Erprobung mit Stückzahl „1“– Kluger Schachzug oder blanker Wahnsinn?

Sie stehen auch vor hohen Erprobungskosten oder hohen Erprobungsdauern? Und Sie überlegen auch gerade, wie Sie hier einsparen können? In dieser dreiteiligen Artikelserie beleuchten wird die Chancen & Risiken der Erprobung mit sehr kleinen Stückzahlen und geben Ihnen am Ende eine klare Handlungsempfehlung!

In diesem Artikel lernen Sie,

• Wie Erprobungskosten Entwicklungsbudgets und Terminpläne beeinflussen
• Warum der Trend zu sehr kleinen Stückzahlen in der Erprobung besteht
• Welche grundsätzlichen Chancen und Risiken damit verbunden sind

Inhalt

1. Kurzfassung
2. Motivation
3. Zielsetzung 
4. Möglichkeiten der Eprobung
5. Möglichkeit 1: der rechnerische Nachweis
   1. Ziel
   2. Vorgehen
   3. Beispiel
   4. Fazit
6. Auf den Punkt

1 Kurzfassung

Erprobungskosten beeinflussen maßgeblich das Budget von Entwicklungsabteilungen und die Erprobungszeiten sind oft hoch und schieben Meilensteine im Terminplan nach hinten.
Daher ist die Bestrebung nach geringeren Stückzahlen in der Erprobung verständlich, steht jedoch im Widerspruch zu steigenden Zuverlässigkeitsanforderungen.
In diesem Artikel werden die Chancen und Risiken der Erprobung von Produkten mit sehr kleinen Stückzahlen diskutiert und am Ende eine Handlungsempfehlung für Verantwortliche in Entwicklungs- und Erprobungsabteilungen getroffen.

Konkret werden fünf Erprobungskonzepte vorgestellt:

• Rechnerische Freigabe: Verzicht auf physische Tests durch die Anwendung von Normen und Richtlinien zur Bauteilauslegung.
• HALT/HAST-Tests (Highly Accelerated Life/Stress Testing): Qualitative Tests zur Identifizierung von Schwachstellen durch extreme Belastungen.
• Erfahrungsbasierte Erprobung: Nutzung von Vorwissen aus Vorgängerprodukten zur Reduktion von Tests.
• Verifikation von Annahmen: Erprobung während der Produktentwicklung zur Identifizierung von Unsicherheiten.
• Success Run Test: Statistischer Nachweis der Zuverlässigkeit durch Tests mit mehreren Prüflingen unter definierten Bedingungen.

Fazit und Empfehlungen:
Eine Kombination aus rechnerischen und experimentellen Methoden ist der effizienteste Weg, um Zuverlässigkeit nachzuweisen. Der Fokus sollte auf der Validierung von Annahmen und der Nutzung von Vorwissen liegen, um die Anzahl der notwendigen Testmuster zu reduzieren. Rein experimentelle oder rein rechnerische Ansätze sind entweder zu aufwendig oder unzureichend.

2 Motivation

Erprobungskosten haben einen enormen Einfluss auf die Budgets von Entwicklungsabteilungen. Hohe Musterkosten, lange Erprobungsdauern und der Bedarf an vielen Testexemplaren treiben die Kosten in die Höhe. Oftmals sieht sich die verantwortliche Person in der Erprobung deshalb gezwungen, die Anzahl an Mustern zu minimieren.
Dadurch tritt ein Konflikt auf, da eigentlich steigende Zuverlässigkeitsanforderungen sowie zunehmende Variantenvielfalt eine höhere Musteranzahl zur Folge hätten. Im Extremfall steht nur noch ein einzelner Erprobungsträger für einen Versuch zur Verfügung.

3 Zielsetzung

Ziel dieses Berichts ist es daher, Verantwortlichen in der Erprobung aufzuzeigen, was mit geringen Stückzahlen (n = 1..3) erreichbar ist und was nicht.
Konkret werden fünf verschiedene Konzepte aufgezeigt und diskutiert:

• Eine rein rechnerische Freigabe, z.B. von Schweißnähten, metallischen Bauteilen oder auch Kunststoffen.
• das Auffinden von Schwachstellen im Produkt: der HALT Test
• Die erfahrungsbasierte Freigabe
• Dem Finden schwarzer Schwäne: Eine Erprobung der Annahmen während der Entwicklung des Produktes
• die statistische Freigabe, d.h. der Erprobung nach dem Success Run

Die Konzepte werden miteinander verglichen und daraus wird eine Empfehlung für die Praxis abgeleitet.

