Toleranzstapelung
Was ist Toleranzstapelung? Warum ist es wichtig?
Produkthersteller nutzen einen organisierten Informationsfluss, um Kundenanforderungen in Produktanforderungen zu übersetzen. Dieser Prozess für mechanische Anforderungen ist im folgenden Flussdiagramm verallgemeinert dargestellt.
Toleranzabgleiche sind wichtig, um Anforderungen an die mechanische Passung und die mechanische Leistung zu erfüllen. Mechanische Passung ist einfach die Antwort auf die Frage: „Passen die Teile, aus denen die Baugruppe besteht, immer zusammen?“ Zu den mechanischen Leistungsanforderungen gehört die Leistung von Mechanismen wie Schaltern, Verriegelungen, Aktuatoren und dergleichen. Andere Leistungsanforderungen könnten optische Ausrichtungen oder die Motoreffizienz sein. Was also ist ein „Stack-up“?
Toleranz-Stack-up-Berechnungen stellen den kumulativen Effekt von Teiletoleranzen in Bezug auf eine Baugruppenanforderung dar. Die Idee des „Aufstapelns“ von Toleranzen bezieht sich auf das Addieren von Toleranzen, um die Gesamttoleranz des Teils zu ermitteln und diese dann mit dem verfügbaren Spalt oder den Leistungsgrenzen zu vergleichen, um zu sehen, ob die Konstruktion richtig funktioniert. Dieser einfache Vergleich wird auch als Worst-Case-Analyse bezeichnet. Die Worst-Case-Analyse ist für bestimmte Anforderungen geeignet, bei denen ein Versagen eine Katastrophe für ein Unternehmen bedeuten würde. Sie ist auch nützlich und angemessen für Probleme, die eine geringe Anzahl von Teilen beinhalten. Niedrig ist definiert als drei oder vier Teile. Die Worst-Case-Analyse wird meist in einer einzigen Richtung durchgeführt, d. h. eine 1D-Analyse. Wenn die Analyse Teileabmessungen umfasst, die nicht parallel zur untersuchten Baugruppenmessung verlaufen, muss der Stack-up-Ansatz modifiziert werden, da 2D-Variationen, wie z. B. Winkel, oder jede Variation, die nicht parallel zur 1D-Richtung verläuft, die Baugruppenmessung nicht im Verhältnis 1:1 beeinflusst.
Viele Unternehmen verwenden eine statistische Methode zur Toleranzanalyse. Ein Ansatz ist eine einfache Berechnung mit der RSS-Methode, Root-Sum-Squared. Anstatt die Toleranzen zu summieren, wie bei der Worst-Case-Analyse, werden bei der statistischen Analyse die Maßverteilungen summiert. Es ist wichtig zu verstehen, dass die Eingabewerte für eine Worst-Case-Analyse Konstruktionstoleranzen sind, die Eingaben für eine statistische Analyse jedoch Prozessverteilungsmomente (z. B. die Standardabweichung) sind. Die Worst-Case-Analyse (auch Toleranzstapelanalyse genannt) kann zur Validierung eines Designs verwendet werden. Die statistische Analyse (auch Variationsanalyse genannt) kann verwendet werden, um die tatsächliche Abweichung einer Baugruppe basierend auf der Variation der Teileabmessungen vorherzusagen. Der Vergleich der Baugruppen-Standardabweichung mit den Baugruppen-Grenzwerten ermöglicht die Berechnung von Qualitätsmetriken wie Sigma, %-Ausbeute, DPMU usw. Dieser Ansatz setzt voraus, dass die Verteilungen normal sind und alle Teile die gleiche Qualitätsstufe haben, d.h. +/- 3σ.
Aufgrund der Einschränkungen von RSS wurden andere Methoden zur Berechnung der Baugruppenvariation entwickelt. Eine dieser Methoden, die in CETOL 6 Sigma enthalten ist, heißt „Methode der Systemmomente“. Diese Methode eliminiert die oben genannten Einschränkungen. Analysen aller Komplexitäten, d.h. 1D, 2D und 3D, können ohne Einschränkung der Verteilungsart oder Qualitätsstufe erstellt werden.
Die Analyse von Baugruppenvariationen liefert den nötigen Einblick, um die wichtigsten Teilemerkmale (KPCs) zu identifizieren, die kontrolliert werden müssen, um ein Produkt herzustellen, das die Erwartungen des Kunden erfüllt. Der Produktentwicklungsprozess sollte sich dann darauf konzentrieren, Teilefertigungs- und Montageprozesse zu definieren und zu validieren, die in der Lage sind, hohe Produktivitätsniveaus zu erreichen. Üblicherweise werden Ziele von Cpk = 1,67 für Schlüsselmerkmale und Cp = 1,33 für Nicht-Schlüsselmerkmale genannt. Die Nutzung der Erkenntnisse für die Abweichungsanalyse ermöglicht es den Konstrukteuren, Toleranzbudgets strategisch zuzuweisen. Kritische Merkmale werden mit engeren Toleranzen gehalten. Lockere Toleranzen können auf weniger wichtige Merkmale angewendet werden. Diese Entscheidungen stellen nicht nur die Produktqualität und -leistung sicher, sondern gewährleisten auch die Herstellbarkeit zum richtigen Preis. Die Auswirkungen auf den Produktentwicklungsprozess können enorm sein.
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