Die Prüftechnik befindet sich in einem grundsätzlichen Wandel, ausgelöst durch interne Zwänge in Form von notwendigen Produktivitätssteigerungen. Auch externe Forderungen nach einer starken Reduzierung der festgelegten Ausschussquoten sind hierfür verantwortlich.

In diesem Beitrag erfahren Sie:

• welche Strategien der Qualitätsüberwachung es gibt,
• wie Qualitätsprüfung im Fertigungsbereich abläuft,
• warum Qualitätsregelkreise als langfristige Perspektive realisiert werden müssen.

Einleitung

Bedingt durch interne Zwänge in Form von notwendigen Produktivitätssteigerungen sowie externe Forderungen nach einer starken Reduzierung der festgelegten Ausschussquoten ist die Prüftechnik in einem grundsätzlichen Wandel begriffen. Noch vor wenigen Jahren zielten die Entwicklungen auf diesem Gebiet im Wesentlichen darauf ab, Systeme und Verfahren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit am fertigen Erzeugnis zu installieren bzw. zu verbessern. Diese Art der Prüftechnik basiert weitgehend auf dem Bestreben hin zu einer 100%-Kontrolle [1]. Am Ende der Produktionskette steht hierbei die Entscheidung an, ob die einzelnen Qualitätsmerkmale innerhalb oder außerhalb der geforderten Toleranzen liegen und ob nicht-spezifikationskonforme Erzeugnisse durch Nacharbeit verbessert werden können.

Diese Strategie bindet zum einen enorme Kapazitäten zur Bereitstellung der erforderlichen Prüfungen am Produkt und verursacht zum anderen hohe Fehlleistungskosten. Die geforderten Ausschussquoten können nur durch eine um die zu erwartende Fehlerquote erhöhte Stückzahl oder durch die Bereitstellung zusätzlicher Maschinenkapazität zur Nacharbeit sichergestellt werden.

Derart zeit- und kostenintensive Konzepte der Qualitätskontrolle, die auf Dauer zum Verlust der Konkurrenzfähigkeit führen, lassen sich nur vermeiden, wenn es gelingt, die Prüfung und Überwachung weitgehend in den Produktionsablauf zu integrieren. Die Kontrolle muss sowohl vor Beginn als auch während und nach Beendigung einzelner Bearbeitungsschritte ansetzen, um Produktionsstörungen zu vermeiden bzw. ohne zeitliche Verzögerungen auf unerwartete Abweichungen von den Sollvorgaben reagieren zu können Abb. 1.

Dies erfordert den Einsatz robuster Messsysteme, die sich störungsfrei im Umfeld der Fertigung einsetzen lassen, sowie die Integration von Regelmechanismen, die eine automatische Anpassung der relevanten Prozessparameter ermöglichen.

Zeitverzögerungen im Produktionsverlauf, die durch eine 100%-Kontrolle an einzelnen Qualitätsmerkmalen hervorgerufen werden, müssen zusätzlich durch die gezielte Anwendung einer Stichprobenprüfung in Verbindung mit einer Auswertung durch statistische Verfahren vermieden werden. Neben der Prozesskontrolle müssen weiterhin die verwendeten Produktion- und Prüfmittel einer intensiven Überwachung unterzogen werden.

Strategien der Qualitätsüberwachung

Eine Analyse der in deutschen Industriebetrieben angewendeten Verfahren zur Sicherung der geforderten Produktqualität zeigt, dass sich die im Detail auf die jeweilige Problemstellung angepassten Strategien grundsätzlich in drei Bereiche gliedern lassen Abb. 2.

Die kontinuierliche Qualitätsüberwachung beruht auf dem einleitend dargestellten konventionellen Ansatz einer detaillierten Prüfung möglichst aller gefertigten Bauteile am Ende der Prozesskette. Kennzeichnend für diese Strategie ist der hohe gerätetechnische und personelle Aufwand zur Durchführung der hierzu erforderlichen messtechnischen Untersuchungen.

Eine erhebliche Reduzierung des Prüfumfanges lässt sich durch den Einsatz statistischer Verfahren erzielen. Die Beurteilung der Bauteilqualität erfolgt bei dieser Form der Überwachung auf der Basis einzelner oder mehrerer aus dem Los entnommener Stichproben. Die Bewertung des Loses obliegt in der Regel dem Prüfer.

Die hierzu verwendeten Verfahren lassen sich unter dem Begriff »Statistische Prozesskontrolle SPC« zusammenfassen [2, 3]. Vorausgesetzt wird hierbei, dass die Grundgesamtheit des betrachteten Q-Merkmals durch eine statistische Verteilungsform, in der Regel durch Normalverteilung, beschrieben werden kann [3-5].

Eine im Bereich der Automobilindustrie eingeführte und mittlerweile weitverbreitete Methode ist die Beurteilung von Bearbeitungsprozessen durch die Berechnung der Fähigkeitsindizes cp und cpk [3, 4, 6, 7, 8]. Hierdurch können sowohl im Rahmen einer der eigentlichen Produktion vorgelagerten Untersuchung als auch während der laufenden Fertigung Informationen gewonnen werden über die Fähigkeit eines Prozesses, eine ausreichende Anzahl von Bauteilen mit einer vorgegebenen Genauigkeit erzeugen.

