Entwicklung von (teil-)automatischen Testständen

Bei der Herstellung beinahe sämtlicher gefertigter Güter ist es notwendig, dass deren Funktion und auch Aussehen während der Produktion geprüft und somit die Qualität gesichert wird. Eine zu hohe Fehler- und Rücklaufquote von Produkten auf dem Markt verursachen hohen Kosten für den Produzenten und schaden zusätzlich dem Ansehen des Produkts und des Herstellers bei den Kunden.

Üblicherweise wird schon in der Entwicklung in einem Qualitätssicherungsplan festgehalten, welche Teile oder Komponenten in welchem Umfang geprüft werden sollen, damit möglichst wenige fehlerhafte Endprodukte bis zum Kunden gelangen. Während bei der Mehrzahl der Produkte eine wirtschaftlichere Stichprobenprüfung ausreicht, werden sicherheitsrelevante Teile, deren Ausfall zu kostspieligen Sach- oder sogar zu Personenschäden führen kann, meist einer Vollprüfung (100% Prüfung) unterzogen. Vor allem in der Medizintechnik ist diese somit oft erforderlich.

Mit steigenden Produktionsstückzahlen wird schnell eine grosse Anzahl von Test erforderlich. Dies umso mehr, wenn eine Vollprüfung erforderlich ist.

Sollen diese Prüfungen durch Arbeitskräfte mit Hilfe von Standardmessmitteln durchgeführt werden, bedeutet das einen grossen Zeit- und Personalaufwand und damit erhöhte Herstellungskosten, was der Produktivität einer Fertigung erheblich schaden kann. Zusätzlich kann es sein, dass das Personal für komplexe Prüfungen speziell geschult werden muss oder sogar zusätzliche Fachkräfte dafür eingestellt werden müssen.

Aus diesen Gründen ist es vielmals sinnvoll, die Komponentenprüfung, oder zumindest Teile davon, zu automatisieren. Die dafür eingesetzten Voll- oder teilautomatische Teststände machen die Produktprüfung schneller und effizienter. Mit ihrer Hilfe kann eine grosse Menge an Teilen schnell und mit wenig Personal geprüft werden. Zusätzlich können Bedienfehler der Testgeräte vermieden und komplexe Tests auch von Personen mit geringem Bildungsstand (zum Beispiel bei der Produktion in Niedriglohländern) durchgeführt werden.

Folgend wird anhand eines bereits entwickelten, teilautomatischen Flussprüfstands für medizinische Differenzdruck-Flusssensoren erläutert, worauf bei der Entwicklung von Prüfautomaten geachtet werden muss, welche Informationen dazu benötigt werden und wie am besten vorgegangen wird.

Welche Informationen werden benötigt?

Um überhaupt mit der Planung eines Teststandes beginnen zu können, muss im Voraus einiges an Informationen gesammelt werden. Entscheidungen zur Art des Teststands und dem Automatisierungsgrad sind zudem zu fällen oder gegebenenfalls mit den verantwortlichen Personen aus der Produktion und dem Management zu besprechen.

Inhalt der Prüfung

Das wichtigste ist natürlich, dass vor dem Beginn der Entwicklung klar ist, was genau geprüft werden soll und wie dieser Test abläuft.

Im angesprochenen Flussprüfstand werden verschiedene Flüsse generiert und durch den Flusssensor geführt. Der Differenzdruck wird bei jedem Fluss ermittelt, sodass er in einem Diagramm in Abhängigkeit zum Fluss dargestellt werden kann. Zusätzlich werden die Sensoren auf ihre Dichtheit geprüft.

Anforderungen der Prüfung (Benchmark)

Die Mindestanforderung (Wert), ab dem die Prüfung als bestanden (PASS) gilt, ist mittels Versuchen, einer Toleranzrechnung oder ausgehend von einer Norm festzulegen.

Im vorgestellten Beispiel (Flussprüfstand) gilt eine Prüfung als bestanden, wenn die erzeugte Differenzdruckkurve innerhalb einer definierten Toleranz zur idealisierten SOLL-Kurve liegt.

