Planungsphase

Weshalb ist es wichtig, ein Experiment zu planen?

Aufgrund begrenzter Ressourcen ist es äußerst wichtig, aus jedem durchgeführten Experiment möglichst viele Informationen zu gewinnen.

Im Vergleich zu Zufalls- oder ungeplanten Experimenten können bei optimalen Versuchsanordnungen mit einer häufig geringeren Anzahl von Durchläufen wesentlich mehr Informationen erfasst werden.

Durch eine optimale Versuchsanordnung ist zudem sichergestellt, dass die von Ihnen als wichtig eingestuften Effekte untersucht werden können.

Wenn Sie beispielsweise annehmen, dass eine Wechselwirkung zwischen zwei Variablen vorliegt, empfiehlt es sich, beide Variablen in den Versuchsplan einzubeziehen. Wechselwirkungen können nicht in einem Experiment geschätzt werden, in dem jeweils nur ein Faktor untersucht wird.

Eine Wechselwirkung liegt vor, wenn der Effekt einer Variablen von der Stufe einer anderen Variablen beeinflusst wird.

Durch sorgfältige Planung können Sie Probleme vermeiden, die beim Durchführen des Versuchsplans auftreten können. Beispielsweise können sich Faktoren wie Personal, Geräteverfügbarkeit, Finanzierung und Maschinen im System auf die Durchführbarkeit des Experiments auswirken. Wenn das Projekt eine niedrige Priorität aufweist, können Sie mehrere kleine sequenzielle Experimente durchführen. Auf diese Weise müssen Sie die bereits erfassten Daten nicht verwerfen, wenn einem Projekt mit höherer Priorität Ressourcen überlassen werden müssen. Sobald die Ressourcen wieder verfügbar sind, können Sie die Experimente fortsetzen.

Planen eines Experiments

Der Umfang der Vorbereitung für ein Experiment hängt vom jeweils untersuchten Problem ab. Es empfiehlt sich, die folgenden Schritte durchzuführen:
Definieren des Problems
Eine gute Problembeschreibung trägt dazu bei, dass die richtigen Variablen untersucht werden. In diesem Schritt erarbeiten Sie die Fragen, auf die Sie Antworten suchen.
Definieren des Ziels
Ein klar definiertes Ziel stellt sicher, dass mit dem Experiment die richtigen Fragen beantwortet und praktisch verwertbare Informationen gewonnen werden. In diesem Schritt definieren Sie die Ziele des Experiments.
Entwickeln eines Versuchsplans, der aussagekräftige Informationen liefert
Stellen Sie sicher, dass Sie relevante Hintergrundinformationen wie theoretische Prinzipien und aus Beobachtungen und früheren Experimenten gewonnene Kenntnisse berücksichtigen. Eine Aufgabenstellung kann beispielsweise sein, dass Sie die Faktoren oder Prozessbedingungen ermitteln, die sich auf die Prozessleistung auswirken und die Prozessstreuung beeinflussen. Wenn der Prozess bereits festgelegt und die Einflussfaktoren ermittelt wurden, wäre eine andere Aufgabenstellung, die optimalen Prozessbedingungen zu bestimmen.
Sicherstellen, dass der Prozess und die Messsysteme beherrscht sind
Im Idealfall sollten sowohl der Prozess als auch die Messwerte statistisch beherrscht sein, d. h. Messungen sollten mit einem funktionierenden System der statistischen Prozesskontrolle (SPC) vorgenommen werden. Selbst wenn der Prozess nicht vollständig beherrscht ist, müssen Sie die Prozesseinstellungen reproduzieren können. Außerdem müssen Sie die Streuung des Messsystems bestimmen. Wenn die Streuung im System größer als die Differenz bzw. der als wichtig erachtete Effekt ist, führen die Experimente nicht zu brauchbaren Ergebnissen.

Minitab bietet zahlreiche Werkzeuge zum Auswerten der Prozesskontrolle und zum Analysieren des Messsystems.

Screening-Phase

In vielen Prozessentwicklungs- und Produktionsanwendungen ist die Anzahl der möglichen Variablen (Faktoren) groß. Beim Screening (der Prozesscharakterisierung) wird die Anzahl der Faktoren verringert, indem die wichtigsten Faktoren mit Auswirkung auf die Produktqualität ermittelt werden. Durch eine solche Reduzierung können Sie sich beim Verbessern des Prozesses auf die wenigen wirklich wichtigen Faktoren konzentrieren. Mit verschiedenen Typen von Screening-Versuchsplänen können Sie unterschiedliche Typen von Termen untersuchen und eine Krümmung des Modells erkennen bzw. modellieren. Gegebenenfalls können weitere Optimierungsexperimente durchgeführt werden, um komplexere Wechselwirkungen zu modellieren oder um das Wesen der Wirkungsfläche präziser zu definieren.

Die folgenden Versuchspläne werden häufig für das Screening verwendet:
  • Mit definitiven Screening-Versuchsplänen können komplexe Modelle für eine kleine Anzahl wichtiger Faktoren geschätzt werden, die in einem Experiment mit vielen Faktoren enthalten waren.
  • Zweistufige vollfaktorielle und teilfaktorielle Versuchspläne finden in der Industrie breite Verwendung.
  • Plackett-Burman-Versuchspläne weisen nur eine niedrige Auflösung auf. Allgemein anerkannt ist jedoch die Nützlichkeit dieser Versuchspläne bei einigen Screening-Experimenten und beim Untersuchen der Robustheit.

Optimierungsphase

Nachdem Sie beim Screening die wichtigen Terme ermittelt haben, müssen Sie nun die optimalen Werte für die experimentellen Faktoren bestimmen. Die optimalen Faktorwerte hängen vom Ziel des Prozesses ab. Sie können beispielsweise die Prozessausbeute maximieren oder die Streuung des Produkts verringern.

Überprüfungsphase

Die Überprüfung umfasst das Durchführen eines Folgeexperiments unter den prognostizierten optimalen Bedingungen, in dem die Optimierungsergebnisse bestätigt werden sollen. Sie können beispielsweise zur Überprüfung einige Durchläufe mit den optimalen Einstellungen ausführen und erhalten dann ein Konfidenzintervall für den Mittelwert der Antwortvariablen.

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