Was ist die DFMEA? Wie sich Fehler bereits in der Designphase des Produkts vermeiden lassen

Da Produkte zunehmend komplexer werden, reicht es nicht mehr aus, potenzielle Fehler erst während der Tests oder später, bei Produktionsbeginn, zu identifizieren. Unternehmen, die zuverlässigere, sicherere und robustere Produkte entwickeln möchten, müssen Fehler bereits in den frühen Phasen der Entwicklung antizipieren. Genau darauf zielt das Konstruktions-Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (DFMEA) ab.

Die DFMEA ist eine strukturierte Methode, mit der sich die potenziellen Fehlermodi eines Produkts bereits während der Designphase identifizieren lassen. Sie ermöglicht es, deren Auswirkungen zu bewerten, die jeweiligen Ursachen zu verstehen und Korrekturmaßnahmen festzulegen, um diese Fehler zu beseitigen oder zu reduzieren, bevor sie die Produktion erreichen oder an den Kunden weitergegeben werden. Durch die Anwendung eines präventiven Ansatzes senken Unternehmen die Entwicklungskosten, minimieren nachträgliche Änderungen, verbessern die Produktqualität, steigern die Kundenzufriedenheit und tragen zu industriellen Betriebsabläufen bei, die effizienter und robuster sind.

Obwohl die DFMEA ursprünglich für Branchen mit hohen Anforderungen an die Produktsicherheit wie die Automobil- und Luftfahrtindustrie entwickelt wurde, wird sie heute branchenübergreifend eingesetzt, um die Entwicklung neuer Produkte, Designänderungen und Innovationsprozesse zu unterstützen.

Die DFMEA ist mehr als nur ein Instrument zur Fehleranalyse: Sie fördert einen strukturierten Ansatz für die Entscheidungsmaßnahmen während der Produktentwicklung und unterstützt multidisziplinäre Teams dabei, Schwachstellen zu identifizieren, Prioritäten zu setzen und bereits ab der Designphase Qualität in das Produkt einzubauen.

In diesem Artikel erfahren Sie, was die DFMEA ist, wie sie funktioniert, welche Hauptschritte sie umfasst, wie sie sich von der PFMEA unterscheidet, wie sie sich im Laufe der Zeit entwickelt hat und wie sie in eine Operational Excellence-Strategie integriert werden kann, um Fehler zu reduzieren und robustere Produkte zu entwickeln.

Was ist die DFMEA?

Die DFMEA ist eine präventive Methode zur Fehler- und Einflussanalyse, mit der potenzielle Fehler während der Design- und Entwicklungsphase eines Produkts identifiziert, analysiert und reduziert werden. Ihr Hauptziel besteht darin, sicherzustellen, dass mit dem Design verbundene Fehler erkannt und behoben werden, bevor das Produkt in die Produktion geht, das heißt, bevor es dem Kunden zur Verfügung gestellt wird.

Im Gegensatz zu reaktiven Ansätzen, die Probleme erst nach ihrem Auftreten lösen wollen, ermöglicht die DFMEA, Fehlerszenarien bereits während der Entwicklung zu antizipieren. Für jede Produktfunktion identifiziert das Team mögliche Fehlermodi, analysiert deren Auswirkungen, bestimmt die wahrscheinlichen Ursachen und bewertet das Fehleriveau, um Maßnahmen zur Beseitigung oder Reduzierung dieses Fehlers an der Quelle festzulegen.

Diese Methode basiert auf einem multidisziplinären Ansatz, an dem in der Regel Fachleute aus den Bereichen Produktentwicklung, Qualität, Produktion, Einkauf, Lieferanten und, sofern möglich, Spezialisten mit Kenntnissen über die endgültige Anwendung des Produkts beteiligt sind. Die Kombination unterschiedlicher Perspektiven ermöglicht es, Fehler zu identifizieren, die in einer Analyse durch einen einzelnen Unternehmensbereich schwer zu erkennen wären.

