Belastbarer Umgang mit technischen Unsicherheiten

Statistik, RAMS & Qualitätsmanagement
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FMEA und FMECA mit Beispielen

Im Rahmen von Funktionaler Sicherheit erstelle ich regelmässig FMEAs auf elektronischer Einzelteilebene.

Inhaltsverzeichnis

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1. FMEA: Einleitung

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FMEA ist die englische Abkürzung für Failure Mode and Effect Analysis. Eine treffende deutsche Übersetzung ist z.B. Fehlermoden und Auswirkungsanalyse. Das C bei FMECA steht für Criticality bzw. Kritikalität, und bezeichnet einen bestimmten Typ FMEA.
Abhängig vom Industriezweig haben mehrere Typen FMEA einen gewissen Verbreitungsgrad gefunden, die vom Namen her teilweise nicht als solche erkennbar sind, beispielsweise FMEDA (D= Diagnose oder detectability), Design (Entwicklungs)-FMEA, Prozess-FMEA, HAZOP (Hazard and Operability Analysis), HACCP (Hazard Analysis and Critical Control Point) usw.

Das Grundprinzip ist bei allen FMEA Typen das Selbe:
Für einen festgelegten Betrachtungsgegenstand (z.B. ein Gerät, ein Prozess, eine Kühlkette,...) werden potentielle Fehler identifiziert. Dabei ist es unerheblich, ob diese Fehler bereits vorgekommen sind, oder ob sie sich jemand "nur" vorstellen kann. Die Identifikation der potentiellen Fehler kann entsprechend der Zielsetzung der FMEA unterschiedlich vorgenommen werden. Die Spanne des praktisch Vorkommenden sei anhand der folgenden beiden Grenzfälle beschrieben:
  1. Eine (moderierte) Gruppe von sich frei äussernden Personen. Fast alle themenbezogenen Gedanken sind erlaubt und auch erwünscht. Die Ergebnisse können und sollen unerwartet und überraschend sein.
  2. Eine Einzelperson, die anhand von festgelegten Regeln (Standards, Tabellen,...) vorgeht. Die Ergebnisse sind im Voraus bereits qualitativ bekannt und werden durch die (in diesem Fall Piece-Part-) FMEA quantitativ untermauert. Hier wird nach vorgegebenem Schema gearbeitet. 
Abhängig vom FMEA Typ kann der Hauptzweck die Herbeiführung einer Verbesserung einerseits, die qualitative oder auch quantitative Dokumentation des fehlertechnischen Istzustandes andererseits sein. Dies wird in den verschiedenen FMEA Typen durch Adressierung eines oder mehrerer der folgenden Aspekte erreicht:
Die meisten FMEA Typen sind "lebende" FMEAs, das bedeutet, sie können jederzeit erweitert oder korrigiert werden. Bei diesen FMEAs kommen noch einige Aspekte hinzu, die hier nicht explizit aufgelistet werden:  Es handelt sich im Grunde um die weiter oben aufgelisteten Aspekte unter dem Blickwinkel bereits umgesetzter Verbesserungsmassnahmen, d.h., Die FMEA wird wiederholt, um die Wirksamkeit der massnahmen zu beurteilen.

Das zentrale Werkzeug einer FMEA ist (ggfs. neben der Moderation) die FMEA Tabelle, deren Spalten entsprechend des FMEA Typs ganz spezifische Spaltentitel aufweisen und dadurch die FMEA Methodik vorgeben.
Umgekehrt ist an der Struktur der Spaltentitel meistens der zugrundeliegende FMEA Standard und damit auch der Industriezweig ablesbar.

Es wird hier bewusst auf eine Aufzählung verschiedener  FMEA Standards verzichtet, denn im Grunde unterscheiden sich ihre Inhalte nicht wesentlich. In den folgenden Abschnitten werden mit der Beschreibung von nur drei FMEA Typen aus lediglich 2 Standards (Mil-STD-1629 und IEC 60812) alle wesentlichen FMEA Aspekte abgedeckt. 

