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Comparison of Taguchi Method and Robust Design Optimization (RDO) : by application of a functional adaptive simulation model for the robust product-optimization of an adjuster unit
(2015) Kemmler, Stefan; Fuchs, Alexander; Leopold, Tobias; Bertsche, Bernd
Current research and development have been trending towards approaches based on simulation and virtual testing. Industrial development processes for complex products employ optimization methods to ensure results are close to reality, simultaneously minimizing required resources. The results of virtual testing are optimized in accordance with requirements using optimization techniques. Robust Design Optimization (RDO) is one established approach to optimization. RDO is based on the identification of an optimal parameter set which includes a small variance of the target value as a constraint. Under most circumstances, this approach does not involve separate optimization of the target value and target variance. However, the basic strategy of the optimization approach developed by Taguchi is to first optimize the parameter sets for the target value and then optimize and minimize the target variance. According to an application example , the benefit of Taguchi's approach (TM) is that it facilitates the identification of an optimal parameter set of nominal values for technical feasibility and possible manufacturing. If an optimal parameter set is determined, the variance can be minimized under consideration of process parameters. This paper examines and discusses the differences between and shared characteristics of the robust optimization methods TM and RDO, and discusses their shortcomings. In order to provide a better illustration, this paper explains and applies both methods using an adjuster unit of a commercial vehicle braking system. A simulation model is developed including an appropriate work ow by applying optiSLang-modules.
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ERA - Energy-based reliability analysis - Energiebasierte Zuverlässigkeitsanalyse
(2014) Kemmler, Stefan; Koller, Oliver; Bertsche, Bernd
Da die Wechselwirkungen zwischen mechatronischen Komponenten in Systemen eine entscheidende Rolle auf ihre Belastung einnehmen, ist die Betrachtung dieser Wechselwirkungen un- verzichtbar. Zur Identifikation solcher Wechselwirkungen ist eine ergänzende Methode zur den bisher klassischen Systemanalysen von Nöten. Dies wird bei der vorgestellten energiebasierten Zuverlässigkeitsanalyse (engl. Energy-based Reliability Analysis - ERA) berücksichtigt, indem die stationären Energie- beziehungsweise die dynamischen Leistungsflüsse mechatronischer Systemen in Form von Energieflussdiagrammen dargestellt werden. Mit der Modellierung des Energieflusses und damit das Ansetzen des ERA-Verfahrens kann der Nutzer Wirkzusammenhänge und Schwachstellen erkennen, eine exaktere Bestimmung der Zuverlässigkeit durch Berechnung der Belastung erreichen und folglich Komponenten zuverlässigkeitsbasiert auslegen.
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Gestalten robuster und zuverlässiger Produkte mit der SMART-Methode
(2014) Kemmler, Stefan; Bertsche, Bernd
SMART ist eine adaptive Methode zur Gestaltung von robusten und zuverlässigen Produkten und kann zu jedem Zeitpunkt des PEP angewendet werden. Die praktische Anwendbarkeit der SMART-Methode zeigt sich bislang erfolgreich an einem komplexeren Produkt in einem Industrieprojekt. Hier wird die Anwendung der SMART-Methode am Beispiel einer Druckfeder durchgeführt und dient ausschließlich zur Erklärung und Veranschaulichung der Methode. Die Vorgehensweise in diesem Anwendungsbeispiel stützt sich größtenteils auf die Vorgehensweise nach Taguchi. Diese wird durch die RD Methode AD erweitert sowie dem PEP angeglichen und um die Musterphasen ergänzt. Zudem wird der Zuverlässigkeitsaspekt früh integriert. Mit AD wird eine Zuverlässigkeitsanalyse in die TM integriert, die sowohl komplexe Funktionsstrukturen als auch funktionale Systemstrukturen analysiert. Es gibt bislang Forschungsarbeiten, die sich mit der Implementierung von RD Methoden in der Praxis beschäftigen. Allerdings sind einige Unterschiede zur SMART-Methode erkennbar. SMART wird zeitlich genauer in den PEP eingeordnet und um die Musterphasen erweitert. Außerdem werden die eingesetzten Methoden AD sowie die drei Phasen nach Taguchi (SD, PD und TD Phase) gekoppelt und detailliert beschrieben. Schwerpunkt zukünftiger Forschungsarbeiten zur SMART-Methode bildet die Vertiefung des Zuverlässigkeitsaspekts. Dazu wird das Thema virtuelle Lebensdauerermittlung (VLE) näher ausgearbeitet und direkt in die Methode implementiert. Grundlage der bisherigen Lebensdauerermittlung von Bauteilen bilden Bauteil-Wöhlerlinien, bei denen die unterschiedlichen Eingangsstreuungen und deren Vertrauensbereiche nicht ganzheitlich berücksichtigt oder sogar vernachlässigt werden. Mit Hilfe der neuen Methode können zu einem frühen Design-Stand diese Aspekte berücksichtigt und das Ausfallverhalten beschrieben werden, beispielsweise eine nominelle Lebensdauer am Ende der PD Phase.