Ein weiteres Hilfsmittel zur statistischen Überwachung von Fertigungsprozessen ist durch die Führung so genannter Qualitätsregelkarten gegeben [4]. Physisch stellt eine Qualitätsregelkarte eine Grafik dar, die den Qualitätsverlauf des betrachteten Merkmals als Funktion der Zeit bzw. der Stichprobennummer wiedergibt. Die Messwerte einer Stichprobe werden entweder direkt als Einzelmesswerte oder in verdichteter Form in Gestalt des Stichprobenmittelwertes X, der Stichprobenstandardabweichung S oder einer anderen Prüfgröße in die Regelkarte eingetragen. Sobald ein Stichprobenbefund gewisse, aus statistischen Überlegungen abgeleitete Eingriffsgrenzen überschreitet, kann mit hoher Wahrscheinlichkeit unterstellt werden, dass die Qualität des Loses nicht weiter gewährleistet ist. Für diesen Fall sind eingehendere Untersuchungen einzuleiten.

Werden die beschriebenen Verfahren ohne die Einleitung geeigneter Maßnahmen zur Behebung der aufgetretenen Fertigungsfehler eingesetzt, so wird von einer statistischen Qualitätsüberwachung s. Abb. 2 gesprochen. Ein wesentlich effektiverer Einsatz der SPC-Methoden kann dadurch gewährleistet werden, dass die Prüfung und Auswertung vom Ende der Prozesskette zwischen die einzelnen Bearbeitungsschritte verlegt wird. Hierdurch können infolge der schnelleren Erkennung von Merkmalsabweichungen oder nicht-spezifikationskonformen Teilen Regelmechanismen in Gang gesetzt werden; sie ermöglichen eine sofortige Anpassung der Prozessparameter und erreichen somit eine Prozessstabilisierung oder verhindern die weitere Produktion von Ausschussteilen.

Diese als statistische Prozessregelung bezeichneten Maßnahmen können vom Maschinenbediener manuell durchgeführt werden. Zur Entlastung des Bedienungspersonals sind in einer Ausbaustufe Möglichkeiten für eine Automatisierung der Regelung zu erarbeiten.

Untersuchungen in Industriebetrieben zeigen, in welchem Umfang die hier beschriebenen Verfahren momentan eingesetzt werden. Durch Erhebungen in einem Unternehmen der Automobilzulieferindustrie wurde belegt, dass in insgesamt 606 erfassten Prüfabläufen lediglich 336 variable Prüfungen enthalten waren Abb. 3. Bezogen auf diese Merkmale wurde in den meisten Fällen lediglich eine statistische Qualitätsüberwachung durchgeführt, während die erfassten Daten in nur 9,2 Prozent der Fälle zur Durchführung einer Prozessregelung genutzt wurden. Diese Zahlen belegen, dass in Bezug auf die Einführung von Regelmaßnahmen, die korrigierend in den Prozess eingreifen, derzeit enormer Handlungsbedarf besteht.

Qualitätsprüfung im Fertigungsbereich

Die Fertigungsmesstechnik, die sich mit Messwertaufnehmern, Messmitteln sowie Messverfahren im Rahmen des mechanischen Produktionsprozesses befasst, bildet einen wichtigen Teilbereich der allgemeinen Messtechnik [9]. Sie umfasst die Bereiche der Präzisionsmesstechnik in Laboratorien und Instituten ebenso wie die Arbeiten im Feinprüfraum und die fertigungsnahe Messtechnik im Produktionsprozess [10]. Gerade dieser Bereich gewinnt in den letzten Jahren aus o. g. Gründen zunehmend an Bedeutung.

Die werkstückorientierte Messtechnik beschäftigt sich mit der Qualitätsprüfung in allen Bereichen des betrieblichen Produktionsablaufs. Sowohl bei der Wareneingangsprüfung als auch während der Fertigung und vor der Auslieferung des Produktes müssen unterschiedlichste Messsysteme und -verfahren eingesetzt werden, um eine kontinuierliche Überwachung zu ermöglichen s. Abb. 1. Da sich eine Beurteilung industriell gefertigter Bauteile zu etwa 90 % auf die Erfassung von Längen und Längenverhältnissen zurückführen lässt, besteht die Hauptaufgabe der Fertigungsmesstechnik in diesem Bereich in der Messung geometrischer Größen [11]. Darüber hinaus werden ebenfalls Werkstoff- und Funktionsprüfungen in den Produktionsbereich verlagert.

Entscheidend für die Erzeugung qualitativ hochwertiger Produkte ist der Zustand der eingesetzten Produktionsmittel. Die vorhandenen Maschinen und Werkzeuge sind somit ebenfalls einer intensiven Kontrolle zu unterziehen. Das eingangs beschriebene Verfahren der statistischen Prozessregelung gewinnt die notwendigen Informationen nach Beendigung der Bearbeitungsschritte aus den Abweichungen der Bauteile von den Sollvorgaben. Neben diesen Verfahren werden im Bereich der Fertigungsmesstechnik zunehmend Sensoren eingesetzt, deren Messsignale sich im Rahmen einer Online-Überwachung auswerten lassen. Weiterhin werden Strategien für eine zumeist nach festen Zeitintervallen erfolgende Offline-Kontrolle entwickelt.