In der FMEA Praxis haben sich unter Anderem die Begriffe Prozess-FMEA, Design-FMEA, Software-FMEA, usw. etabliert. Diese Begriffe bezeichnen lediglich das Anwendungsgebiet bzw. den Betrachtungsgegenstand; ein Zusammenhang mit unterschiedlichen FMEA-Typen lässt sich aus diesen Begriffen nicht ableiten.

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2. FMEA Mil-STD-1629 Task 101: Piece Part FMEA

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Als einführendes Beispiel sei zuerst eine FMEA Tabelle der Mutter aller FMEA Standards, Mil-Std-1629, abgebildet (Task 101 des Mil-Std-1629).  Mil-Std-1629 wurde in den 1960 Jahren vom US Militär etabliert und als methodische Forderung an seine Zulieferer gestellt. 

FMEA Mil-STD-1629 Task 101 Piece Part FMEA

Die Spaltentitel lassen bereits erkennen, dass der Betrachtungsgegenstand ein im Einsatz befindliches Gerät sein muss.
Das wesentliche Ziel dieser FMEA ist eine Fehlersammlung.
Im Folgenden werden die Spalten etwas genauer beschrieben.


Spaltentitel
Erläuterungen
1
Identification
Number
Eine fortlaufende Nummer zu beschreibenden Rubrik. Die Rubrik kann ein Teil, oder eine bestimmte Funktion des Betrachtungsgegenstandes sein.
2
Item / Functional Identification (Nomenclature)
Eine eindeutige Bezeichnung der Rubrik.
3
Function
Die Funktion des Items, die hier  genauer betrachtet werden soll.
Pro Item (2) kann es mehrere Funktionen geben
4
Failure Modes and Causes
Mögliche Fehler der Funktion und die möglichen Ursachen.
Hinweis: In den meisten anderen FMEA Typen sind für Fehler und Ursachen getrennte Spalten vorgesehen.
Pro Funktion (3) kann es mehrere Failure Modes + Causes geben
5
Mission Phase / Operational Mode
Diejenige Phase der Mission / diejenige Betriebsart, in der der betrachtete Fehler vorkommt.
Hinweis: Je nach Art des Betrachtungsgegenstandes, oder je nachdem wo er eingebaut ist (Flugzeug, landfahrzeug, U-Boot, ...) können völlig unterschiedliche Missionsphasen vorkommen.
6
Failure Effects
Die Auswirkungen des Fehlers auf unterschiedlichen Ebenen. Bei umfangreichen Betrachtungsgegenständen kann sich der End Effect auf die Systemebene, Next Effect auf ein Teilsystem, und Local Effect auf eine Baugruppe beziehen. Bei kleineren Betrachtungsgegenständen kann sich Local Effect auf ein einzelnes Bauteil beziehen, und End Effect auf das (kleine) System beziehen, wobei es die Stufe Next Effect dann hier nicht gibt.
Pro Failure Mode (4) kann es mehrere Failure Effects geben.
7
Failure Detection Method
Wie wird der Fehler, falls er auftaucht, entdeckt?  Dies kann z.B. eine Routinediagnose sein, selbstoffenbarend oder auch unentdeckbar sein.
8
Compensating Provisions
Massnahmen (z.B. konstruktiver Art), die die Auswirkung des Fehlers verringern, oder auch das Eintreten des Fehlers selbst verhindern.
9
Severity Classification
Klassifizierung der Schwere des Fehlers oder seiner Auswirkungen. Im militärischen Bereich sind 4 bis 5 Stufen üblich.
10
Remarks
Eine sehr wichtige Spalte. Hier wird alles vermerkt, was nicht ins vorgegebene FMEA-Tabellenschema passt, oder was sonst noch für wichtig erachtet wird.

Die Spalten lassen erkennen, dass es sich um eine qualitative FMEA, also primär um eine Fehlersammlung, geht.
Das folgende Beispiel, Task 102 des Mil-Std-1629, ist eher quantitativer Natur.


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3. FMEA Mil-STD-1629 Task 102: Criticality Analysis

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Mil-Std-1629 Task 102 Criticality Analysis

Das wesentliche Ziel dieser FMEA ist die genaue Ermittlung der zu erwartenden Anzahlen an Fehlern während einer (militärischen) Mission. 

