert werden

Man setzt Simulationsmethoden und -modelle ein bzw. führt systematische Versuche durch, um zu einem frühen Zeitpunkt in der Entwicklung detaillierte Aussagen über die zu erwartende Streuung zu erhalten

Mit Robust Design können die Parameter, die große Unsicherheiten in das System bringen, identifiziert und gezielt beeinflusst werden

Robust Design ist eine Basis für die Festlegung der Toleranzen der Bauteile, Systeme und Fertigungsprozesse

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Six

Sigma


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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

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