Robust Design als Design for Six Sigma Baustein bei der Robert ...
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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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Robust Design als Design for
Six
Sigma
Baustein bei der Robert Bosch GmbH
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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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Robust Design als Design for
Six
Sigma
Baustein bei der Robert Bosch GmbH
G2/PJ-BES, DS/PJ-BES, DS/ETD | 29.09.2010 | ©
Robert Bosch GmbH 2010. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen.
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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Robust Design als Design for
Six
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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
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Verify
Optimize
Design
Identify
Basis
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Six
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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
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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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Robust Design als Design for
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Warum brauchen wir Robust Design?
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Warum brauchen wir Robust Design?
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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Robust Design als Design for
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Warum brauchen wir Robust Design?
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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Robust Design als Design for
Six
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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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Robust Design als Design for
Six
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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
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Anwendungsbeispiel
Schraubendruckfeder
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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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Robust Design als Design for
Six
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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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Robust Design als Design for
Six
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Berechnungsablauf
federrate.bat
federrate.py
federrate.txt
1
2
5
3
4
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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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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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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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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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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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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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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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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
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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
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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
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Systemanalyse –
Umrechnung der Toleranzen
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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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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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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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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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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!