Spalte 7, Failure Probability / Failure Rate Data Source erwartet offensichtlich eine Fehlerrate oder MTBF als Eingabe. Dadurch bekommt dieser FMEA Typ quantitative Natur.  


Spaltentitel
Erläuterungen
1
Identification Number Eine fortlaufende Nummer der in dieser und evtl. folgenden Zeilen beschriebenen Rubrik. Die Rubrik kann ein Teil, oder eine bestimmte Funktion des Betrachtungsgegenstandes sein.
2
Item / Functional Identification (Nomenclature) Eine eindeutige Bezeichnung der in dieser und evtl. folgenden Zeilen beschriebenen Rubrik.
3
Function
Die Funktion, die hier jetzt genauer betrachtet werden soll.
Pro Item (2) kann es mehrere Funktionen geben
4
Failure Modes and Causes Mögliche Fehler der Funktion und die möglichen Ursachen.
Hinweis: In den meisten anderen FMEA Typen sind für Fehler und Ursachen getrennte Spalten vorgesehen.
Pro Funktion (3) kann es mehrere Failure Modes + Causes geben
5
Mission Phase / Operational Mode Diejenige Phase der Mission / diejenige Betriebsart, in der der betrachtete Fehler vorkommt.
Hinweis: Je nach Art des Betrachtungsgegenstandes, oder je nachdem wo er eingebaut ist (Flugzeug, landfahrzeug, U-Boot, ...) können völlig unterschiedliche Missionsphasen vorkommen.
6
Severity Classification Klassifizierung der Schwere des Fehlers oder seiner Auswirkungen. Im militärischen Bereich sind 4 bis 5 Stufen üblich.
7
Failure Probability /
Failure Rate Data Source
Failure Probability = eigentlich Fehlerwahrscheinlichkeit und daher irreführend. Hier sollte besser die Item-Fehlerrate stehen, in der Regel auf eine Million Stunden bezogen (fpmh, failures per million hours). Die Fehlerrate ist im Gegensatz zur Fehlerwahrscheinlichkeit besser im Einklang mit den folgenden Spalten.  
Fehlerraten kann man auf sehr unterschiedliche Weisen ermitteln. Für Elektronik gibt es eine Reihe von Standards.
Failure Rate Data Source = Wie wurde die Fehlerrate ermittelt (Z.B. durch Schätzen, Mil-217, etc. )
Mit dieser und den folgenden Spalten wird die FMEA quantitativ.
8
Beta, Failure Effect Probability
Im Normalfall =1. Die Wahrscheinlichkeit dafür, dass der eingetretene Fehler Auswirkungen zeigt.
Beispiel:
Ein elektrischer Stecker bestehe aus 10 Pins. Die Fehlermoden wurden aus einer Tabelle entnommen und besagen auf gesamter Steckerebene lediglich "kein Kontakt", "Kurzschluss" und "Wackelkontakt". Wenn der hier behandelte Fehlermode nur 2 von den 10 Kontakten betrifft, dann würde man hier für Beta den Wert 0,2 eintragen.
9
Alpha, Failure Mode Ratio
Prozent der Fehlerrate, der für diesen Fehlermode angerechnet wird.
Beispiel:
Ein elektrischer Stecker bestehe aus 10 Pins. Die Fehlermoden und Prozentwerte betragen
Failure Mode
Alpha
Offen
50%
Kurzschluss
20%
Wackelkontakt
30 %
10
Lambda, Failure Rate
Eigentlich die Fehlerrate, doch die steht ja schon in Spalte 7. Hier muss es Mode-Fehlerrate heissen. Meistens in fpmh, Failures per Million Hours, ausgedrückt.
11
t, Operating Time
Eine charakteristische Zeitdauer. Typischerweise die Missionsdauer, oder die Zeitdauer zwischen zwei vorbeugenden Wartungen.
12
Failure Mode Criticality,
Beta x Alpha x Lambda x t
Produkt aus den Werten der vier vorangehenden Spalten. Das Ergebnis hat die Dimension "Absolute erwartete Häufigkeit dieses spezifischen Fehlermodes pro Zeit t"
13
Item Criticality
Summe aus allen Failure Mode Criticalities
Das Ergebnis hat die Dimension "Absolute erwartete Häufigkeit aller Fehler dieses Items pro Zeit t".
"Item" ist der Betrachtungsgegenstand aus der Spalte 2.
14
Remarks
Eine sehr wichtige Spalte. Hier wird alles vermerkt, was nicht ins vorgegebene FMEA-Tabellenschema passt, oder was sonst noch für wichtig erachtet wird.


