Six Theta Design
In der Produktion und Fertigung ist Six Sigma als „Managementsystem zur Prozessverbesserung, statistisches Qualitätsziel und zugleich eine Methode des Qualitätsmanagements” bekannt.[1] Mit Six Sigma lässt sich die Qualität der Produktion und der Fertigung durch Maßeinheiten numerisch abbilden. Außerdem bietet das System Hilfsmittel und Methoden zur Qualitätsverbesserung.
Geschichte[Bearbeiten]
Bis 2013 gab es vor der Produktion und Fertigung keine Maßeinheiten um mechanische Konstruktionen zu bewerten. Six Theta ein KPI oder datengetriebener Indikator, der ausdrückt, ob gegebene Konzepte, Produkte oder Technologien umsetzbar sind. Ähnlich wie Six Sigma die Qualität der Produktion quantifizieren kann, kann Six Theta die Qualität der mechanischen Konstruktionsentwürfe numerisch ausdrücken, bevor sie in der Produktion umgesetzt werden. Six Theta bietet außerdem eine Reihe von Hilfsmitteln und Methoden um die Qualität der mechanischen Designs und der technischen Konstruktionsentwürfe zu verbessen
Six Theta Design baut auf Methoden der technischen Mechanik auf, wie beispielsweise:
- Beweglichkeit [2]
- Axiomatic Design
- Robust Design (Taguchi-Methode)[3][4][5]
Six Theta nutzt die Anwendungsmöglichkeiten dieser Methoden und kombiniert sie mit Fachwissen und Techniken aus Maschinenbau, Statistik und Fertigung. So wird es Ingenieuren zu ermöglicht Designs zu entwerfen, die sich besser bewähren – basierend auf Verbesserungen der Qualität und Produkt Performance, Kostenreduzierungen, etc.
Six Theta wurde in den 2000ern von Janus Juul Rasmussen, Maschinenbauingenieur, Erfinder und Executive Director von Valcon, entwickelt. Im Rahmen der Beratungstätigkeit im Bereich Maschinenbau, Robust Design und Qualitätsoptimierung wurde die Methodik angewendet und weiter verfeinert.[6]
Bedeutung[Bearbeiten]
Im Jahr 2013 wurde Six Theta Design als Teil des Lehrplans zum Thema Robust Design an der Technischen Universität Dänemark eingeführt.[7] Das Programm wurde von den Vorreitern des Robust Designs in Skandinavien ins Leben gerufen: Valcon Design A/S, TU Dänemark und Novo Nordisk A/S. Novo Nordisk ist Sponsor des Bildungsprogramms und der Bereitstellung des Lehrmaterials.
Six Theta wurde entwickelt um mechanische Konstruktionsentwürfe zu verbessern und zu synthetisieren indem KPIs und objektive Maßeinheiten eingeführt werden, die es Ingenieuren erleichtern Entwürfe zu vergleichen.[8]
Six Theta Tools und Grundsätze[Bearbeiten]
Six Theta behandelt verschiedene Konzepte des Maschinenbaus auf drei verschiedenen Ebenen; Level 1, 2 und 3. Kinematisches Design ist die Grundlage.
Kinematisches Design
Eines der Hauptprinzipien von Six Theta Design ist kinematisches Design und das Konzept der Beweglichkeit wird vom kinematischen Design abgeleitet. Es findet Anwendung in der Analyse von Mechanismen, kann aber auch zur Synthese verwendet werden. Indem Mechanismen analysiert werden, kann die Beweglichkeit in Maßeinheiten übersetzt werden und es kann festgestellt werden, ob ein Entwurf Zwangsbedingungen enthält oder ideal ausgelastet ist. Außerdem kann die Auslastung in Maßeinheiten ausgedrückt werden. Das Tool kann schon für Skizzen verwendet werden (frühe Produktentwicklungsphase), um einen Mechanismus im CAD-[null System] nachzuweisen und zu analysieren (späte Produktenwicklungsphase), oder für ein Produkt auf dem Markt, Abbildung 1.
Die Beweglichkeit wird mit Hilfe der Kutzbach-Gruebler Formel berechnet.
