CAD-integrierte Zuverlässigkeitsanalyse und -optimierung

Abstract

Die Zuverlässigkeit beschreibt unmittelbar die Funktionsfähigkeit eines Produkts. Sie ist als zeitabhängige, d.h. dynamische Komponente der Qualität anzusehen und daher ein entscheidendes Verkaufsargument im Wettbewerb. Um zuverlässige Produkte auch unter sich verschärfenden Randbedingungen, wie z.B. größerer Komplexität und höherer Funktionalität entwickeln zu können, müssen vermehrt Methoden der Zuverlässigkeitstechnik eingesetzt werden. Die funktionalen Eigenschaften eines Produkts werden, ausgehend von den Kundenforderungen, weitgehend durch die konstruktive Entwicklung bestimmt. Selbst eine ausgereifte Konstruktionsmethodik führt nur durch den Einsatz von Zuverlässigkeitsmethoden zu einer hohen Produktzuverlässigkeit. Jedoch erfolgt die Ermittlung der Zuverlässigkeit von Bauteilen und Systemen meist spät im Produktentstehungsprozeß sowie isoliert vom rechnerunterstützten Konstruktionsprozeß. Im Sinne einer CAD-integrierten, frühen und konstruktionsphasenübergreifenden Zuverlässigkeitsanalyse und -optimierung soll die vorliegende Arbeit einen Beitrag leisten.

Basierend auf dem Stand der Konstruktionsmethodik und dessen Abbildung im CAD-System wurde die Anwendung von qualitativen und berechnenden Zuverlässigkeitsmethoden entlang des Produktentstehungsprozesses untersucht. Beginnend mit der Abbildung der Konzeptphase im CAD-System können mittels des Lebensdauermanagers zuverlässigkeitsrelevante Daten zu den geometrischen Objekten in einer Datenbank abgelegt werden. Darauf aufbauend können gängige Zuverlässigkeitsmethoden, wie z.B. Fehlerbaumanalyse und Boolesche Methode, ausgeführt werden. Eine inter-aktive Zuverlässigkeitsanalyse mit dem CAD-System, bereits in der frühen Phase, kann in der weiteren Entwicklung fortgeschrieben und verfeinert werden. Dadurch soll der Konstrukteur die geforderte hohe Produktzuverlässigkeit früher und genauer erreichen können, verglichen mit einem „CAD-isolierten“ Einsatz der Zuverlässigkeitsmethoden. Das Software-Werkzeug KOSYMA wurde hinsichtlich einer konstruktionsphasenbezogenen Datenablage weiterentwickelt. Bereits das Konzept in der Entwicklungsphase kann im Skizzenmodus des CAD-Systems abgebildet und mit dem Lebensdauermana-ger gekoppelt werden. Den erstellten geometrischen Objekten können somit Zuverlässigkeitsdaten zugewiesen werden, auf deren Basis die Zuverlässigkeitsanalyse erfolgt. Die Ergebnisse werden phasenbezogen und strukturiert in einer Datenbank abgelegt. In späteren Phasen der konstruktiven Entwicklung werden die Resultate als Basis für die weitere Zuverlässigkeitsanalyse verwendet und kontinuierlich verbessert und ergänzt. Diese Durchgängigkeit einer CAD-integrierten Zuverlässigkeitsanalyse wurde anhand der Fehlerbaumanalyse und anhand der Booleschen Methode gezeigt. Die Kopplung des CAD-Systems mit qualitativen Zuverlässigkeitsmethoden wurde am Beispiel der FMEA vorgestellt. Anhand des Beispiels Stellglied des elektromechanischen Kupplungssystems wurde die praktische Anwendung der Vorgehensweise durchgeführt. Abschließend wurde die Möglichkeit einer Kostenreduzierung eines Systems basierend auf der Weibullanalyse am Beispiel der Komponente Lager gezeigt.

In einer Fortsetzung dieser Arbeit soll die Unsicherheit der Zuverlässigkeitsdaten, die sich beispielsweise in den Vertrauensbereichen ausdrückt, berücksichtigt werden. Da-bei ist zu prüfen, wie die Datenunsicherheit der einzelnen Komponenten die Zuverlässigkeitsermittlung des Systems beeinflußt. Dabei ist auch auf die Durchgängigkeit der Zuverlässigkeitsinformationen zu achten. Weitergehende Untersuchungen sollen, aufbauend auf der vorgestellten weibullbasierten Kostenanalyse, hinsichtlich einer früheren Berücksichtigung des Kostenaspekts erfolgen. Mit dem Aufwand der Zuverlässigkeitstechnik kann ein Kosteneinsparpotential einhergehen, so daß ein Einsatz der Zuverlässigkeitsmethoden direkt gewinnbringend ist.

The reliability is defined as the probability of a technical system to perform a required function under specified conditions for a certain period of time. The reliability directly describes the operativeness of a product. In this way the reliability can be regarded as the dynamical part of the quality, which is a decisive criterion for sales under the pressure of competition. In order to develop reliable products under severe conditions, such as larger complexity, greater functionality, etc., reliability methods must be utilized. Customers specify the functional properties of a product by their demands. Almost exclusively design engineers realize these properties. Even though the methodology of design is sophisticated, only a development process, which is supported by reliability techniques, will lead to highly reliable products. However, the determination of the reliability of systems and its components is often full of imperfections. The investigation of the reliability is performed late in the computer aided design process. Moreover the methods of CAD and of reliability are applied isolated from each other. The advantage of an early CAD-integrated and design-stage oriented reliability analysis is obvious. In this way, the present work will contribute. Based on state-of-the-art design methodology and its application in a CAD system, the qualitative and quantitative methods of reliability analysis were investigated during the development process. Starting with the conceptual design stage in the CAD system, the relevant reliability data can be added to the geometrical objects by means of a life-time manager and a database. Current reliability methods, such as fault tree analysis, Boolean model, etc., can be performed based on this data. The application of CAD and reliability analysis is executed interactively. So an early reliability analysis can be updated and improved according to the progress of the design. Thus the required and specified reliability of a product will be reached earlier in the development process and additionally more exactly, compared with a reliability analysis, which is separated from the design process.

In order to store the relevant reliability data according to the design stages, the software module KOSYMA has been developed. KOSYMA illustrates the lifetime manager. Already the conceptual design of a product can be pictured in the sketch modus of the CAD system and linked with the lifetime manager. Reliability data is assigned to the geometrical objects, which were created in the CAD surrounding. Reliability analysis will be performed on this basis and stored according to the design stages in a database. In the following stages of the development process, these results can be utilized for further investigations. With this proceeding, the reliability data and its analysis are provided continuously during the CAD system. Using the fault tree analysis, the Boolean model as well as the Failure Mode Effects and Criticality Analysis this approach is presented and verified. The possibility and procedure of cost reduction measures based on a CAD-integrated Weibull analysis is also shown. The practical implementation of the approach in the software tools is demonstrated using the practical example of an electromechanical clutch actuator.

Future work on this subject will focus on the uncertainty of reliability data and the confidence interval. It is of particular interest how the uncertainty of reliability data of the single component affects the reliability analysis of the whole system. The different design stages should be considered for this aspect, too. There should be further investigations based on cost reduction measures. A step in this direction could be cost reduction based on a CAD-integrated Weibull analysis at earlier design stages.