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4. Automobil FMEA

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Der folgende FMEA Typ stammt von IEC 60812, Annex B. Dieser und ähnliche FMEA Typen kommen in der Automobilindustrie zum Einsatz.


Hier findet man ein ausführlicheres Beispiel einer Automobil FMEA.

Das wesentliche Ziel dieser FMEA ist eine Fehlersammlung mitsamt der Dokumentation der Wirksamkeit der Abstellmassnahmen, was an den rechten Spalten gut zu erkennen ist. Die Spalten 1,2,3, 9 und 10 lassen für den Fachmann erkennen, dass dieser FMEA Typ für elektronische Systeme gedacht ist. 

Automotive FMEA IEC 60812 Annex B

In dieser FMEA wird zwar gerechnet ( Severity x Occurence x Detection = RPN), doch sowohl Eingaben als auch Ergebnis sind lediglich dimensionslose Zahlen.



Spaltentitel
Erläuterungen

1,2,3
Item/Function, unterteilt in Subsystem, Assembly und Component.
Zur hierarchischen Gliederung der FMEA. Es stehen drei hierarchische Abstufungsmöglichkeiten zur Verfügung, von denen nicht immer notwendigerweise alle verwendet werden müssen.

4 Potential Failure Mode
Mögliche Fehler der Komponente
Pro Komponente (3) kann es mehrere Failure Modes geben
5,6
Potential Effect(s) of failure
Die Auswirkungen des Fehlers auf unterschiedlichen Ebenen. Bei umfangreichen Betrachtungsgegenständen  kann sich der Final Effect auf die Systemebene, und Local Effect auf eine Baugruppe beziehen. Bei kleineren Betrachtungsgegenständen kann sich Local Effect auf ein einzelnes Bauteil beziehen, und Final Effect auf eine Baugruppe beziehen.
Pro Failure Mode (4) kann es mehrere Effekte geben
7
SEV(erity)
Severity, Bedeutung.
Wie schlimm sind die möglichen Folgen des Fehlers. In der Automobilindustrie sind 10 Stufen üblich, wobei 1 = keine Folgen, und 10 = mehrere Tote bedeutet.
In SAE-J-1739 gibt es für verschiedene FMEA Typen ausführliche Bewertungstabellen.
Grössere Firmen haben zum Teil ihre eigenen Bewertungstabellen.
Bezieht sich auf den Failure Mode (4)
8
CLASS(ification)
Classification.
Alternativ zu Severity verwendbar. Typischerweise 5 Stufen: Negligible, Minor, Major, Critical und Catastrophic.
Bezieht sich auf den Failure Mode (4)
9
Potential causes / mechanisms of failure
Mögliche Ursachen des Fehlers.
Einträge sollten kurz, präzise und standardisiert sein, um später das Sortieren und Filtern zu erleichtern.
Falls mehr Details notwendig sind, siehe Spalte 10.
Die Ursachen sollten sich entweder auf die Failure Modes (4), oder die Effekte (5,6) beziehen. Das muss vorher klar festgelegt werden.
10
Detail causes / mechanisms of failure Etwas ausführlichere Beschreibung der möglichen Ursachen des Fehlers
11
Occur(rence)
Occurence, Auftreten.
Auftretenswahrscheinlichkeit oder -häufigkeit des Fehlers. In der Automobilindustrie sind 10 Stufen üblich, wobei 1 = Tritt nie auf, und 10 = tritt mit Sicherheit auf bedeutet.
In SAE-J-1739 gibt es für verschiedene FMEA Typen ausführliche Bewertungstabellen.
Grössere Firmen haben zum Teil ihre eigenen Bewertungstabellen.
Bezieht sich auf den Failure Mode (4)
12
Current design controls, prevention
Produkt-, Prozess- usw. Eigenschaften, die darauf abzielen, diesen Fehler zu vermeiden.
Beispiel: Verwendung einer Komponente, die unempfindlich gegenüber genau diesem Fehler ist.

