آشنایی با طراحی آزمایش

چگونه می توانیم شرایط بهینه را پیدا کنیم؟ کدام ترکیب از فاکتورها به ارائه بهترین فرمولاسیون دارو با کمترین هزینه ممکن و با استفاده از کمترین میزان مصرف ماده اولیه و حداکثر درصد خلوص می انجامد؟ این سوال و دیگر سوالات مرتبط در همه جا در کسب و کار، پژوهش و صنعت رایج هستند. در تحقیق، توسعه و تولید، اغلب نیمی از منابع تجربی موجود برای حل مشکلات بهینه سازی صرف می شوند. با هزینه های روزافزون آزمایش ها، اطلاع از تعداد آزمایش ها جهت پاسخ گویی به این سوالات ضروری است. طراحی آزمایش، DOE برای این منظور استفاده می شود تا اطمینان حاصل شود که آزمایش های انتخاب شده حداکثر مقدار لازم هستند.

چرا از طراحی آزمایش (DOE) استفاده می شود؟

  • توسعه محصولات و فرآیندهای جدید
  • افزایش محصولات و فرآیندهای موجود
  • نمایش عوامل مهم
  • حداقل هزینه های تولید و آلودگی
  • تست پایداری محصولات و فرایندها
  • مدل سازی فرایند ئ تعیین رابطه های ورودی ها ئ خرئجی های فرایند و اقدام جهت بهبود مستمر محصول و فرایند با کمترین هزینه و در کوتاه ترین زمان
  • بهینه سازی کیفیت و عملکرد یک محصول
  • بهینه سازی یک روش تولید موجود
  • بهینه سازی هم زمان متغیرهای قابل کنترل به منظور رسیدن به پاسخ هدف

سه هدف اولیه آزمایش های تجربی

سه نوع اصلی سوال وجود دارد که در آنها DOE قابل اجرا است. که به این زمینه های مطرح شده، اهداف تجربی نامیده می شود. هدف اول آزمایشی غربالگری است. غربالگری برای کشف عوامل تاثیر گذار مورد استفاده قرار می گیرد و تعیین کننده محدوده مورد بررسی است. این مسئله پیچیده نیست و بنابراین طرح های غربالگری از چندین آزمایش در رابطه با تعدادی از عوامل استفاده می کنند. هدف دوم آزمایش بهینه سازی است. در حال حاضر، ارائه ترکیب تایید شده از عوامل مهم شرایط عملیاتی مورد نظر است. از آنجا که بهینه سازی پیچیده تر از غربالگری است، طرح های بهینه سازی نیاز به آزمایش بیشتر در هر عامل دارند. سومین هدف آزمایشی، تست قدرت است. در اینجا، فرد می خواهد تعیین کند که چگونه یک محصول یا روش تولید به تغییرات کوچک در تنظیمات یک عامل حساس است. چنین تغییرات کوچکی معمولا با نوسانات عوامل رخ داده در «روز بد» در تولید و یا زمانی که مشتری از دستورالعمل استفاده از محصول پیروی نمی کند، مطابقت دارد.

مرور کلی بر DOE

قبل از انجام هر آزمایش، آزمایش کننده باید برخی از شرایط ورودی را مشخص کند، تعداد عوامل و محدوده آنها، تعداد پاسخ ها و هدف آزمایشی. سپس طراحی آزمایش ایجاد می شود و آزمایش های آن به صورت موازی یا یکپارچه انجام می شود. هر آزمایش مقادیر متغیرهای پاسخ را ارائه می دهد. پس از آن، این داده ها با استفاده از تحلیل رگرسیون تجزیه و تحلیل می شوند. این مدل یک مدل مربوط به تغییرات عوامل به تغییرات در پاسخ است. این مدل نشان می دهد که کدام عوامل مهم هستند و چگونگی تأثیرگذاری ترکیب پاسخ ها را نشان می دهد. می توان اثرات اصلی و متقابل و همچنین نتایج مدل سازی نیز ممکن است در نمودار کانتور مشاهده شود، که برای مشخص شدن بهترین شرایط عملیاتی مورد استفاده قرار می گیرند (شکل های 1-5).

