Lähes kaikki meistä ovat elämässään törmänneet johonkin prosessiin tai miettineet erilaisia prosesseja sekä sitä miten jonkin asian voisi tehdä paremmin tai vähemmällä vaivalla. Koesuunnittelun (Desing of experiments, DOE) käyttäminen on tarpeen silloin, kun prosessia ja siihen vaikuttavia tekijöitä pitäisi tutkia, kerätä dataa ja tehdä se samalla tehokkaasti ja oikein.

Kirjoittajat: Niko Rintala & Kusti Ruokamo

LAB-ammattikorkeakoulussa järjestettiin henkilöstölle koesuunnittelun koulutus. Kyseessä on Taguchi-menetelmä, joka pohjautuu 1900-luvun alkupuolella toimineen Sir R.A. Ficherin koesuunnittelumalliin (Fischer 1990). Koesuunnittelun avulla Fischer optimoi ohran sadon, joka mahdollisti hyvinvoinnin voimakkaan kehityksen.

Koulutuksen tarkoituksena on oppia ja selvittää Taguchi-menetelmän avulla eri tekijöiden vaikutus lopputulokseen mahdollisimman edullisesti. Viljan satokausi on pitkä ja täten tehokkuus tekijätutkinnassa on oleellista. Sama periaate pätee edelleen Taguchi-ajattelussa; prosessin parannus saadaan tutkimalla mahdollisimman montaa vaikuttavaa tekijää samanaikaisesti. Kukin vaikuttava tekijä kategorisoidaan ja havainnoimalla näiden muutoksista aiheutuvaa lopputulosta, voidaan matemaattisesti seuloa tekijöiden merkitys tulokseen. Huolellisella koesuunnittelulla kyetään saamaan tehokkaasti dataa jo muutamasta koesarjasta, vaikka vaikutustekijöitä lopputulokseen olisikin useampi.

Koesuunnittelun periaate

Koe suunnitellaan siten, että jokaista tekijää voidaan manipuloida toisistaan riippumatta, mutta samalla tuloksista voidaan päätellä kuitenkin näiden keskinäiset vaikutukset. Yleisesti yhden tekijän muuttamisella saavutetaan jonkinasteinen optimi, mutta tekijöiden keskinäisvaikutusten vallitessa se ei välttämättä ole lopputuloksen kannalta paras.

Esimerkiksi sulattamalla muovia vakiolämmöllä ja muuttamalla aikaa, löydetään paras suhde näiden välille. Yhtä tekijää muutetaan, muut säilyvät ennallaan. Saamme selville käytännössä vain, kuinka pitkään muovia tulee lämmittää yhdelle ainoalle lämpöasetukselle. Haluamme kuitenkin saavuttaa lyhyimmän sulatusajan.

Esilämmittämällä massa uunissa, paineen lisääminen ja alentaminen lämmityksessä, sekä säilöntäastian lämmönjohtavuus, ovat myös tekijöitä, jotka vaikuttavat parhaan sulattamisajan saavuttamiseen. Ottamalla muut tekijät huomioon koejärjestelyssä, havaittaisiin tekijöiden keskinäisiä suhteita ja että tietynlaisella prosessilla lämpötilaa voisi alentaa ja aikaakin kuluisi vähemmän (Kuvaaja 1). Tarkoituksenmukaisesti tutkimalla säästettäisiin energiaa massan sulattamisessa ja Taguchi-järjestelyin koesarjoja tarvitsisi vain kourallisen verrattuna siihen, miten usean kokeen joutuisi järjestämään, mikäli kutakin yhtä tekijää tutkittaisiin kerrallaan.

Kuvaajassa esitetään, että optimialue massan sulattamisajan ja lämpötilan suhteen on tehokkaampi, kun muut tekijät huomioidaan.

Kuvaaja 1.  Optimialue massan sulattamisajan ja lämpötilan suhteen on tehokkaampi, kun muut tekijät huomioidaan. (Kuva: Niko Rintala)

Katapulttikoe

Käytännön harjoituksilla henkilökunnalle iskostettiin koesuunnittelun merkitystä. Harjoituksessa pyrittiin optimoimaan katapultin ampumarataa. Analysoimalla laitteiston nykyinen suorituskyky, havaittiin mitkä asiat vaikuttavat lentorataan ja mitä muutoksia on mahdollista suorittaa. Näistä koottiin tekijätaulukko ja matriisi, jonka perusteella tulevat kokeet suoritettaisiin. Kutakin lopputulokseen vaikuttavaa tekijää koetettiin kahden asetuksen avulla.

