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5.
Process Improvement
5.5. Advanced topics 5.5.3. How do you optimize a process? 5.5.3.2. Multiple response case
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| The desirability approach is a popular method that assigns a "score" to a set of responses and chooses factor settings that maximize that score |
The desirability function approach is one of the most widely used
methods in industry for the optimization of multiple response
processes. It is based on the idea that the "quality" of a product
or process that has multiple quality characteristics, with one of
them outside of some "desired" limits, is completely unacceptable.
The method finds operating conditions x
that provide the "most desirable" response values.
For each response Yi(x), a desirability function di(Yi) assigns numbers between 0 and 1 to the possible values of Yi, with di(Yi) = 0 representing a completely undesirable value of Yi and di(Yi) = 1 representing a completely desirable or ideal response value. The individual desirabilities are then combined using the geometric mean, which gives the overall desirability D:
i
are used in place of the Yi.
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| Desirability functions of Derringer and Suich |
Depending on whether a particular response
Yi is to be maximized, minimized, or assigned
a target value, different desirability functions
di(Yi) can be used. A
useful class of desirability functions was proposed by
Derringer and Suich (1980).
Let Li, Ui and
Ti be the lower, upper, and target values,
respectively, that are desired for response
Yi, with Li
Ti
Ui.
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| Desirability function for "target is best" |
If a response is of the "target is best"
kind, then its individual desirability function is
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| Desirability function for maximizing a response |
If a response is to be maximized instead, the individual desirability
is defined as
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| Desirability function for minimizing a response |
Finally, if we want to minimize a response, we could use
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| Desirability approach steps |
The desirability approach consists of the following steps:
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| Example: | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| An example using the desirability approach | Derringer and Suich (1980) present the following multiple response experiment arising in the development of a tire tread compound. The controllable factors are: x1, hydrated silica level, x2, silane coupling agent level, and x3, sulfur level. The four responses to be optimized and their desired ranges are: | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Factor and response variables |
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| Experimental runs from a central composite design |
The following experiments were conducted using a central
composite design.
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| Fitted response |
Using ordinary least squares and standard diagnostics, the fitted
responses are:
(R2 = 0.8667 and adjusted R2 = 0.7466). Note that no interactions were significant for response 3 and that the fit for response 2 is quite poor. |
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| Optimization performed by Design-Expert software |
Optimization of D with respect to x was
carried out using the Design-Expert software. Figure 5.7 shows the
individual desirability functions
di( i) for each of the four responses.
The functions are linear since the values of s and t were
set equal to one. A dot indicates the best solution found by the
Design-Expert solver.
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| Diagram of desirability functions and optimal solutions |
FIGURE 5.7 Desirability Functions and Optimal Solution for Example Problem |
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| Best Solution |
The best solution is (x*)' =
(-0.10, 0.15, -1.0) and results in:
1) = 0.34
( 1(x*) = 136.4)
d2(
d3(
d4( |
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| 3D plot of the overall desirability function |
Figure 5.8 shows a 3D plot of the overall desirability function
D(x) for the
(x2, x3) plane when
x1 is fixed at -0.10. The function
D(x) is quite "flat" in the vicinity of the
optimal solution, indicating that small variations around
x* are predicted to not change the overall
desirability drastically. However, the importance of performing
confirmatory runs at the estimated optimal operating conditions should
be emphasized. This is particularly true in this example given the
poor fit of the response models (e.g.,
2).
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