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FMEA und FMECA mit Beispielen

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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. 
• Dieser FMEA Typ kommt fast immer bei Funktionaler Sicherheit zum Einsatz. Ihm voraus geht in den meisten Fällen eine MTBF Berechnung.
  

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:

• Identifikation der Fehlerursachen
  
• Abstellung der Ursachen
  
• Identifikation der Fehlerfolgen
• Verringerung der Fehlerfolgen
  
• Qualitative Klassifizierung der Fehlerwahrscheinlichkeit
• Quantitative Ermittlung der Fehlerwahrscheinlichkeit
• Qualitative oder Quantitative Ermittlung der Fehlerfolgen
• Qualitative oder Quantitative Ermittlung der Fehlerentdeckungswahrscheinlichkeit 
• Erarbeitung von Verbesserungsvorschlägen, Abstellmassnahmen, Linderungsmassnahmen
  
• Zuweisung von Verantwortlichkeiten und Umsetzungszeitraum

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.

	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.

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

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	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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	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)

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5. Grundsätzliche Probleme mit FMEA

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• Er muss das betrachtete Gerät auf allgemeintechnischer Ebene verstehen
• Er muss eine fachliche Nähe zur Elektrotechnik haben und Schaltpläne lesen können 
• Er muss die oft wortkargen und introvertierten Entwickler zum Reden bringen
  
• Das kann er genau dann relativ gut, wenn er die zuvor genannten Kriterien erfüllt, selbst bei nur mittelmässigen so genannten Soft Skills.
  
• Er muss entsprechende FMEA Standards kennen und sich in der Zuverlässigkeitstechnik im Allgemeinen auskennen
• Er muss zu jedem einzelnen Bauteil die richtigen Fragen stellen
  

• 2 Entwickler
  
• 2 Produktionsmitarbeiter
• 1 Kundendienstmitarbeiter
  
• 1 Einkäufer
  
• 1 Projektmanager
  
• 1 Qualitäter
  

• Konsistenzprobleme machen FMEAs schnell unübersichtlich und schwierig auszuwerten. Oft entstehen sogar logische Widersprüche.
  
• Inkonsistente Struktur:
  
• Was die Gruppe heute als Fehlerart auffasst, kann bei einer zukünftigen FMEA Sitzung plötzlich als Ursache oder als Fehlerfolge von etwas anderem aufgefasst werden. Obwohl dies sachlich richtig sein kann, muss unbedingt darauf geachtet werden, dass die Ebene, auf der die FMEA angesiedelt ist, beibehalten wird. 
• Inkonsistente Formulierungen: 
• Unterschiedliche Formulierungen für identische Sachverhalte. Es ist sehr von Vorteil, mit festen Textbausteinen zu arbeiten, deren Anzahl mit Fortschreiten der FMEA möglichst langsam wachsen sollte. 
• FMEA Prozess schläft ein oder kommt zum Erliegen
• Da FMEAs in grösseren Gruppen meistens sehr zeitintensiv sind, tendiert man dazu, es nur dann zu machen, wenn es gar nicht anders geht. Beispielsweise, wenn der Kunde explizit eine FMEA fordert.
  

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