Die DFMEA wird typischerweise in folgenden Situationen angewendet:

• Entwicklung neuer Produkte
• Entwicklung neuer Systeme, Subsysteme oder Komponenten
• Wesentliche Änderungen am Design bestehender Produkte
• Einführung neuer Materialien oder Technologien
• Kostensenkungsprojekte, die die Leistung oder Zuverlässigkeit des Produkts beeinträchtigen könnten

Die DFMEA trägt dazu bei, die Produktqualität zu verbessern, Garantie- und Nacharbeitskosten zu senken, die Entwicklungszeit zu verkürzen und das Vertrauen in technische Entscheidungen zu erhöhen. Sie ist außerdem ein wesentliches Instrument zur Erfüllung von Qualitätsanforderungen in Bereichen der diskreten und der Prozessfertigungsindustrie, einschließlich der Automobilindustrie, der Luftfahrt, der Elektronik, der Medizintechnik, der Chemie, der Lebensmittelindustrie und anderer Branchen, in denen die Produktzuverlässigkeit entscheidend ist.

Bei konsequenter Anwendung wird die DFMEA zu einem Instrument der Entscheidungsunterstützung, das die Entwicklung von Produkten fördert, die robuster, sicherer und besser auf die Erwartungen der Kunden abgestimmt sind.

DFMEA vs. PFMEA vs. FMEA: Was sind die Unterschiede?

Die Begriffe FMEA, DFMEA und PFMEA werden oft wie Synonyme verwendet, stellen jedoch unterschiedliche und sich ergänzende Konzepte dar.

Die FMEA (Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse) ist die allgemeine präventive Methode zur Fehleranalyse. Ihr Ziel ist es, potenzielle Fehlermodi zu identifizieren, deren Auswirkungen zu bewerten und Maßnahmen umzusetzen, die Fehler reduzieren oder beseitigen, bevor sie den Kunden betreffen. Innerhalb dieser Methode gibt es verschiedene Arten von FMEA, wobei die DFMEA (Konstruktions-Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse) und die PFMEA (Prozess-Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse) am häufigsten verwendet werden. Der Hauptunterschied zwischen den beiden liegt im Zeitpunkt des Produktlebenszyklus, zu dem sie angewendet werden, sowie in der Art des Fehlers, das sie analysieren.

Tabelle 1 – Unterschiede zwischen FMEA, DFMEA und PFMEA

In der Praxis zielt die DFMEA darauf ab, Fehler durch Verbesserungen im Produktdesign zu beseitigen oder zu reduzieren, während die PFMEA sicherstellt, dass der Produktionsprozess, einschließlich der Gestaltung der Fertigungslinie, der Fertigungsmethoden und der Montage, dieses Produkt gleichbleibend und in Übereinstimmung mit den definierten Anforderungen herstellen kann. Zusammen bilden sie zwei der wichtigsten Instrumente der präventiven Qualitätstechnik und tragen zur Entwicklung robusterer Produkte und zuverlässigerer Prozesse bei.

Warum ist die DFMEA für die Produktentwicklung wichtig?

Entscheidungen, die während der Entwicklungsphase eines Produkts getroffen werden, haben erheblichen Einfluss auf dessen Qualität, Kosten, Zuverlässigkeit und Leistung über den gesamten Lebenszyklus hinweg. Je später ein Designfehler erkannt wird, desto größer ist der Aufwand für seine Behebung und desto höher sind die damit verbundenen Kosten, die von technischen Änderungen und Verzögerungen bei der Markteinführung bis hin zu Kundenbeschwerden, Rückrufaktionen oder Garantiekosten reichen können.

Die DFMEA trägt zur Reduzierung dieser Fehler bei, indem sie es Teams ermöglicht, potenzielle Fehler bereits vor der Produktion zu identifizieren, wenn Designverbesserungen noch schneller und wirtschaftlicher eingeführt werden können, was zur Senkung der Industriekosten beiträgt. Anstatt auf bestehende Probleme zu reagieren, fördert sie einen präventiven Ansatz und integriert Qualität bereits ab der Designphase.

