FMEA

Grundidee und Zweck

Die FMEA (englisch „Failure Mode and Effects Analysis“, deutsch Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse oder Auswirkungsanalyse) ist eine analytische Methode der Zuverlässigkeitstechnik. Sie liefert qualitative Aussagen, indem mögliche Produkt- oder Prozessfehler bewertet werden. Maßgeblich sind ihre Bedeutung für den Kunden, die Auftretenswahrscheinlichkeit und die Entdeckungswahrscheinlichkeit. Ziel ist, Fehler möglichst früh zu vermeiden, statt sie erst später zu entdecken und zu korrigieren.

Die Methode wird vorbeugend im Qualitäts- und Sicherheitsmanagement eingesetzt, besonders in der Entwurfs- und Entwicklungsphase neuer Produkte oder Prozesse. Bereits in der Planung werden mögliche Fehlerursachen erkannt und bewertet. Dadurch lassen sich Kontroll- und Fehlerfolgekosten in der Produktion oder beim Kunden vermeiden. Außerdem können Entwurfsmängel bei späteren Produkten und Prozessen vermieden werden. Eine frühe Anwendung ist wirtschaftlich besonders sinnvoll, weil die Korrekturkosten steigen, je später ein Fehler entdeckt wird.

Die FMEA ist vor allem in der Automobilindustrie sowie in der Luft- und Raumfahrt verbreitet, wird aber auch in anderen Branchen gefordert. Je nach Industriezweig gelten unterschiedliche Methodenbeschreibungen. Die DIN EN 60812 bezeichnet sie als Fehlzustandsart- und -auswirkungsanalyse und befasst sich mit der Funktionsfähigkeit von Systemen.

Arten der FMEA

Die FMEA kann nach dem betrachteten Gegenstand und nach dem Zeitpunkt ihrer Durchführung unterschieden werden.

• Die Design-FMEA oder Konstruktions-FMEA (D-FMEA beziehungsweise K-FMEA) untersucht in Entwicklung und Konstruktion systematische Fehler und bewertet frühzeitig die Fertigungs- und Montageeignung eines Produkts.
• Die System-FMEA betrachtet das Zusammenwirken von Teilsystemen, Komponenten und Schnittstellen in einem komplexen System. Sie sucht Schwachstellen, die durch die Interaktion der Komponenten oder des Systems mit der Umwelt entstehen können, und berücksichtigt zufällige sowie systematische Fehler während des Betriebs.
• Die Hardware-FMEA analysiert Risiken von Hardware und Elektronik, während die Software-FMEA diese Aufgabe für erzeugten Programmcode übernimmt.
• Die Prozess-FMEA (P-FMEA) untersucht mögliche Schwachstellen im Herstellungsprozess mit dem Ziel der Qualitätssteigerung. Sie kann auf Ergebnissen der Design-FMEA aufbauen oder unabhängig durchgeführt werden.

Im VDA-Regelwerk von 2007 wurden System-FMEA sowie Hardware-, Software- und Konstruktions-FMEA zur Produkt-FMEA zusammengefasst, weil ein zu betrachtendes System oft nicht eindeutig aufgelöst werden kann. Dieses Regelwerk wurde 2019 durch das AIAG-VDA-FMEA-Handbuch ersetzt. Die System-FMEA auf Bauteilebene entspricht der früheren Konstruktions-FMEA und untersucht alle Bauteilmerkmale, die für die geforderte Bauteilfunktion erforderlich sind. Die System-FMEA Prozess prüft dagegen den gesamten Herstellungsprozess und übernimmt Fehler aus der Produkt-FMEA, wenn deren Ursache im Herstellungsprozess liegt.

Eine präventive FMEA identifiziert und beseitigt Fehler möglichst frühzeitig. Laut Artikel entstehen etwa 75 % der Fehler in der Definitions-, Entwicklungs- sowie teilweise in der Produktions- und Planungsphase; ungefähr 80 % werden erst in der Planungs-, Produktions-, Produktionsprüfungs- oder Nutzungsphase entdeckt. Eine korrektive FMEA untersucht Fehler in späteren Lebenszyklusphasen und betrachtet Prozess, Produkt und Komponenten rückwärts. Die Reverse FMEA überprüft eine Prozess-FMEA mithilfe von Auditerkenntnissen und dokumentierten Fehlermöglichkeiten. Die MSR-FMEA (Monitoring und Systemreaktion) wird in der Automobilindustrie eingesetzt, um Fehlerfolgen durch Überwachung und automatische Reaktionen zu verhindern. Als Beispiel wird ein überwachten AdBlue-Füllstand genannt: Bei niedrigem Stand wird zum Nachfüllen aufgefordert; bei weiter sinkendem Stand wird ein erneuter Motorstart verhindert.