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Integrale Methodik zur Entwicklung von robusten, zuverlässigen Produkten
(Stuttgart : Institut für Maschinenelemente, 2018) Kemmler, Stefan; Bertsche, Bernd (Prof. Dr.-Ing.)
Produktanforderungen prosperieren mit Kundenanforderungen, die auf Basis einer immer rasantere und stetig ansteigende Funktionserfüllungen wachsen. Infolge dieses Trends steigt der Komplexitätsgrad mit zunehmender Funktionsdichte in Systemen, Produkten und Prozessen, wodurch wiederum die Forderungen nach Qualität bezüglich der Zuverlässigkeit, der Robustheit, der Sicherheit und der Energieeffizienz zunehmen. Um den gesamten, vorgenannten Ansprüchen gerecht zu werden, muss die Priorität im Produktentwicklungsprozess auf dem Gestalten von robusten, zuverlässigen Produkten und Prozessen mit deren Derivaten sowie deren Design-Parametern liegen, damit diese innerhalb der geforderten Einsatzzeit gegenüber Markt-/ oder Anforderungsschwankungen unempfindlicher reagieren. Um diese Unempfindlichkeit gegenüber internen sowie externen Störeinflüssen innerhalb einer geforderten Einsatzzeit mit geringster Varianz aufrecht zu erhalten, wird nach der in dieser Arbeit vorgestellten Theorie der robusten Zuverlässigkeit, eine Definition festgelegt, die die beiden Qualitätsanforderungen und Theorien Zuverlässigkeit und Robustheit vereint. Mit dem Erklärungs- und Modellierungsmodell R²-Modell und dessen Derivate R²-Prozess und R²-Feld-Modell wird die Theorie visualisiert und dem Ingenieur ein Entwicklungsbegleitendes Werkzeug zur Verfügung gestellt. Die bislang fehlende, methodisch geführte Enttwicklungsabfolge des Robust Designs sowie die mangelnde Kombination und der unberücksichtigte Zusammenschluss von Methoden der Zuverlässigkeitstechnik, geben Anlass zur Festlegung und Definition einer integralen Methodik zur Entwicklung robuster, zuverlässiger Produkte: die Systematic Methodology for Axiomatic Robust Reliability-Testing (SMAR²T). Die Methodik behandelt neben der beschreibenden, chronologischen Entwicklungsabfolge mit den vier Phasen: System Design, Parameter Design, Toleranz Design und Robuste Zuverlässigkeitserprobung, den Aspekt der frühzeitigen Erkennung von unerwünschten Resultaten, wie Früh- und Zufallsausfällen, sowie deren Berücksichtigung im Design.
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Lebensdaueranalyse auf Basis von multidimensionaler Zuverlässigkeits- und Robust Design Simulation : integrale Betrachtung der robusten Zuverlässigkeit
(2017) Kemmler, Stefan; Dazer, Martin; Leopold, Tobias; Bertsche, Bernd
Konventionelle Methoden des Robust Design verfolgen größtenteils Ansätze zur Varianzbetrachtung, die potentiell über der Produkteinsatzzeit auftreten können. Daher geben diese Methoden keine genauen Informationen über das zeitlich funktionale Verhalten der sich verändernden Produkteigenschaften und -anforderungen sowie deren Lebensdauer. Um genaue Lebensdauerprognosen bezüglich dieser Funktionserfüllung zu beschreiben, ist eine kontinuierliche Merkmalsänderung in Form von sogenannten Degradationsmodellen von Vorteil. Diese werden im Allgemeinen durch reale Versuche mit einem hohen Grad an zeitlichem und kostenintensivem Aufwand durchgeführt. Für eine effizientere Ermittlung der Modelle sollten bereits in frühen Phasen des Produktentwicklungsprozesses, virtuelle Degradationsmodelle entwickelt werden. Durch die genaue Kennung von Funktionsausfällen über der Zeit können nicht nur Produkte zielgerichtet ausgelegt, sondern auch unnötige Ressourcen eingespart werden.