13
Current design controls, detection Produkt-, Prozess- usw. Eigenschaften, die darauf abzielen, diesen Fehler aufzudecken, bevor das Produkt beim Kunden in Gebrauch ist. Beispiel: Jedes Produkt wird am Schluss einem definierten Stresstest unterzogen.

14
Detec(tion)
Detection, Entdeckung.
Wahrscheinlichkeit, dass eine Prüfmassnahme, Endtest, wiederkehrende Diagnose, usw. den Fehler aufdecken.
In der Automobilindustrie sind 10 Stufen üblich, wobei 1 = Prüfmassnahme deckt den Fehler in jedem Fall auf, und 10 = Prüfmassnahme deckt den Fehler in keinem Fall auf / Es gibt keine geeignete Prüfmassnahme bedeutet.
In SAE-J-1739 gibt es für verschiedene FMEA Typen ausführliche Bewertungstabellen.
Grössere Firmen haben zum Teil ihre eigenen Bewertungstabellen.
Bezieht sich auf den Failure Mode (4)
15
RPN (Risk Priority Number)
Risk Priority Number, Risikoprioritätszahl (RPZ)
Das Produkt aus Severity, Occurence und Detection, demnach ein Wert zwischen 1 und 1000.
Konventionsgemäss ist ein Fehler dann akzeptabel, wenn seine RPN kleiner als 125 oder 60 ist.
Obwohl dies weltweite Konvention darstellt, ist es dennoch kein gutes Mass um die Bedeutung von Fehlern zu beschreiben.
Die RPN Werte dürfen in keinem Fall wörtlich genommen werden und können höchstens als Anhaltspunkt dienen.
Der Grund dafür liegt darin, dass das Skalenniveau der Bewertungstabellen in den meisten Fällen lediglich ordinaler Natur, die Abstufungen also nicht gleichmässig sind, und oft sogar überhaupt nicht quantitativ einordenbar sind. Erschwerend kommt hinzu, dass bei Severity völlig unterschiedliche Dinge (z.B. Aussehensfehler und funktionale Fehler) auf einer einzigen Skala abgebildet werden. 
Konstellationen, in denen eine höhere RPN bei genauem Hinsehen in Wirklichkeit akzeptabler ist als eine niedrigere, kommen daher häufig vor.
Bei diesem FMEA Typ ist die RPN Spalte in den meisten Fällen die letzte ausgefüllte Spalte, da die RPN Werte in der Regel kleiner als die festgelegte Obergrenze sind.
Bezieht sich auf den Failure Mode (4)
16
Recommended Actions
Falls die RPN grösser ist als 125 (oder 60):
Verbesserungsvorschläge, die diesen Fehler adressieren.
Es können Severity, Occurence oder Detection verbessert werden.

17
Responsibility and target completion date
Falls die RPN grösser ist als 125 (oder 60):
Wer ist für die Verbesserungsmassnahme verantwortlich, und bis wann muss die Massnahme umgesetzt sein.

18 - 22
Action results
Beschreibung der Ergebnisse der Verbesserungsmassnahme.
Neubewertung von Severity, Occurence und Detection, sowie Neuberechnung der RPN unter Berücksichtigung der umgesetzten Verbesserungsmassnahme.
Die neue RPN muss nun kleiner als 125 (oder 60) sein.
Bezieht sich auf den Failure Mode (4)

Hier findet man ein ausführlicheres Beispiel einer Automobil FMEA.