Durchführung und Risikobewertung

Eine FMEA wird von einem interdisziplinären Team durchgeführt. Dazu gehören insbesondere Konstruktion, Entwicklung, Versuch, Fertigungsplanung, Fertigungsausführung und Qualitätsmanagement. Der Ablauf wird mit Formblättern, etwa nach QS-9000, VDA oder AIAG, beziehungsweise mit Software formalisiert; im Artikel wird hierfür auch VDA 4.2 genannt.

Die Analyse umfasst:

• die Eingrenzung und Strukturierung des betrachteten Systems,
• die Definition der Funktionen seiner Strukturelemente,
• die Ermittlung potenzieller Fehlerursachen, Fehlerarten und Fehlerfolgen,
• die Risikobeurteilung,
• Vorschläge für Maßnahmen zu priorisierten Risiken,
• die Verfolgung vereinbarter Vermeidungs- und Entdeckungsmaßnahmen sowie
• die abschließende Bewertung des verbleibenden Restrisikos.

Ein möglicher Fehler wird vom Fehlerort ausgehend untersucht. Danach werden Fehlerart und Fehlerfolge beschrieben und schließlich die Fehlerursache ermittelt. Zur Suche nach Ursachen kann ein Ursache-Wirkungs-Diagramm eingesetzt werden. Für jede erkannte Ursache sollen Maßnahmen zur Vermeidung und/oder Entdeckung festgelegt und umgesetzt werden.

Die Kennzahlen B, A und E stehen für Bedeutung, Auftretenswahrscheinlichkeit und Entdeckungswahrscheinlichkeit; im Englischen heißen sie SOD: Severity, Occurrence und Detection. Die ganzzahligen Werte liegen jeweils zwischen 1 und 10 und werden anhand von Bewertungskatalogen vergeben. Bei der Bedeutung bedeutet 10 eine schwere und 1 eine geringe Fehlerfolge. Bei der Auftretenswahrscheinlichkeit steht 10 für häufiges und 1 für seltenes Auftreten. Bei der Entdeckungswahrscheinlichkeit bedeutet 10 eine geringe und 1 eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass Ursache oder Fehler vor der Übergabe an den Kunden entdeckt werden.

Die klassische Risiko-Prioritätszahl (RPZ, auch RPN) wird nach der Formel RPZ = B · A · E berechnet und kann Werte von 1 bis 1000 annehmen. Sie soll eine Rangfolge von Risiken ermöglichen und dadurch Prioritäten für Maßnahmen bestimmen. Nach DIN EN 60812 ist diese Aussage im Allgemeinen jedoch nicht erfüllt. Die FMECA erweitert die FMEA um die Kritikalität und liefert quantitative Aussagen. Die Fehlerbaumanalyse betrachtet das Zusammenspiel verschiedener Ursachen beziehungsweise Ereigniskombinationen und liefert ebenfalls quantitative Aussagen. Die FMEDA untersucht zusätzlich Mehrfachfehler und trifft quantitative Aussagen.

Maßnahmen und neue Aufgabenpriorität

Vermeidungsmaßnahmen senken die Auftretenswahrscheinlichkeit einer Fehlerursache und begründen damit die Bewertungszahl A. Entdeckungsmaßnahmen erhöhen die Wahrscheinlichkeit, eine Fehlerursache, einen Fehler oder eine Fehlerfolge zu erkennen, und begründen die Bewertungszahl E. Im Zweifelsfall soll eine Vermeidungsmaßnahme einer Entdeckungsmaßnahme vorgezogen werden.

Für den Ist-Stand werden Maßnahmen meist ohne Verantwortlichen und Termin dokumentiert; aus B, A und E wird zunächst die Priorität berechnet. Zusätzliche Maßnahmen können beispielsweise den Einsatz verbesserter Bauteile oder zusätzliche Prüfungen umfassen. Nach Änderungen an Produkt oder Prozess ist für den betroffenen Bereich eine neue Risikobetrachtung nötig, da Verbesserungen auch neue Nachteile wie höheres Gewicht oder höheren Stromverbrauch mit sich bringen können. Für kontinuierliche Verbesserungen können mehrere Maßnahmenstände mit jeweils eigenen A- und E-Werten und eigener RPZ gebildet werden.