Über die Reduzierung technischer Fehler hinaus verbessert die DFMEA die Entscheidungsmaßnahmen während der gesamten Produktentwicklung. Die strukturierte Analyse der Fehlermodi ermöglicht es, Designalternativen zu vergleichen, kritische Merkmale zu identifizieren und Maßnahmen festzulegen, die die Robustheit und Zuverlässigkeit des Produkts vor der Industrialisierung erhöhen.

Ein weiterer wichtiger Vorteil ist die Einbeziehung multidisziplinärer Teams. Durch die Zusammenführung von Wissen aus Engineering, Qualität, Produktion, Einkauf, Lieferanten und Kundendienst erleichtert die DFMEA die Identifizierung von Fehlern, die in einer Analyse durch eine einzelne Funktion sonst unbemerkt bleiben könnten, und fördert so eine vollständigere Sicht auf das Produkt und seine erwartete Leistung.

Bei systematischer Integration in den Entwicklungsprozess trägt die DFMEA zu Folgendem bei:

• Entwicklung robusterer und zuverlässigerer Produkte
• Reduzierung technischer Änderungen in späteren Projektphasen
• Senkung der Garantie-, Nacharbeits- und Fehlerkosten
• Beschleunigung der Entwicklung und Industrialisierung neuer Produkte
• Verbesserung der Kundenzufriedenheit und der Einhaltung gesetzlicher Vorschriften

Die DFMEA ist ein Präventionsmechanismus, der Unternehmen hilft, Produkte von Anfang an richtig zu entwickeln, die Wahrscheinlichkeit von Fehlern zu verringern, bevor sie überhaupt auftreten, und zur Qualität und Produktivität in der Fertigungsindustrie beizutragen.

Die Schritte der DFMEA

Die DFMEA wird strukturiert entwickelt und verfolgt die Entwicklung des Produkts ab den frühesten Designphasen. Während das Design fortschreitet, wird die Analyse laufend überprüft, um neue Fehler zu identifizieren, technische Entscheidungen zu validieren und sicherzustellen, dass das Produkt die funktionalen, leistungsbezogenen, zuverlässigkeits- und sicherheitsrelevanten Anforderungen erfüllt. Der Prozess kann in fünf Hauptphasen unterteilt werden.

1. Umfang, Funktionen, Anforderungen und Fehlermodi definieren

Der erste Schritt besteht darin, den Umfang der Analyse festzulegen und das zu analysierende System, Subsystem oder die Komponente sowie ihre Grenzen, Schnittstellen und den Kontext, in dem das Produkt eingesetzt wird, zu identifizieren. Diese Definition trägt dazu bei, dass das Team ein gemeinsames Verständnis des Analysegegenstands hat, und vermeidet, dass kritische Funktionen oder Anforderungen übersehen werden.

Anschließend werden die Funktionen identifiziert, die das Element während seiner gesamten Nutzungsdauer erfüllen muss. Für jede Funktion werden die entsprechenden technischen, funktionalen und regulatorischen Anforderungen festgelegt. Das Team identifiziert dann potenzielle Fehlermodi, das heißt die Arten, in denen das Design diese Anforderungen möglicherweise nicht erfüllt, sowie die Auswirkungen, die diese Fehler auf den Kunden, das Produkt oder das System, in das es integriert ist, haben könnten.

In dieser Phase wird auch eine Klassifizierung des Schweregrads (Severity) vergeben, die die potenzielle Auswirkung jedes Fehlers darstellt.

2. Potenzielle Fehlerursachen identifizieren und Auftretenswahrscheinlichkeit bewerten

Nachdem die Fehlermodi identifiziert wurden, versucht das Team, deren potenzielle Ursachen zu verstehen.

Diese Ursachen können beispielsweise aus einer unzureichenden Materialauswahl, falschen Abmessungen, übermäßigen Toleranzen, unzureichender Festigkeit, Berechnungsfehlern, Inkompatibilität zwischen Komponenten oder Einschränkungen des Designkonzepts selbst resultieren.