Form des Testresultats

In der Regel sollte ein Komponententest in der Produktion aufzeigen, ob ein Teil oder eine Baugruppe (UUT, Unit under test) den Anforderungen genügt (PASS) oder nicht (FAIL). Fehlerhafte UUTs sind entweder Ausschuss oder werden nachgearbeitet. In speziellen Fällen kann es auch sein, dass ein qualitatives Testresultat (Messwert) erforderlich ist. Beispielsweise, wenn vom Produkt später verschiedene Qualitäten verkauft werden. Damit können UUTs nach ihrer Güte sortiert und entsprechend weiterverarbeitet werden.

Im Flussprüfstand wird die erzeugte Kurve durch eine Software automatisch mit der Sollkurve verglichen und das Ergebnis (PASS/FAIL) auf einem Bildschirm angezeigt.

Rückverfolgbarkeit (Traceability)

Bei Produkten mit Sicherheitsrelevanz und Produkten im medizinischen Bereich ist es meist vorgeschrieben, dass Produkte anhand der Seriennummer bis tief in die Produktion zurückverfolgt werden können, um im Fall eines Fehlers weitere Produkte aus derselben Charge zu Identifizieren und somit weiteren Schaden zu verhindern. Ist eine derartige Rückverfolgung vorgeschrieben, müssen die Testresultate so abgespeichert werden, dass sie auch später einer Seriennummer zugeordnet werden können. Üblicherweise ist der Grad der Rückverfolgbarkeit eines Produkts im Qualitätsmanagement-Plan definiert.

Die Produktion der Flusssensoren muss bis auf die Charge zurückverfolgt werden können. Die Charge entspricht dabei einer Tagesproduktion. Aus diesem Grund werden alle Testergebnisse jedes Tages abgespeichert und können so später der Charge zugewiesen werden.

Automatisierungsgrad des Teststands

In Betrachtung der Testquantität und der zur Verfügung stehenden Ressourcen muss entschieden werden, wie gross der Automatisierungsgrad des Teststands gewählt werden soll. Soll die Maschine die UUTs komplett autonom testen oder gemeinsam mit einer Arbeitskraft agieren? Die entscheidenden Faktoren für oder gegen einen hohe Automatisierungsgrad sind in der folgenden Tabelle dargestellt:

Der Prüfstand für die Flusssensoren wurde entwickelt, um eine laufende Produktion schneller und effizienter zu machen. Da die Ressourcen für die Entwicklung, vor allem die Entwicklungszeit, knapp war und die gesamte Produktion nur teilautomatisch abläuft, fiel die Wahl auf einen teilautomatischen Prüfstand. Mit diesem wurde der Testvorgang erheblich vereinfacht und beschleunigt. Um später wachsende Produktionszahlen bewältigen zu können, wurden mehrere Exemplare des Teststands in Betrieb genommen.

Was soll besonders beachtet werden?

Zusätzlich zu den üblichen Gedanken, die mit jeder Entwicklung einhergehen, gibt es bei Prüfständen Bereiche, denen ein besonderes Augenmerk zukommen soll.

Zusammenstellung des Projektteams

Nur sehr wenige Prüfstände arbeiten rein mechanisch. In den meisten Fällen kommen zumindest Elektronik, oftmals auch noch Software dazu. Deshalb sollen alle benötigten Kompetenzen im Voraus abgeklärt und die entsprechenden Personen im Projektteam miteinbezogen werden

Im Flussprüfstand wurden nur elektronische Standardkomponenten verbaut, sodass keine speziellen Elektronikkompetenzen erforderlich waren. Aus diesem Grund bestand das Projektteam nur aus je einer Fachkraft aus den Bereichen Mechanik und Software.

Schnittstelle Mensch zu Maschine (Human-machine Interface / HMI)

Vor allem bei Teilautomatischen Prüfständen ist es wichtig, dass die Schnittstelle zwischen dem Menschen und dem Prüfstand abgeklärt wird. Dazu gehören die Art, wie das UUT mit dem Prüfstand verbunden wird, wie der Test gestartet wird und abläuft sowie auf welche Weise das Ergebnis der Arbeitskraft mitgeteilt wird. Eine gute Lösung kann die Durchlaufzeit erheblich verringern oder dazu führen, dass nur ein*e Bediener*in für zwei Teststände eingesetzt werden muss.