M. Ebro et al zeigen im Zusammenhang mit ihren Analysen zu den Zwangläufen einer Windmühle, dass Designs, die mehr Überbelastungen aufweisen, eine höhere Wahrscheinlichkeit für Variationen in der funktionellen Performance haben [9]. Das bedeutet, dass ein System mit Zwangläufen, entweder hohe Ansprüche an die Produktion stellt, oder die funktionelle Performance mit einer höheren Wahrscheinlichkeit versagt. Dies kann, abhängig vom jeweiligen System, in Abnutzung, Lärm, Brüchen oder Klappergeräuschen resultieren. Es kann mit der idealen Beweglichkeit des Systems vermieden werden.
Um die Beweglichkeit (M) zu beschreiben wird das Prinzip des Freiheitsgrads eingeführt.
Die Bewegungsmöglichkeiten eines Systems hängen von den Parametern des Systems ab. Um diese Abhängigkeiten zu beschreiben, wird der Freiheitsgrad auf verschiedene Art und Weise definiert, e.g. (Norton 1999, p.24):
- Die Anzahl der unabhängigen Parameter (Maßeinheiten), die benötigt werden, um die Position des Systems im Raum an jedem gegebenen Zeitpunkt eindeutig zu beschreiben[9]
- Der Input, der benötigt wird, um einen gegebenen Output zu erreichen
- Die Anzahl der unabhängigen Koordinaten, die benötigen werden um die Position des Systems eindeutig zu beschreiben.[9]
Diese Definition beschreibt die Bewegungsmöglichkeiten eines Systems, da der Ausdruck Freiheitsgrad oft mit sowohl auf Micro- als auch auf Macroebene des Mechanismus und der Gelenken verwendet wird. Folglich bezieht sich Beweglichkeit auf das Macrolevel.
Beweglichkeit im drei-dimensionalen Raum wird durch die Grüblersche Gleichung beschrieben:
Wobei,
L = Anzahl der Gelenke
U = Anzahl der Zwangläufe
In dem die Anzahl der Zwangläufe in die Variable, U, und die Anzahl der Gelenke in die Variable, L, des Systems übersetzt werden, ergibt die Formel die ganze Zahl, M, die die Beweglichkeit eines gegebenen Systems beschreibt.
Eine Definition (für starre Elemente):
M > 0
Die Einheit ist ein Mechanismus
M = 0
Die Einheit ist eine Struktur (Bewegung ist nicht möglich, statisch bestimmtes System)
M < 0
Die Einheit ein statisch überbestimmtes System
Das Regelwerk von Six Theta, beschreibt genau wie die Bewegungsmechanik im Allgemeinen, die Beweglichkeitsformel erweitert durch zwei weitere Begriffe:
I = Anzahl der Einwirkungen durch externe Kräfte
Fid = Anzahl der identischen Freiheitsgrade
Außerdem wird der Begriff Gelenk, L, durch das Wort Körper, B, ersetzt um einen Überblick über das bewegliche System zu geben, in dem das ehemalige Gelenk aus verschiedenen Teilen besteht, die einen Körper darstellen.
Figur 2 Illustration Identischer Freiheitsgrad
Input definiert die Anzahl der externen Kräfte, die an einem System wirken müssen, um einen gegebenen Output zu erzielen. Die Anzahl der identischen Freiheitsgrade, beschreibt die überflüssigen Freiheiten, die keinen Einfluss auf die Position des Systems haben. Zum Beispiel ein Teil, der durch zwei Kugelgelenke an den jeweiligen Enden gehalten wird, was in einem Freiheitsgrad resultiert, der sich um die eigene Axe dreht. Siehe Abbildung 2. Folglich wird die Beweglichkeitsformel modifiziert:
Wobei,
B = Anzahl der Körper
U = Anzahl der Zwangsläufe
I = Anzahl der (externen) Inputs
Fid = Anzahl der identischen Freiheitsgrade
Folglich sollte M immer gleich 0 sein um ideale Beweglichkeit auszudrücken, da die Summe der Inputs in der Gleichung enthalten ist.
Im Zusammenhang mit Six Theta wird die Beweglichkeit genutzt um die Bewegungsmöglichkeiten für ins sich bewegliche und statische (Unter-)Systeme zu beschreiben.