Ebenso werden Design-Präventionskontrollen identifiziert, also die während der Entwicklung angewandten technischen Strategien zur Verringerung des Auftretens von Fehlerursachen. Wann immer möglich, sollten diese Kontrollen die Wahrscheinlichkeit des Auftretens der potenziellen Fehlerursache verringern oder diese durch das Design selbst beseitigen. Zu den gängigen Präventionskontrollen gehören validierte technische Normen, erprobte Technologien, Computergestütztes Engineering (CAE), technische Berechnungen und Design-Reviews.

Auf der Grundlage dieser Analyse wird eine Klassifizierung der Auftretenswahrscheinlichkeit (Occurrence) vergeben, die die Wahrscheinlichkeit widerspiegelt, mit der die potenzielle Fehlerursache auftritt.

3. Entdeckungskontrollen bewerten

In dieser Phase wird die Wirksamkeit der Design-Entdeckungskontrollen bei der Identifizierung von Ursachen oder Fehlermodi vor der Produkteinführung bewertet. Diese Kontrollen umfassen Verifizierungs- und Validierungsaktivitäten, die während der gesamten Entwicklung durchgeführt werden, um zu bestätigen, dass das Design die definierten Anforderungen erfüllt.

Im Gegensatz zur PFMEA liegt der Fokus nicht auf der Inspektion des Produktionsprozesses, sondern auf Design-Entdeckungskontrollen wie Design-Reviews, Labortests, Funktionstests, Prototypverifizierung und -validierung, Zuverlässigkeitstests und anderen Design-Verifizierungsaktivitäten. Computergestütztes Engineering (CAE), wie die Finite-Elemente-Analyse (FEA) oder die numerische Strömungsmechanik (CFD), können eine präventive Rolle spielen, wenn sie zur Optimierung des Designs vor dessen Fertigstellung eingesetzt werden, oder eine entdeckende Rolle, wenn sie zur Verifizierung oder Validierung bereits getroffener Designentscheidungen verwendet werden. Ihre Einordnung sollte daher von Fall zu Fall in Abhängigkeit von ihrem jeweiligen Verwendungszweck festgelegt werden.

Die Klassifizierung der Entdeckung (Detection) spiegelt die Fähigkeit dieser Kontrollen wider, eine Ursache oder einen Fehlermodus vor der Produkteinführung zu identifizieren. Je höher diese Kapazität ist, desto niedriger fällt die in der DFMEA zugewiesene Klassifizierung der Entdeckung aus.

4. Fehler priorisieren und Maßnahmen festlegen

Nachdem die Bewertungen für Bedeutung, Auftreten und Entdeckung vergeben wurden, bestimmt das Team, welche Fehler vorrangig behandelt werden sollten.

Die AIAG- und VDA- Methode empfiehlt derzeit die Verwendung der Action Priority (AP) zur Unterstützung dieser Entscheidung, obwohl viele Unternehmen weiterhin die Risk Priority Number (RPN) verwenden. Im Gegensatz zur RPN, die die Bewertungen für Bedeutung, Auftreten und Entdeckung zu einem einzigen numerischen Wert multipliziert, folgt die AP einer hierarchischen Logik: Die Bedeutung hat absoluten Vorrang und kann allein eine hohe Priorität bestimmen, unabhängig von den Werten für Auftreten und Entdeckung. Erst nachdem die Bedeutung festgelegt ist, beeinflussen die übrigen Kriterien die endgültige Einstufung, was sicherstellt, dass Fehler mit hoher Auswirkung auf den Kunden oder die funktionale Sicherheit stets angemessen berücksichtigt werden.

Entsprechend werden für jedes vorrangige Fehler-Maßnahmen zur Verbesserung der Designrobustheit festgelegt, wie beispielsweise geometrische Änderungen, die Auswahl neuer Materialien, die Überarbeitung technischer Anforderungen, die Verstärkung von Sicherheitsmargen oder zusätzliche Validierungen.

Jede Maßnahme muss einen klar definierten Verantwortlichen und einen Umsetzungstermin haben.

5. Maßnahmen umsetzen und die DFMEA aktualisieren

Nachdem die Verbesserungen umgesetzt wurden, wird die DFMEA aktualisiert, um zu überprüfen, ob der Fehler tatsächlich reduziert wurde.