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5. Grundsätzliche Probleme mit FMEA

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Je mehr Personen an einer FMEA teilnehmen, und je freier die FMEA durchgeführt wird, desto schwieriger gestaltet sich die Durchführung, und desto länger dauert es, bis die Gruppe "in die Gänge kommt". Aus der Erfahrung des Verfassers ergeben sich folgende Anhaltspunkte:

Bei einer Piece Part FMEA kommt es einzig auf die FMEA Erfahrung des Geräteentwicklers an. Er ist nach einiger Zeit in der Lage, solche FMEAs alleine durchzuführen.
Da die Effekte auf Systemebene entweder vorgegeben sind, oder sich dem Entwickler aus der Anforderungsspezifikation erschliessen, besteht die Gefahr, etwas Wesentliches zu vergessen, praktisch nicht. Hinzu kommt, dass ausser dem Geräteentwickler in der Regel kaum jemand das Gerät auf Bauteilebene wirklich kennt; das Ganze steht und fällt mit der Fähigkeit, Schaltpläne lesen zu können.
Trotzdem kann es oft sinnvoll sein, jemanden hinzuzunehmen, der das Gerät von einem anderen Blickwinkel her gut kennt, beispielsweise einen Wartungstechniker, Kundendiensttechniker, oder dem Vorgesetzten des Geräteentwicklers.
Wenn der Geräteentwickler das erste mal vor einer Piece Part FMEA steht, dann braucht ein Moderator ca. 1 Stunde, bis er den Geräteentwickler so weit hat, dass dieser die FMEA alleine fortsetzen könnte. Praktischerweise jedoch nimmt der Moderator bis zum Schluss an der FMEA teil, indem er dem Geräteentwickler sämtliche Schreib- und Dokumentationsarbeit abnimmt und die Konsistenz der FMEA gewährleistet. Praktische Erfahrung zeigt, dass hier meistens der Moderator den Flaschenhals darstellt, während der Entwickler hocheffizient sein Detailwissen in FMEA Inhalte überführt bekommt. 
Wenn man Vorbereitung, Durchführung, und Dokumentation einer Piece Part FMEA betrachtet, dann entfallen auf den Geräteentwickler 10%, und auf den Moderator 90% der gesamten Arbeit. Die Aufgabe des Entwicklers beschränkt sich dabei auf die Zur-Verfügung-Stellung seiner Zeit während der FMEA Sitzung.
Die Aufgaben des Moderators werden aus den Anforderungen ersichtlich, die an ihn zu stellen sind:
Ganz anders sieht die Lage bei allgemeineren, oft fach- oder abteilungsübergreifenden FMEAs mit mehreren Teilnehmern aus. Die maximale Gruppengrösse, die unter diesen Bedingungen auf Dauer beherrschbar ist, kann man nach den Erfahrungen des Verfassers auf 8 Personen + Moderator beziffern. Wenn alle gut harmonieren, klappt es auch mit 12 Personen.
Oft hat man es mit Gruppen zu tun, deren Teilnehmer aus unterschiedlichen Abteilungen kommen, die im Rahmen ihrer Arbeit kaum Berührungspunkte haben, oder sich sogar nur flüchtig kennen.
Hier gilt es nicht nur unterschiedliche fachliche Blickwinkel unter einen Hut zu bekommen, sondern die Gruppenmitglieder müssen sich auch als Gruppe erst zusammenfinden. Manche Teilnehmer werden Schwierigkeiten mit anderen Sichtweisen (aus anderen Abteilungen) haben, während andere zunächst lernen müssen damit umzugehen, dass ihr Fachwissen systematisch abgeholt und dokumentiert wird.
Abhängig von der Firmenkultur kann es nachteilig sein, wenn ein Teilnehmer Vorgesetzter von einem anderen ist.

Eine typische Gruppenzusammensetzung kann so aussehen:
Bei derartigen FMEAs handelt es sich meistens um einen FMEA-Prozess, das bedeutet, die FMEA Sitzungen werden wiederholt und das dabei wachsende FMEA Dokument "lebt".
Die folgenden Probleme treten umso deutlicher zu Tage, je freier die FMEA durchgeführt wird, je mehr Personen beteiligt sind, je öfters diese wechseln und je grösser die Zeiträume zwischen den FMEA Sitzungen sind.
Besonders der erste Punkt spricht deutlich für den Einsatz einer FMEA Software, während der zweite Punkt die feste Institution eines FMEA Moderators nahe legt. Die Verantwortung des FMEA Prozesses liegt beim FMEA Moderator, der klassischerweise im Qualitätsmanagement angesiedelt sein sollte. Er nimmt den übrigen Teilnehmern alles ab ausser die von ihnen zur Verfügung gestellte Zeit.
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