SIX THETA BEGRIFFE
Der Design Weakness Index ist eine Maßeinheit, die die Qualität des Designs eines ganzen Produktes oder einer untergeordneten Baueinheit, von 0 bis ∞, beschreibt, wobei 0 das Optimum ist. Der Index wächst um jeweils 1 für jede Unter- oder Überbelastung des mechanischen Systems und wir außerdem durch den interface weakness score erweitert. Im Allgemeinen, werden Produkte durch das Six Theta Framework wie folgend eingestuft:
| Einstufung | Design Weakness Index | Typische Produkteigenschaften |
| Weltklasse | 0-3 | Minimaler Aufwand, kaum Überraschungen |
| Überdurchschnittlich | 3-10 | Großer Aufwand mit einigen wiederkehrenden Problemen |
| Durchschnittlich | 10-20 | Großer Aufwand mit vielen, wechselnden Problemen |
| Unterdurchschnittlich | 20 < | Sehr großer problemgetriebener Aufwand mit neuen und wechselnden Problemen |
Der Interface Weakness Score ist eine Maßeinheit, die die Designqualität einer Grenzfläche zwischen zwei Teilen eines Entwurfs quantifiziert; beginnend von 0 bis ∞, wobei 0 das Optimum ist.
Der Six Theta Value® ist eine Maßeinheit, die die Empfindlichkeit eines Designs auf einer Skala von 1 bis 12 beschreibt. Eine Six Theta I/O-Funktion mit gleichem In- und Output hat ein Ergebnis von 6, was sich im Namen „Six“ Theta wiederfindet. Input und Output gleichen sich aus. Empfindliche Funktionen haben ein Ergebnis von 12 und unempfindliche Funktionen ein Ergebnis von 1. Theta wird oft als Symbol für Winkel und Neigungen in der mathematischen Welt verwenden. Das Theta in Six Theta steht also für den Winkel der I/O-Funktion.
Six Theta-Konform
Der Begriff Six Theta-konform wird oft für ein System oder eine Grenzfläche verwendet, deren Weakness Index oder Interface Weakness Score 0 ist.
Level 1
Level 1 ist der Designbereich, indem Teile als unendlich starr angenommen werden und es keine Reibung gibt.
Level 2
Level 2 ist der Designbereich, indem berücksichtig wird, wie starr ein Teil ist, und Reibung besteht. Die Koeffizienten der Starre und Reibung basieren auf Tabellen, Berechnungen und Simulationen.
Level 3
Level 3 ist der Designbereich, indem berücksichtig wird, wie starr ein Teil ist, und Reibung besteht. Die Koeffizienten der Starre und der Reibung basieren auf Tests.
Tools und Methoden
Six Theta bietet eine Reihe von Tools und Methoden.
SIX THETA COCKPIT
Das Six Theta Cockpit ist ein Tool, das mechanische Beweglichkeit untersucht, Übersichten zu Teilen und Grenzflächen liefert, Schwachpunkte der Grenzflächen berücksichtigt und den Design Weakness Index ausgiebt.
INTERFACE ANALYSIS TOOL
Das Interface Analysis Tool ist ein systematisches Tool mit dem Teile der Grenzflächen bewertet werden können und in den Interface Weakness Score ausgiebt.
SIX THETA VALUE® Und SIX THETA I/O-FUNKTION
Die Six Theta I/O-Funktion ist ein Tool, dass es dem Ingenieur ermöglicht eine Beziehung zwischen den Design Parameter (I=Input) und der Funktion des Produktes (O=Output) auf mathematische Art und Weise abzubilden.
Anwendungsmöglichkeiten und Perspektiven[Bearbeiten]
Six Theta und Robust Design (Taguchi-[null Methode] )
Der japanische Ingenieur und Statistiker Genichi Taguchi stellte die Robust Design Methode (RDM) bereits 1950 vor. In den 1980ern erlangte die Methode mehr Bekanntheit als sie unter anderen von Boeing und Ford Motor Co. eingeführt wurde.[10]
Taguchi definiert den Begriff robust als den Zustand einer Konstruktion, die einen funktionellen Output hat, der möglichst unempfindlich gegenüber äußeren Störeinflüssen ist. Eine Feinblech Montagehalterung, die mit zwei Schrauben an der Wand befestigt werden soll, kann als Beispiel dienen.[11] Das Ziel der Montagehalterung ist, dass die obere Kante exakt horizontal ist. Die beiden Designs werden in Abbildung 3 abgebildet.