Luotu matriisi toimii ohjeena kokeille, joiden tehtävänä on määrittää kunkin tekijän vaikutus haluttuun tulokseen. Analysoimalla dataa voidaan seuloa ampumaetäisyyteen ja tarkkuuteen eniten vaikuttavat tekijät (Kuvaaja 2). Matriisi, jonka mukaan tekijöitä kokeeseen asetellaan, on matemaattisesti luotu ja optimoitu. Asettamalla 12 koetta ohjenuoraa noudattaen, kyetään lopputuloksesta laskemaan yksittäisten tekijöiden vaikutus lopputulokseen, vaikka useampaa tekijää kuhunkin kokeeseen muunneltaisiinkin.

Kuvaajassa esitetään, eri tekijöiden vaikutusta ampupituuden keskiarvoon.

Kuvaaja 2. Tekijöiden vaikutus ampumapituuden keskiarvoon. (Kuva: Niko Rintala)

Haluamme ampua katapultilla 130 cm päähän ja vähintään 20 cm hajonnalla. Tätä varten manipuloitavat tekijät koetettiin binäärimallilla; asetus 1 ja 2. Tekijän asetus 1 on tässä tapauksessa yhdestä mahdollisesta asettelun ääripäästä ja asetus 2 toisesta, jolloin saadaan nopeasti selville yksittäisen tekijän vaikutus lopputuloksen muutokseen. Suunnitellulla koejärjestelyllä voidaan laatia koeasetelmat, missä jo 12 kokeella pystytään päättelemään kaikkien yhdeksän tekijän vaikutus lopputulokseen jopa 90 % tarkkuudella (Pesonen 2021).

Katapultin tarkkuuteen vaikuttaa eniten huoneen olosuhteet, sekä varren kiinnitysasetus. Ampumaetäisyyteen eniten vaikuttavat tekijät kohdistuivat ammuttavaan kappaleeseen ja varren kiihtyvyyteen.

Kuvaajassa esitetään, miten Taguchi-menetelmää käyttämällä on saavutettu parempi tulos katapultilla ammuttaessa.

Kuvaaja 3. Taguchi- parannellun katapultin tulos. (Kuva: Niko Rintala)

Menetelmän edut

Kun suunnitellut kokeet on suoritettu, saadaan lopputuloksena laskettua haluttuun lopputulokseen eniten vaikuttavat tekijät. Tällöin kyetään valitsemaan asetukset, joita manipuloimalla kyetään siis ampumaan haluamaamme kohteeseen.

Taguchi-menetelmä soveltuu erinomaisesti tuotekehitykseen. Tapa ei rajoitu kahden tason vaikutusten määrittämiseen, vaan koska periaate on matemaattinen koejärjestelyn optimointi, voidaan huolellisella suunnittelulla välttää moninkertaisen koesarjan järjestäminen. Yllä olevassa esimerkissä väistettiin 2048 kokeen järjestäminen verrattuna siihen, että olisimme koettaneet muuntaa kutakin tekijää yksittäin. 15 tekijää tutkittaessa yhden tekijän tutkimukset veisivät jo yli 32 000 yksittäiskoetta. (Pesonen 2021.)

Koulutuspäivät korostivat järjestelmällisyyden ja hyvän suunnittelun tärkeyttä. Järjestelmällisellä tutkimuksella voidaan optimoida lähes mitä vain prosessia.

Lähteet

Fischer, R. A. 1990. Statistical Methods, Experimental Design and Scientific Inference. Oxford: Oxford University Press.

Pesonen, M. (toim.). 2021. Koesuunnittelu Osa 1. Opetusmateriaali. Quality Knowhow Karjalainen Oy.

Kirjoittajat

Niko Rintala toimii LAB Ammattikorkeakoulun kiertotalouslaboratorion ja -hankkeiden kehitysinsinöörinä.

Kusti Ruokamo toimii LAB Ammattikorkeakoulun kiertotalouslaboratorion ja -hankkeiden kehitysinsinöörinä.

Artikkelikuva: Päivi Porras

Julkaistu 1.12.2021

Viittausohje

Rintala, N. & Ruokamo, K. 2021. Laboratorio katapultilla kuntoon. LAB Pro. [Viitattu ja pvm]. Saatavissa: https://www.labopen.fi/lab-pro/laboratorio-katapultilla-kuntoon/