4 Möglichkeiten der Erprobung

Die Erprobung dient häufig dem Nachweis der Zuverlässigkeit eines Produktes. die Zuverlässigkeit ist die Wahrscheinlichkeit, mit der ein Produkt eine definierte Nutzungsdauer übersteht.
Der Begriff der Wahrscheinlichkeit beinhaltet damit unter anderem die Stichprobenzahl. Denn über die Stichprobenzahl kann eine Aussage zur Zuverlässigkeit getroffen werden, wenn mehrere Teile eine Erprobung überstehen.

In klassischen Lehrbüchern zur Zuverlässigkeit wie Bertsche*, Meyna*, O'Connor* oder Richtlinien wie der FKM Richtlinie* wird der Nachweis der Zuverlässigkeit eines Produktes durch eine Erprobung üblicherweise abhängig von der Stichprobenzahl, der Lastüberhöhung und der geforderten Zuverlässigkeit festgelegt. Hohe Zuverlässigkeiten lassen sich somit durch große Stichproben nachweisen.

Es gibt aber auch noch weitere Formen der Erprobung, beispielsweise Tests mit dem Fokus eines qualitativen Erkenntnisgewinns oder zum Abgleich mit Annahmen, die in Berechnungen zugrunde gelegt wurden.

5 Möglichkeit 1: der rein rechnerische Nachweis

Für viele Maschinenelemente/Werkstoffe/Schadensmechanismen existieren gute Normen bzw. Richtlinien, die eine zuverlässige rechnerische Auslegung ermöglichen. Nachfolgend ein paar Beispiele:

• maschinenbautypische Bauteile aus Stahl: FKM Richtlinie,
• Wellen und Achsen aus Stahl: DIN 743,
• Wälzlagerauslegung: DIN ISO 281,
• Schraubenberechnungen: VDI 2230,
• Auslegungen von Reaktorsicherheitsbehältern über die KTA,
• Berechnung von Zahnrädern: DIN 3990-16.

In diesen Fällen kann man auf die Normen und Richtlinien bei der Bauteilauslegung zurückgreifen und lediglich eine abschließende Erprobung mit dem Ziel eines Abgleichs von Annahmen durchzuführen – liegen ausreichend Erfahrungen aus vorangegangenen Projekten vor, kann ggf. erwogen werden, auf eine abschließende Erprobung ganz zu verzichten. Die rechnerische Auslegung beinhaltet z.B. auch das beachten der wichtigsten Konstruktionsprinzipien.

5.1 Ziel

Ziel der rechnerischen Freigabe ist der Verzicht einer umfangreichen experimentellen Freigabe. Denn die Richtlinien haben die Vorteile, dass sie das Wissen sehr vieler Forschungsvorhaben beinhalten und sehr spezifisch einsetzbar, und damit genau sind.

Daher kann man davon ausgehen, dass Bauteile, die nach diesen Richtlinien ausgelegt werden, sicher sind und nicht ausfallen. Dies gilt unter der Annahme, dass die Lastannahme stimmen und dass die Randbedingungen, unter denen die Richtlinien gelten, eingehalten wurden. Stimmen diese Lastannahmen nicht, oder wurden wesentliche Randbedingungen vergessen, dann kann dies gravierende Folgen haben.

5.2 Vorgehen

Das rein rechnerische Auslegen erfolgt immer mit einer guten Richtlinie. Dazu wird zuerst geprüft, ob die eigenen Bauteile von der Richtlinie abgedeckt werden. Danach werden die von der Richtlinie geforderten Randbedingungen (z.B. gültige Werkstoffe, Temperaturen, maximale Belastungen) validiert.

Werden beide Forderungen eingehalten, dann kann die rechnerische Auslegung mittels Simulation oder analytischer Berechnung streng nach den Vorgaben der Richtlinie erfolgen.

Nach der Rechnung folgt die Bauteiloptimierung mit einer erneuten Rechnung.

5.3 Beispiel

Ein Getriebe wurde sorgfältig ausgelegt, erprobt und bei einem ersten Kunden eingeführt.

Jetzt soll dieses Getriebe bei einem zweiten Kunde eingeführt werden. Der neue Kunde benötigt aber neue Anschraubpunkte an dem Getriebegehäuse für die Anbringung an seinem Motor. Die Leistungsdaten und Lebensdauerforderungen sind dieselben.