Im betrachteten Prüfstand wurde die bestehende Produktion analysiert und darauf geschaut, dass so wenige Schritte wie möglich vom Menschen ausgeführt werden. Zusätzlich wurde versucht, die Handhabung ergonomisch angenehm zu gestalten.

Benötigte Komponenten

Bei Prüfständen, die komplexe Tests automatisieren, werden oftmals spezifische Prüfmittel benötigt. Deren Verfügbarkeit und Preis muss unbedingt schon früh im Projekt abgeklärt werden. Sonst drohen unangenehme Überraschungen bei dem Herstellkosten oder bezüglich des Projektzeitplans. Bei schwierig zu beschaffenden Kernkomponenten soll überlegt werden, ob sich die Anschaffung von Ersatzteilen im Voraus lohn. So kann der Teststand bei Ausfall dieser Komponenten schnell repariert und wieder in Betrieb genommen werden. Die Verwendung von gebräuchlichen Standardkomponenten macht dies natürlich obsolet.

Da vom Prüfstand mehrere Exemplare parallel eingesetzt werden und ein Defekt somit nicht die ganze Produktion anhält, wurden keine Ersatzteile mitbestellt. Zudem wurden ausschliesslich elektronische Standardartikel verbaut, die einfach ausgetauscht werden können.

Anordnung der Komponenten

Die Anordnung der Komponenten kann manchmal sehr entscheidend sein. Sei dies, wenn wenig Platz zur Verfügung steht oder auch, falls der Prüfstand in eine bestehende Produktionsstrasse integriert werden soll. Darum ist es wichtig, diese Randbedingungen gut zu kennen. So muss die Anordnung später nicht umständlich angepasst werden, weil weniger Platz vorhanden ist als gedacht oder die Produktionsrichtung entgegen der Annahme von rechts nach links läuft.

Die Produktionsrichtung und der in der Flusssensor-Produktion zur Verfügung stehende Platz wurden mit dem Produktionsleiter besprochen und der Prüfstand anschliessend innerhalb dieser Leitplanken realisiert.

Wie soll vorgegangen werden? Welche (Entwicklungs-)Werkzeuge sind hilfreich?

Zum Projektstart, auf der umgangssprachlichen Grünen Wiese, ist es enorm wichtig, sich einen Überblick über die Aufgabe zu verschaffen. Eine Anforderungsliste besteht zumeist, doch der erste Schritt in Richtung Umsetzung gestaltet sich danach oft schwierig. Geeignete Entwicklungswerkzeuge können helfen, diesen zu Vereinfachen.

Konzept / Ablaufdiagramm

Vor allem bei komplexen Prüfständen ist es sinnvoll, sich zuerst ganz abstrakt zu überlegen, wie ein Testvorgang ablaufen soll. Besteht der Teststand aus mehreren autonomen Teilkomponenten, können auch Informationsflüsse unter diesen abgebildet werden.

Systemarchitektur/ Blackbox

Basierend auf dem abstrakten Konzept kann die Systemarchitektur erarbeitet werden. Sie zeigt die Informations- und Materialflüsse innerhalb des Prüfstands und zur Umgebung auf.

In vielerlei Hinsicht unterscheidet sich die Entwicklung eines Prüfautomaten nicht signifikant von gängigen Produkt- und Geräteentwicklungen. Zu Projektbeginn ist die Ausgangslage dennoch oft wesentlich offener. Während bei gewöhnlichen Entwicklungsprojekten meistens schon viele Vorgaben (Design, Funktionsweise, …) den Lösungsbereich stark einschränken, sind bei Prüfautomaten üblicherweise nur wenige, abstrakte Anforderungen (was wird getestet, Platzbedarf, Stückzahl, …) formuliert. Somit herrscht eine Fülle an möglichen Lösungskonzepten und eine fast grenzenlose Anzahl an Umsetzungen.

Aus diesem Grund ist es enorm wichtig, sich zu Beginn des Projekts genau mit den Vorgaben und Anforderungen vertraut zu machen, um das am besten geeigneten Konzept für die Anwendung zu entwerfen. So können viele potenzielle Schwierigkeiten im späteren Projektverlauf schon früh umgangen oder abgeschwächt werden.