Bei gleichen Toleranzen für die Größe der Löcher in den Designs (a) und (b), zeigt sich, dass der Winkel in Design (a) doppelt so schief positioniert ist wie in Design (b). Design (b) ist robuster als Design (a), da Design (a) gegenüber der Variationen in der Größe der Löcher empfindlicher ist. Indem der Abstand zwischen den beiden Löchern vergrößert wird, wird das Design gegenüber Toleranzen weniger empfindlich und folglich robuster.
Eine Six Theta Lösung des gleichen Teiles entspräche Abbildung 4.
Die Position der Komponenten in Design (c) weist planare Formen der Löcher und Pins an Stelle von kreisrunden Flächen auf, da keine Rotation nötig ist. Dies schließt die erforderlichen Bedingungen für Rundungen, zylindrische Formen und Rundläufe aus. Außerdem wurde eine längliche Öffnung für das zweite Schraubloch hinzugefügt, sodass der Abstand L zwischen den beiden Löchern weniger Anforderungen entsprechen muss. Die horizontale Position der Klammer ist in den Designs (c) und (d) eindeutig bestimmt. In Designs (a) und (b) ist es nicht möglich eindeutig zu bestimmen, welche Schraube die horizontale Position beeinflusst. Beide Designs der Abbildung 4 sind Six Theta-konform, Design (d) hat jedoch einen niedrigeren Six Theta Wert als Design (c). Wie auf den technischen Zeichnungen der Abbildung 5 und 6 zu sehen ist, die die Konstruktionsentwürfe zu jeweils Abbildung 3 und 4 darstellen, sind die Toleranzen für Abbildung 4 erhöht. Die Toleranzen stellen einem Wert dar, bei dem Änderungen der zur Befestigung nötigen Kräfte für beide Designs gleich sind.[12]
Einzelnachweise[Bearbeiten]
- ↑ Geoff Tennant: Six Sigma: SPC and TQM in Manufacturing and Services. Gower Publishing, Ltd., 2017, ISBN 978-0-566-08374-7 (com.pk [abgerufen am 21. April 2017]).
- ↑ Design of machinery : an introduction to the synthesis and analysis of mechanisms and machines in SearchWorks. Abgerufen am 21. April 2017 (english).
- ↑ Introduction To Robust Design (Taguchi Method). Abgerufen am 21. April 2017 (en-US).
- ↑ Taguchi-methode Term Definitie. Abgerufen am 21. April 2017.
- ↑ Taguchi Methode Research Papers - Academia.edu. Abgerufen am 21. April 2017 (english).
- ↑ Six Theta(r) Design – Early-Stage Design Methodology for Achieving Predictable Product Performance | Janus Juul Rasmussen | CEO and Founder of Valcon Design A/S, Denmark | Automobile 2016 | Conferenceseries Ltd. Abgerufen am 21. April 2017 (english).
- ↑ Publications - ROBUST DESIGN. Abgerufen am 21. April 2017 (english).
- ↑ Soren Petersen: Robust Design Compliance as a strong competitive advantage. In: Huffington Post. 3. Januar 2017, abgerufen am 21. April 2017 (en-US).
- ↑ 9,0 9,1 9780072864472: Design of Machinery: An Introduction to the Synthesis and Analysis of Mechanisms and Machines - AbeBooks - Robert L. Norton: 0072864478. Abgerufen am 21. April 2017 (english).
- ↑ Eifler, Tobias (1), Ebro, Martin (2,3), Howard, Thomas J. (3): A classification of the industrial relevance of robust design methods. In: DS 75-9: Proceedings of the 19th International Conference on Engineering Design (ICED13), Design for Harmonies, Vol.9: Design Methods and Tools, Seoul, Korea, 19-22.08.2013. 1. Januar 2013, ISSN 2220-4334 (designsociety.org [abgerufen am 21. April 2017]).
- ↑ Kalpakjian & Schmid, Manufacturing Engineering & Technology, 7th Edition. Abgerufen am 21. April 2017 (english).
- ↑ Six Theta® design - Right First Time | Valcon. In: Valcon. (valconconsulting.com [abgerufen am 21. April 2017]).
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