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Method for the development of a functional adaptive simulation model for designing robust products
(2014) Kemmler, Stefan; Dazer, Martin; Leopold, Tobias; Bertsche, Bernd
Products have to ensure their function under the inuence of internal and external noise factors in order to remain competitive in the current market. Therefore the step of designing robust products should be integrated in early stages of the Product Development Process (PDP). Robust products are developed using the Robust Design Method SMART (Systematic Method for Axiomatic Robustness-Testing). Thus far, SMART was applied and veri ed based on a simple mechanical machine element. In this paper, the method will be applied to a complex technical system. Additionally, the confict of aiming between the high e orts and the level of detail in the creation of a simulation model are discussed. This confict is brought about owing to the complex functionality of the design. In order to solve the conict, an approach is given for the creation of an adjusted simulation model. Short simulation times are an advantage for the analysis of parameters regarding robustness. The adaptive simulation model discussed in this paper is based on a exible and equation-based model, which is extended with local -structural-mechanical SUB-models for a more detailed analysis. This approach o ers the option of obtaining rst insights about the functionality of the product and the opportunity to complement the simulation model iteratively for the following design phases. This approach complements SMART on the one hand in the simulative design of robust design parameters and, on the other hand, in their reliability prediction in both the Parameter Design and Tolerance Design phase.
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Robust Design Methodology for the development of commercial vehicle braking systems
(2015) Kemmler, Stefan; Leopold, Tobias; Fricke, Jens; Bertsche, Bernd
Today’s product requirements demand an ever increasing functionality for the same space and usually the same number of components. Thereby, the quality, reliability and robustness of these products should be preserved or even be increased. This target conflict cannot be solved without compromises. The research community between the Institute of Machine Components (IMA), University of Stuttgart, and the Knorr-Bremse Systeme für Nutzfahrzeuge GmbH is seeking for new solutions for these challenges. The new approaches for designing robust and reliable products are being implemented directly in a current development project of an innovative Air Disc Brake (ADB). With “Systematic Method for Axiomatic Robustness-Testing” (SMART), reliability methods and the basic concept of Robust Design methodology are related to the Taguchi Method. SMART is based on three phases: System, Parameter and Tolerance Design; accordingly, the sample phases of VDA (Association of German Automotives) are used as milestones. In the System Design, SMART focuses on the decreasing complexity according to the functional dependences of the DPs, thus precluding early random failures. In the Parameter Design phase, SMART gives the developer an approach for modeling an adaptive simulation model (SIM-SMART). This model also enables the simulation of random and possible fatigue failures in addition to the nominally robust DPs. In the early stage of product development, reliability predictions are possible. In the iterative Tolerance Design phase, the final tolerance limits for robust and reliable products are defined with consideration of compromises in terms of costs, quality and technical feasibility. With the application of SMART, a design concept of a new generation of an ADB with less complexity is created. The extensive functions for flexible function studies are modeled with the objective of SIM-SMART. Accordingly to this model, parameter studies for determination of the nominal adjustment levels can be performed and their random and fatigue failures modeled. In conclusion, more accurate reliability test strategies are recommended using the definition of tolerance limits. The cost aspect and technical feasibility are also taken into account. So far, SMART has not been added to the iterative Tolerance Design phase. With this paper, the method is not only extended to this phase, but also sufficiently validated. In addition, SMART can predict and analyze random failures. With its three coherent and iterative phases, it is an as yet unpublished and unimplemented approach for designing even more robust and reliable products. Robust Design Methodology and reliability methods are fundamental building blocks for products with high quality requirements. SMART presents an approach to support the designing of robust, reliable, highly functional and innovative ADB.
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Robust reliability or reliable robustness? : integrated consideration of robustness- and reliability-aspects
(2015) Kemmler, Stefan; Eifler, Tobias; Bertsche, Bernd; Howard, Thomas J.