Daher wird ein neues Gehäuse mit geänderten Anschraubpunkten aber gleichem Werkstoff, gleichem Fertigungsverfahren, gleichem Zulieferer konstruiert. Für das Gehäuse liegt eine Norm zur Auslegung und Berechnung vor. Die Berechnung wurde nach etabliertem Verfahren durchgeführt und bestätigt, dass die Spannungen beim neuen Gehäuse niedriger sind, als beim alten Gehäuse. Auch die Gußsimulationen zeigen keine Auffälligkeiten.

Vor diesem Hintergrund kann angenommen werden, dass das Gehäuse für den neuen Zulieferer ohne weitere Erprobung freigegeben werden kann.

Möglich wären noch eine Werkstoffanalyse und Härtemessung an einem ersten Guss, um einen Vergleich zum alten Gehäuse herstellen zu können.

5.4 Fazit

Vorteile:

• Der Vorteil bei der Verwendung von Richtlinien zur rechnerischen Bauteilauslegung ist, dass praktisch auf das Vorwissen der Wissenschaft zurückgegriffen wird! Denn all das Wissen der Forschung ist ja in die Ableitung der Richtlinie eingeflossen.
• Durch den rechnerischen Nachweis kann von Belastungsseite auch extrapoliert werden. D.h. es können auch Bauteile freigegeben werden, die höhere Belastungen sehen, als die bisher im Feld befindlichen Bauteile.
• Außerdem sind diese Nachweise relativ einfach und schnell, da sie keine Prototypen oder physikalische Erprobungen erfordern. Auch eine Optimierung des Produktes ist damit schnell und einfach möglich.
• Ergänzt werden kann der rechnerische Nachweis durch einfach Messungen oder Prüfungen wie z.B. Härtemessungen, Zugversuche, Röntgenanalysen von Gussbauteilen.

Nachteile:

• Die wichtigste Einschränkung ist, dass unbedingt sichergestellt werden muss, dass die angenommenen Lasten und die Randbedingungen unter denen die Richtlinie gilt eingehalten werden.
• Bei kompletten Neuentwicklungen oder großen Änderungen sollte zusätzlich eine finale Erprobung durchgeführt werden, um unerwartete Ereignisse bzw. unbekannte Wechselwirkungen abzusichern (siehe Abschnitt 4.4 zum Einfluss der schwarzen Schwäne).
• Blind ist das Konzept zum Auffinden kritischer Fertigungseinflüsse, z.B. Einfluss des Härtens, des Gießens,… Und das Konzept ist nur anwendbar, wenn ausreichend gute Normen / Richtlinien vorliegen.

Einsatzmöglichkeiten:

Eingesetzt werden kann die Methode bei kleineren Änderungen wie dem Freigeben von Bauteilen des gleichen Zulieferers aber anderen Größen,

6 Auf den Punkt:

In diesem ersten Teil haben wir die Ausgangslage und die grundlegenden Herausforderungen bei der Erprobung mit sehr kleinen Stückzahlen beleuchtet. Die wichtigsten Erkenntnisse sind:

• es sind Einsparungen möglich
• gleichzeitig muss jedoch eine oft steigende Zuverlässigkeitsanforderungen berücksichtigt werden, welche dann wieder zu einer aufwändigeren Erprobung führen würde
• Allgemein werden fünf Konzepte in den nächsten Bolgbeiträgen diskutiert
  • Eine rein rechnerische Freigabe, z.B. von Schweißnähten, metallischen Bauteilen oder auch Kunststoffen.
  • das Auffinden von Schwachstellen im Produkt: der HALT Test
  • Die erfahrungsbasierte Freigabe
  • Dem Finden schwarzer Schwäne: Eine Erprobung der Annahmen während der Entwicklung des Produktes
  • die statistische Freigabe, d.h. der Erprobung nach dem Success Run
• als erstes Konzept wurde der rein rechnerische Nachweis vorgestellt
• der rechnerische Nachweis nutzt bewährte Normen und Richtlinien, um auf umfangreiche physische Tests zu verzichten – vorausgesetzt, die von der Norm / Richtlinie geforderten Lasten und Randbedingungen werden exakt eingehalten ist dies eine sehr gute und sichere Methode
• außerdem besticht der rechnerische Nachweis durch seine Schnelligkeit und Kostenersparnis
• das Risiko ist jedoch, dass bei der Berechnung wesentliche Einflüsse vernachlässigt werden, welche dann zu Feldproblemen führen können.

Im zweiten Blogartikel werden wir in weitere Methoden einsteigen: die Durchführung von HALT/HAST-Tests und die erfahrungsbasierte Erprobung.

Im dritten Blogartikel beleuchten wir die restlichen zwei Konzepte, den Success Run Test und die Verifikation von Annahmen, bzw. das Auffinden schwarzer Schwäne.