PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 64 Transport 200 Andrzej ŚWIDERSKI Zakład Systemów Jakości i Zarządzania MON 02-010 Warszawa, ul. Nowowiejska 26 andrzej.swiderski@zsjz.pl 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 % 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.
16 Andrzej Świderski Źródło [3] Rys. 1. Charakterystyka kosztów jakości usuwania wad wyrobów 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 194 roku) oraz jej kolejnego wydania MIL-STD 1629A w 190 roku []. 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,,9,13,14,1]. 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]: ' ' K ( ) () t K, t = ' ε (2.1) W '() t
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 K, t = '' ε (2.2) '' K () t Przykładem takiej charakterystyki może być zdolność procesu lub niezawodność wyrobu (większa zdolność procesu, większa niezaw odność większa skuteczność). 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 (2.3) < 1, to SZJ jest nieskuteczny 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.
10 Andrzej Świderski 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, podzespołu, nowych materiałów, nowych zastosowań, szczególnego ryzyka 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... 11 Algorytm metody FMEA konstrukcji przedstawiono na rysunku 3. Kryteria liczbowego określenia wady wyrobu lub błędu procesu przedstawiono w tablicy 1.: Źródło: opracowanie własne Rys. 3. Algorytm metody FMEA konstrukcji Tablica 1. Kryteria liczbowego określenia znaczenia wady wyrobu Liczba Znaczenie szacunkowa S wady FMEA konstrukcji TŚT 1 Bardzo Nie należy oczekiwać, że wada będzie miała jakikolwiek istotny wpływ na warunki małe użytkowania wyrobu. 2-3 Małe Znaczenie wady jest małe i prowadzi tylko do niewielkiego utrudnienia. Zauważalne może być umiarkowane pogorszenie właściwości wyrobu. 4-6 Przeciętne Wada wywołuje ograniczone niezadowolenie. Wyrób nie zaspokaja potrzeb lub jest źródłem uciążliwości. Użytkownik dostrzega mankamenty wyrobu. - Duże Niezadowolenie użytkownika jest duże i jest wywołane niemożnością użycia wyrobu zgodnie z przeznaczeniem nie dotyczy to jednak zagrożenia bezpieczeństwa lub naruszenia przepisów prawa. 9-10 Bardzo Znaczenie wady jest bardzo duże, zagraża bezpieczeństwu użytkownika lub narusza duże przepisy prawa. Źródło: na podstawie [6]
12 Andrzej Świderski Kryteria liczbowego określenia ryzyka wystąpienia wady wyrobu przedstawiono w tablicy 2.: Tablica 2. Kryteria liczbowego określenia ryzyka wystąpienia wady wyrobu Liczba szacunkowa O Wystąpienie DFMEA konstrukcji Częstotliwość występowania wady 1 Nieprawdopodobne Wystąpienie wady jest nieprawdopodobne < 1/ 1 000 000 2 Bardzo rzadko Zdarza się stosunkowo mało wad 1 na 20 000 3 Rzadko Zdarza się stosunkowo mało wad 1 na 4 000 4-6 Przeciętnie Wada zdarza się sporadycznie co jakiś czas 1 na 1 000 1 na 400 1 na 0 - Często Wada powtarza się cyklicznie 1 na 40 1 na 20 9-10 Bardzo często Wady prawie nie da się uniknąć 1 na 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 Wykrywalność szacunkowa D wady FMEA konstrukcji 1-2 Bardzo wysoka Środki weryfikacji/kontroli na pewno wykryją daną wadę wyrobu/konstrukcji 3-4 Wysoka Środki weryfikacji/kontroli mają dużą szansę wykrycia danej wady wyrobu/konstrukcji -6 Przeciętna Być może środki weryfikacji/kontroli wykryją daną wadę wyrobu/konstrukcji - Niska Jest bardzo prawdopodobne, że środki weryfikacji/kontroli nie wykryją danej wady wyrobu/konstrukcji 9 Bardzo niska Z dużą pewnością można sądzić, że środki weryfikacji/kontroli nie wykryją danej wady wyrobu/konstrukcji 10 Bardzo niska 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... 