Commonly, the terms reliability and robustness are used to describe products and processes, which are in accordance with the customer requirements and fulfil high quality expectations. However, significant differences between the underlying definitions raise the questions how reliable robust products are and vice versa. For a comprehensive understanding and to use existing synergies between both domains, this paper discusses the basic principles of Reliability- and Robust Design theory. The development of a comprehensive model will enable an integrated consideration of both domains in the future, will offer guidance for a systematic choice of corresponding methods and is thus aiming to pave the way for future research.
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Schwachstellen im Fokus : Analyse kritischer Systemstellen
(2014) Kemmler, Stefan; Bertsche, Bernd
Qualitativ oder quantitativ - wer seine Systeme untersuchen und Ausfallwahrscheinlichkeiten berechnen will, muss sich meist entscheiden. Ein Forschungsprojekt des Instituts für Maschinenelemente der Universität Stuttgart hat die energiebasierten Zuverlässigkeitsanalyse entwickelt, die beide Aspekte vereint und zudem die thermischen Bauteilwechselwirkungen mechanischer und elektronischer Bauteile einbezieht. So wird die Ausfallwahrscheinlichkeit umfassend unter der Berücksichtigung jeglicher Einflussfaktoren bestimmt.
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Systematic method for axiomatic robustness-testing (SMART)
(2014) Kemmler, Stefan; Bertsche, Bernd
SMART (Systematic Method for Axiomatic Robustness-Testing) is a method for the development of robust and reliable products. It combines elements from the robust design methodology with a holistic approach by using Axiomatic Design (AD) and the Taguchi Method (TM). These two methods were established and expanded by N.P. Suh [1990] (AD) and G. Taguchi [1949] (TM). SMART is based on the chronological sequence of the four phases of the Product Development Process (planning, conception, design and development) according to the VDI Guideline 2221. Using this chronological basis, the three process steps (System, Parameter and Tolerance Design) of the Taguchi Method are classified and integrated accordingly. The AD method is applied to the systematic examination of the robustness of designs. During the conceptual stage, one or more designs are generated by means of AD. AD also helps analyze the design’s complexity from the perspective of possible design modifications, thus assuring robust solutions. If a design has already been generated but needs improvement as things developed, AD is used as well. The design may not necessarily be changed in its basic structure but is examined in terms of its complexity. The results of AD support the setup of the P-Diagram according to Taguchi either after the conceptual stage or the design stage of the product. The following step is the Design of Experiments (DoE) of the product’s design parameters and noise factors that occur during its utilization. Testing may either be carried out by virtual or real tests. After analyzing the results of the tests, the design should be optimized accordingly in order to increase the robustness. A predicted reliability determination is possible as well. The last step is the adjustment of the tolerances of the design for cost optimization purposes. After a final robust design has been established, the actual durability and reliability of the design can be determined on the basis of reliability testing using Design for Reliability (DFR) methods. Basically, SMART can be used both in the initial stages as well as in the more developed stages of the development process.
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Systematisches Toleranz Design unter Berücksichtigung von Funktions- und Kostenaspekten nach der robusten Zuverlässigkeitsmethode SMAR²T
(2015) Kemmler, Stefan; Fuchs, Alexander; Leopold, Tobias; Bertsche, Bernd
Tendenzen für heutige Herausforderungen zur effizienten Produktentwicklung verlagern sich in Richtung von simulativ gestützten virtuellen Herangehensweisen. Hierfür werden in der industriellen Entwicklung komplexer Produkte zunehmend Methoden angewandt, die unter Einsparung von notwendigen Ressourcen umfassende realitätsnahe Ergebnisse liefern. Diese Ergebnisse werden zielgerichtet an die jeweilige Anforderung unter Berücksichtigung deren Robustheit, technische Realisierbarkeit sowie Kosten bezüglich variierender Toleranzeinstellungen, optimiert. Zur Veranschaulichung der methodischen Vorgehensweise zum Gestalten robuster und zuverlässiger Produkte unter Berücksichtigung von Funktions- und Kostenaspekten wird die Vorgehensweise zur Bestimmung eines Kostenmodells im Toleranz Design nach SMAR²T (Systematic Method for Axiomatic Robust Reliability-Testing Method) anhand eines einfachen technischen Systems (Überlastkupplung) diskutiert.