Diese Neubewertung bestätigt die Wirksamkeit der eingeführten Änderungen und stellt sicher, dass das Produkt die definierten Anforderungen erfüllt, bevor es in die Produktion geht.

Die DFMEA ist ein lebendes Dokument und sollte die gesamte Entwicklung des Designs verfolgen. Immer wenn es Änderungen am Produkt, neue Anforderungen, Testergebnisse, Kundenbeschwerden oder aus der Produktion gewonnene Erkenntnisse gibt, sollte die Analyse überprüft werden, um sicherzustellen, dass sie weiterhin das tatsächliche Fehlerniveau des Produkts widerspiegelt.

Welche Informationen sollte eine DFMEA-Vorlage enthalten?

Ein Modell oder eine Vorlage für die DFMEA ist die Struktur, die zur Dokumentation der Analyse der mit dem Design eines Produkts verbundenen Fehler verwendet wird. Mehr als ein Formular, ist sie ein kollaboratives Arbeitsinstrument, das das Team durch den gesamten Entwicklungsprozess führt, von der Identifizierung der Produktfunktionen bis zur Umsetzung und Validierung von Verbesserungsmaßnahmen.

Obwohl das Format je nach Unternehmen variieren kann, folgen die Hauptfelder einer logischen Abfolge, die die Entwicklung der Analyse verfolgt.

Tabelle 2 – Struktur einer DFMEA-Vorlage

Unabhängig vom angewendeten Format sollte eine gute Vorlage für die DFMEA während des gesamten Produktentwicklungsprozesses aktualisiert werden. Designänderungen, Testergebnisse, neue Anforderungen oder Erkenntnisse aus früheren Projekten sollten in die Analyse einfließen und die DFMEA so zu einem Wissensspeicher und einem Instrument machen, das die kontinuierliche Verbesserung der Produktentwicklung unterstützt.

Häufigste Fehler bei der Anwendung der DFMEA

Die Wirksamkeit der DFMEA hängt von der Qualität der vom Team durchgeführten Analyse ab. Wird sie lediglich als Dokumentationspflicht behandelt, verringert sich ihr Potenzial zur Fehlervermeidung erheblich.

Zu den häufigsten Fehlern gehören:

• Zu später Beginn der DFMEA, wenn das Design bereits praktisch abgeschlossen ist und Änderungen kostspieliger werden.
• Behandlung der DFMEA als Compliance-Dokument statt als Instrument zur Entscheidungsunterstützung während der Entwicklung.
• Fehlende Einbeziehung eines multidisziplinären Teams, wodurch die Identifizierung von Fehlern und Verbesserungsmöglichkeiten eingeschränkt wird.
• Keine Aktualisierung der DFMEA nach Projektänderungen, Testergebnissen oder Erkenntnissen aus Industrialisierung und Produktnutzung.

Wird sie bereits ab den frühen Entwicklungsphasen angewendet und kontinuierlich aktualisiert, wird die DFMEA zu einem wesentlichen Instrument für die Entwicklung robusterer Produkte, die Reduzierung von Fehlern und die Sicherstellung von Qualität bereits ab der Designphase.

Wie die DFMEA in eine Operational Excellence-Strategie integriert werden kann

Die DFMEA schafft größeren Mehrwert, wenn sie nicht mehr eine einmalige Aktivität ist, sondern zu einem integralen Bestandteil des Produktentwicklungsprozesses wird. Anstatt nur zur Erfüllung von Qualitäts- oder Kundenanforderungen genutzt zu werden, sollte sie technische Entscheidungen von den frühen Design-Phasen bis zur endgültigen Produktvalidierung unterstützen.

Integriert in eine Operational Excellence-Strategie schafft die DFMEA eine Verbindung zwischen Produktentwicklung, Industrialisierung und kontinuierlicher Verbesserung. Informationen aus Tests, Produktion, Kundenbeschwerden und der tatsächlichen Leistung sollten genutzt werden, um die Analyse laufend zu aktualisieren, sodass jedes neue Projekt von den in früheren Entwicklungen gesammelten Erfahrungen profitieren kann.