Im ehemaligen AIAG-Regelwerk wurden zunächst Fehlerfolgen mit der höchsten Bedeutung, insbesondere B = 10, priorisiert. Danach wurde B · A als Kritikalität oder technisches Risiko betrachtet; erst anschließend diente die RPZ zur Priorisierung der übrigen Punkte. Das ehemalige VDA-Regelwerk kannte diesen Ablauf nicht in gleicher Form und empfahl stattdessen eine Risikomatrix anstelle eines starren RPZ-Grenzwerts.

Das harmonisierte AIAG-VDA-FMEA-Handbuch von 2019 ersetzt RPZ- und Risikomatrixansätze durch die Aufgabenpriorität (AP). Die AP ist keine Zahl, sondern bewertet die Notwendigkeit zusätzlicher Verbesserungsmaßnahmen als hoch, mittel oder niedrig. Dabei werden alle Kombinationen aus B, A und E berücksichtigt. Sie soll die Schwächen der früheren Priorisierung beheben und angeben, wie dringend weitere Maßnahmen erforderlich sind.

Kritik, Standards und Entwicklung

Die klassische RPZ ist als alleinige Risikobewertung problematisch. Die Multiplikation der ordinal skalierten Werte B, A und E ist mathematisch streng genommen nicht definiert. Außerdem ist nicht sichergestellt, dass ähnliche Risiken dieselbe RPZ erhalten oder dass Risiken mit gleicher RPZ gleich akzeptabel sind. Beispielsweise kann RPZ = 120 sowohl aus 10 × 3 × 4 als auch aus 5 × 8 × 3 entstehen. Eine Fehlerfolge mit B = 10 und mäßiger Entdeckbarkeit E = 4 kann weniger akzeptabel sein als eine häufig auftretende Fehlerfolge mit B = 5, A = 8 und guter Entdeckbarkeit E = 3. Ein absolutes Risikopotenzial lässt sich aus den Faktoren nicht ableiten. Der hohe Zeitaufwand für Erstellung und Pflege der FMEA ist ein weiterer Kritikpunkt; Künstliche Intelligenz wird im Artikel als Möglichkeit zur Effizienzsteigerung genannt.

Diese Schwächen sind seit 2003 belegt und wurden 2006 in der DIN EN 60812 benannt. Allgemeine Anforderungen an RPZ-basierte Risikoanalysemethoden wurden in DIN VDE V 0831-101 festgelegt. Für die Eisenbahn-Signaltechnik wurde mit DIN VDE V 0831-103 eine darauf aufbauende Methode eingeführt. Die allgemeine Normierung begann 1980 mit DIN 25448 („Ausfalleffektanalyse“), die 2006 durch DIN EN 60812 ersetzt beziehungsweise aktualisiert wurde. In der Automobilindustrie löste das harmonisierte AIAG-VDA-Handbuch von 2019 die früheren Regelwerke ab.

Historisch wurde die FMECA zunächst als militärisches Verfahren beschrieben. Später verbreitete sich die Methode in Luft- und Raumfahrt sowie Automobilindustrie und anschließend in Bereichen wie Medizintechnik, Lebensmittelindustrie, Anlagenbau und Software-Entwicklung. In der Lebensmittelindustrie wird das auf Gefahrenanalyse und kritische Kontrollpunkte ausgerichtete HACCP-Konzept eingesetzt; in der Europäischen Union ist HACCP seit 2006 für Produktion und Handel mit Lebensmitteln verpflichtend. Toyota entwickelte außerdem die änderungsorientierte DRBFM-Methode, bei der Kennzahlen vollständig entfallen und Maßnahmen durch Fachleute beziehungsweise im Team festgelegt werden. Weitere Standards und Erweiterungen sind FMECA für Ausfallwahrscheinlichkeit und erwarteten Schaden sowie FMEDA für die quantitative Zuverlässigkeitsanalyse elektronischer Bauteile und die Bestimmung der Safe Failure Fraction (SFF) nach IEC 61508.