13 Tablica 4. Wymagania dla mocowań oprzyrządowania Wolne od pęknięć nadwozia WYMAGANIA JAKOŚCIOWE Wolne od pocienienia poszycia nadwozia w okolicach montażu mocowań Wolne od pofałdowań poszycia nadwozia, powstałych w wyniku niewłaściwego usztywnienia Wolne od zarysowań Wolne od pofałdowań powstałych w wyniku podtłoczenia poszycia Źródło: opracowanie własne STOPIEŃ WAŻNOSCI Bardzo ważne Bardzo ważne Ważne Ważne Ważne Potencjalne przyczyny, wpływające na pękanie nadwozia w okolicy mocowań oprzyrządowania zawarto w diagramie Ishikawy (rys. 4.). Źródło: [2] Rys. 4. Diagram Ishikawy przyczyn pękania nadwozia 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. Tablica. Ważność przyczyn powodujących pękanie nadwozia Kod przyczyny Liczba wad Ważność [%] Źródło: opracowanie własne A 10 6,9 % B 20 13,9 % C 6 4,2 % D 3 2,1 % E 10 2,9% 144 100 % Ważność przyczyn wpływających na pękanie nadwozia członkowie zespołu ustalili na podstawie swojego doświadczenia technologicznego i konstrukcyjnego oraz zapisów
14 Andrzej Świderski 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 RPN q =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.), doprowadzając liczby RPN, w stosunku do wszystkich przyczyn, do wartości mniejszej od RPN q =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 Specjalistyczne nadwozie samochodowe Potencjalny rodzaj wady Pękanie nadwozia w okolicy umieszczenia mocowań oprzyrządowania specjalistycznego Źródło: opracowanie własne 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 O 2 Wykrywalność wad Przegląd projektu Przegląd projektu Przegląd projektu Przegląd projektu D RPN 392 12 44 112 Tablica. Podjęte działania zapobiegawcze Zmiany S O D RPN Zmiany S O D RPN Zmiany S O D RPN Zwiększenie sztywności użebrowań nadwozia 392 200 Zmniejszenie głębokości podtłoczeń nadwozia 6 240 200 Zwiększenie grubości nadwozia 200 200 FAZA I 6 34 FAZA II 6 34 FAZA III 4 160 Źródło: opracowanie własne 2 112 Wskaźnik oceny skuteczności jakościowej procesu projektowania, przyjmie postać (4.1): 2 112 q q RPN ( t) ε ( RPN, t) = (4.1) RPN( t) 2 112
Ocena skuteczności procesu projektowania technicznych środków transportu z wykorzystaniem metody... 1 Zobrazować go można na rysunku.: Źródło: [13] Rys.. Wykres charakterystyki wskaźnika oceny skuteczności procesu projektowania. 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] 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. [2] PN-EN ISO 9000:2006 Systemy zarządzania jakością. Podstawy i terminologia. [3] Bosiakowski Z. Ekonomiczne problemy sterowania jakością, wyd. PWE, 199. [4] Hamrol A., Mantura W.: Zarządzanie jakością. Teoria i praktyka, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa - Poznań 199. [] IEC 6012 Metody prowadzenia analizy FMEA i FMCA.
16 Andrzej Świderski [6] Juran J., Gryna F.: Jakość-projektowanie-analiza, wyd. WNT, Warszawa 194. [] MIL-STD 1629A:190 Procedure for Performing a Failure Mode, Effects and Criticality Analysis. [] KOLMAN R.: Inżynieria jakości; wyd. PWE, Warszawa 1992. [9] OAKLAND J. S.: Total Quality Management, wyd. Bulterwarth-Heinemann, Oxford 1992. [10] Podręcznik przywoławczy Chryslera, Forda, General Motors: Advanced Product Quality Planning (APQP), wydanie drugie 199. [11] Podręcznik przywoławczy Chryslera, Forda, General Motors: Analiza Potencjalnych Wad i ich Skutków (FMEA) wydanie drugie 199. [12] SAE J-139 Zasady prowadzenia analizy FMEA projektu, procesu i maszyn. [13] Szkoda J., Świderski A.: Problemy oceny skuteczności jakościowej procesów realizacji wyrobów w aspekcie wymagań AQAP, EIJ, Warszawa 200. [14] SZKODA J., KUBICKI A.: Wyznaczanie ryzyka wadliwości techniki wojskowej za pomocą metody FMEA, Mat. konf. nt. Problemy eksploatacji techniki wojskowej.; Kielce 2000. [1] 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