به طور کلی یک طرح آزمایش شامل مراحل زیر است

  1. تعیین هدف از انجام طراحی آزمایش: معمولا در نظر گرفتن تمام جوانب مربوط به ورودی مانند مهندسی، استاندارد کیفیت، ساخت، بازاریابی، مدیریت و مشتری از اهمیت زیادی برخوردار است. اغلب بیان روشن مساله در فهم بهتر پدیده ها و حل نهایی آنها کمک بسزایی می کند.
  2. انتخاب متغیر پاسخ: قبل از هر قدامی محقق باید مشخصه ی کیفی یا کمی مورد بررسی را تعیین کند و هدف این مشخصه و نحوه اندازه گیری آن نیز باید تعیین شود.
  3. انتخاب عوامل و سطوح: در هر آزمون، انتخاب عواملی که تاثیر قابل ملاحظه ای بر روی متغیر پاسخ دارند، از اهمیت بالایی برخوردار است. در انتخاب عوامل و سطوح مورد بررسی، محقق باید به دقت عوامل موثر در آزمایش و محدوده عملیاتی این عوامل و نحوه اندازه گیری آنها را بررسی کند.
  4. انتخاب روش طرح آزمایش: اگر سه مرحله ابتدایی به درستی انجام شده باشند، این مرحله نسبتا ساده است. انتخاب طرح شامل در نظر گرفتن حجم نمونه و انتخاب ترتیب اجرای آزمایش ها و انتخاب مناسب ترین طرح ازمایش با توجه به هدف و عوامل مرتبط با متغیر پاسخ می باشد.
  5. انجام آزمایش: اجرا و نظارت دقیق کار محقق جهت حصول اطمینان از صحت و دقت آزمایش ها.
  6. تحلیل داده ها: در تحلیل داده ها باید از آنالیز آماری استفاده کرد. آزمون فرض ها و آنالیز واریانس و تجزیه و تحلیل رگرسیون از جمله روش های آماری است که مورد استفاده قرار می گیرد.
  7. نتیجه گیری: یک آزمایش موفق به آگاهی از عوامل مهم، دامنه ی تغییرات، تعداد مناسب سطوح و واحد درست اندازه گیری این متغیرها بستگی دارد.

در طرح آزمایش از برخی مفاهیم استفاده می شود که عبارتند از:

  • پاسخ: یک نتیجه قابل اندازه گیری مورد علاقه، به عنوان مثال: عملکرد، قدرت و غیره
  • عوامل: متغیرهای قابل کنترل که عمدا دستکاری می شوند تا اثرات فردی و مشترک خود بر روی پاسخ (ها) تعیین شود، یا عواملی هستند که مقادیر نتیجه آزمایش را تحت تاثیر قرار می دهند، مانند دما، زمان و غیره
  • سطح: سطوح به مقادیر فاکتورهایی که داده ها جمع آوری می شوند اشاره می کند؛ "مقادیری که در آزمایش در نظر گرفته می شوند"، به عنوان مثال: سطح یک - برای زمان ۲ ساعت و سطح دو - برای زمان ۳ ساعت
  • تیمار: مجموعه ای از سطوح فاکتور مشخص شده برای یک آزمایش آزمایشی، به عنوان مثال: تیمار یک: زمان = 2 ساعت و درجه حرارت = 175 درجه سانتی گراد تیمار دو: زمان = 3 ساعت و درجه حرارت = 225 درجه سانتی گراد
  • اثرات اصلی: میزان تغییر در پاسخ که توسط تغییر در سطح یک فاکتور به وجود می آید را اثر اصلی آن فاکتور می گویند.
  • اثرات متقابل: اثر دو یا چند عامل بر روی پاخ می باشد.
  • نویز: متغیرهایی که بر عملکرد محصول / فرآیند تأثیر می گذارند، مقادیری که نمی توانند کنترل شوند یا به دلایل اقتصادی کنترل نشده اند.
  • تکرار: یک تکرار سیستماتیک از سری آزمایش های تجربی است. این ابزار، اندازه گیری دقت را با محاسبه خطای آزمایشی فراهم می کند.
  • شرایط بهینه: هدف از مطالعه یک پدیده یافتن شرایط بهینه برای آن است که میتواند بیشترین مفدار، کمترین مقدار یا یک مقدار اسمی باشد.

 

شکل ۱

شکل ۱

 

2

شکل ۲

 

figure 3

شکل ۳

 

شکل ۴

شکل ۴

 

شکل ۵

شکل ۵