Diese Integration fördert einen Built-in-Quality-Ansatz, bei dem Qualität nicht mehr von der Fehlerentdeckung abhängt, sondern stattdessen bereits in das Design des Produkts selbst integriert wird. Gleichzeitig stärkt sie die Zusammenarbeit zwischen Engineering, Qualität, Produktion und Lieferanten und stellt sicher, dass Entwicklungsentscheidungen den gesamten Lebenszyklus des Produkts berücksichtigen.

Wird sie auf diese Weise eingesetzt, ist die DFMEA nicht mehr nur ein Instrument zur Fehleranalyse, sondern wird zu einem zentralen Bestandteil der Produktentwicklung. Das Ergebnis sind robustere Produkte, effizientere Entwicklungszyklen, weniger Bedarf an nachträglichen Änderungen und ein Unternehmen, das kontinuierlich aus jedem neuen Projekt lernen kann.

Kaizen Institute unterstützt diese Integration durch einen kombinierten Ansatz über die am Produktlebenszyklus beteiligten Bereiche hinweg. Unsere Beratungsleistungen im Bereich Qualität stärken den Built-in-Quality-Ansatz und stellen sicher, dass Anforderungen an Robustheit und Fehlervermeidung von Anfang an berücksichtigt werden. Die Verbindung zwischen Engineering, Qualität und Produktion ermöglicht es, dass das während der Industrialisierung und des Produktionshochlaufs gewonnene Wissen in die kontinuierliche Verbesserung einfließt, wodurch sichergestellt wird, dass die DFMEA bereits ab der Design-Phase strukturiert angewendet wird. Auf diese Weise bleibt die Zusammenarbeit zwischen den Funktionen über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg erhalten, sodass jedes neue Projekt von den vorherigen lernen kann.

Noch Fragen zu DFMEA?

Wofür steht DFMEA?

DFMEA steht für Konstruktions-Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse. Es handelt sich um eine Methode zur Identifizierung, Bewertung und Reduzierung potenzieller Produktfehler während der Design-Phase.

Was ist der Unterschied zwischen DFMEA und PFMEA?

Die DFMEA analysiert die mit dem Produktdesign verbundenen Fehlern, während die PFMEA (Prozess-Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse) potenzielle Fehler im Fertigungs- oder Montageprozess identifiziert.

Was ist der Unterschied zwischen DFMEA und FMEA?

Die FMEA ist die allgemeine Methode zur Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse. Die DFMEA ist eine ihrer Anwendungen und konzentriert sich speziell auf die Analyse von Fehlern während der Produktentwicklung.

Was ist der Unterschied zwischen RPN und Action Priority?

Die RPN (Risk Priority Number) berechnet die Fehlerpriorität durch Multiplikation der Bewertungen für Bedeutung, Auftreten und Entdeckung. Obwohl sie über viele Jahre die am weitesten verbreitete Methode war, kann sie Fehler mit sehr unterschiedlichen Auswirkungen dieselbe Priorität zuweisen.

Die Action Priority (AP), eingeführt durch die AIAG- und VDA-FMEA- Methode (2019), wird als robustere Alternative zur RPN vorgestellt. Anstatt die drei Werte zu multiplizieren, verwendet sie hierarchische Entscheidungstabellen, die bestimmen, ob ein Fehler eine hohe, mittlere oder niedrige Priorität für Maßnahmen erfordert. Die RPN wird jedoch weiterhin in vielen Unternehmen und regulatorischen Kontexten verwendet, sodass die Einführung der AP anhand der spezifischen Anforderungen jedes Kunden und jeder Branche bewertet werden sollte.

Wer sollte an einer DFMEA teilnehmen?

Die DFMEA sollte von einem multidisziplinären Team entwickelt werden, an dem in der Regel Fachleute aus Produktentwicklung, Qualität, Produktion, Tests und Einkauf sowie, wann immer möglich, Lieferanten und Spezialisten für die Anwendung des Produkts beteiligt sind.