Stellen Sie sich vor: Ihr Schrauber besteht die Maschinenfähigkeitsuntersuchung mit einem hervorragenden Cmk-Wert von 1,67 - also genau dem Grenzwert, den die Automobilindustrie für sicherheitskritische Verbindungen fordert. Das Team ist zufrieden, die Dokumentation vollständig, der Prozess freigegeben.
Und dann: Kundenreklamation. Fehlerhafte Schraubverbindungen aus der Serienproduktion.
Widersprüchlich? Keineswegs. Dieses Szenario tritt in der Praxis regelmäßig auf - und ist fast immer auf denselben Denkfehler zurückzuführen: Die MFU (Maschinenfähigkeitsuntersuchung) wird mit dem Nachweis der Prozessqualität gleichgesetzt. Das ist sie nicht. Und dieser Irrtum kann teuer werden.
Dieser Artikel erklärt, was MFU und PFU tatsächlich messen, warum der Unterschied in der Serienfertigung entscheidend ist - und wie Sie beide Untersuchungen richtig einsetzen.
Was die MFU misst - und was sie bewusst ausblendet
Die Maschinenfähigkeitsuntersuchung (MFU) nach VDI/VDE 2645 Blatt 21VDI/VDE 2645 Blatt 2 hat eine klar definierte Aufgabe: Sie ermittelt die Stabilität und Reproduzierbarkeit der Prozesseinflussgröße "Maschine".
Das klingt präzise - und das ist es auch. Doch genau diese Präzision hat einen Preis: Die MFU ist eine Kurzzeituntersuchung unter bewusst idealisierten Bedingungen. Störgrößen werden systematisch eliminiert:
- Kein Bedienerwechsel -> Menschlichen Einfluss ausschalten
- Kein Materialwechsel -> Chargenvariation ausschließen
- Keine Arbeitsunterbrechung -> Schicht- und Pauseneffekte vermeiden
- Stabile Umgebungsbedingungen -> Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen verhindern
- Kein Werkzeugwechsel -> Rüsteinflüsse eliminieren
Das Ergebnis ist der Cmk-Wert - ein aussagekräftiger Kennwert für die Maschinenstreuung unter Idealbedingungen. Branchenüblich wird in der Automobilindustrie ein Cmk ≥ 1,67 gefordert, was einer Prozessstreuung entspricht, bei der statistisch nur 0,57 ppm (parts per million) Teile außerhalb der Toleranz liegen.
Die MFU beantwortet damit eine sehr spezifische Frage: Ist das Werkzeug grundsätzlich präzise genug? Über die Realität an der Montagelinie sagt sie nichts aus.
Was die PFU misst - die Realität der Serienfertigung
Die Prozessfähigkeitsuntersuchung (PFU) nach VDI/VDE 2645 Blatt 32VDI/VDE 2645 Blatt 3 stellt eine fundamental andere Frage: Hält der gesamte Schraubprozess unter Serienbedingungen dauerhaft die geforderten Toleranzen ein?
Im Unterschied zur MFU werden bei der Prozessfähigkeitsuntersuchung zusätzlich zum Maschineneinfluss die Einflusskategorien Mensch, Material, Methode und Mitwelt (Umgebung) berücksichtigt. Das ist das bekannte 5M-Modell der industriellen Fertigungssteuerung - und in der Schraubtechnik wirken alle fünf Dimensionen gleichzeitig:
| Einflusskategorie | Konkrete Störgrößen in der Schraubmontage |
|---|---|
| Mensch | Unterschiedliche Bediener, Kraftaufwand, Haltung, Erfahrungsstand |
| Maschine | Temperaturverhalten, Verschleiß, Kalibrierungsabweichungen |
| Material | Chargenschwankungen der Schrauben, Materialfestigkeit, Oberflächenqualität |
| Methode | Reihenfolge der Schraubvorgänge, Anziehstrategie, Anzugsgeschwindigkeit |
| Mitwelt | Raumtemperatur, Luftfeuchtigkeit, Vibration, Schmiermittelvariationen |
Ziel der Prozessfähigkeitsuntersuchung für Verschraubungen ist die Bewertung und Dokumentation der Qualitätsfähigkeit eines Schraubprozesses unter Serienbedingungen. Das Kerninstrument dabei ist die Weiterdrehmomentmessung: Nach der Verschraubung wird mit einem kalibrierten Prüfwerkzeug das Drehmoment ermittelt, das nötig ist, um die Schraube geringfügig weiterzudrehen. Das Weiterdrehmoment gibt Aufschluss über die tatsächlich installierte Vorspannkraft - und damit über die reale Verbindungsqualität.
Das Ergebnis der PFU ist der Cpk-Wert - der kritische Prozessfähigkeitsindex, der sowohl die Lage des Mittelwerts relativ zu den Toleranzgrenzen als auch die Gesamtstreuung des Prozesses berücksichtigt.
Der entscheidende Vergleich: MFU und PFU auf einen Blick
| Merkmal | MFU (Maschinenfähigkeitsuntersuchung) | PFU (Prozessfähigkeitsuntersuchung) |
|---|---|---|
| Norm | VDI/VDE 2645 Blatt 2 | VDI/VDE 2645 Blatt 3 |
| Ziel | Fähigkeit des Werkzeugs isoliert prüfen | Qualitätsfähigkeit des gesamten Prozesses bewerten |
| Studientyp | Kurzzeituntersuchung | Langzeitstudie unter Serienbedingungen |
| Bedingungen | Idealisierte Laborbedingungen, Störgrößen eliminiert | Reale Produktionsbedingungen, alle Störgrößen aktiv |
| Einflussfaktoren | Nur Maschine/Werkzeug | 5M: Mensch, Maschine, Material, Methode, Mitwelt |
| Kennwert | Cm / Cmk | Cp / Cpk |
| Typischer Grenzwert (Automotive) | Cmk ≥ 1,67 | Cpk ≥ 1,67 |
| Wann durchführen? | Bei Anschaffung, nach Reparatur, bei Kalibrierung | Regelmäßig in laufender Produktion |
| Was wird bewertet? | Kann das Werkzeug das grundsätzlich leisten? | Hält der Prozess die Toleranzen dauerhaft ein? |
Praxisbeispiel: Cmk 1,67 im Labor - Cpk 0,95 in der Produktion
Betrachten wir ein realistisches Szenario aus der Automobilmontage:
Ein Elektroschrauber wird für eine Klasse-A-Verbindung (Fahrwerkskomponente) zugelassen. Die MFU unter Laborbedingungen ergibt einen Cmk von 1,67 - die Mindestanforderung ist erfüllt. Die Freigabe wird erteilt.
Drei Monate später in der laufenden Produktion: Die PFU ergibt einen Cpk von 0,95. Der Prozess ist nicht fähig. Was ist passiert?
Die Analyse zeigt mehrere überlagernde Einflussfaktoren:
- Schmiermittelvariationen: Der Lieferant hat die Schmierstoffcharge gewechselt. Der Reibungskoeffizient unter dem Schraubenkopf hat sich verändert - das installierte Drehmoment weicht systematisch vom Sollwert ab.
- Saisonale Temperaturschwankungen: Die Montagehalle erreicht im Winter Temperaturen unter 15 °C. Der Schrauber verhält sich bei kalten Komponenten anders als im temperierten Labor.
- Bedienerrotation: Verschiedene Werker wenden unterschiedliche Gegenhaltekräfte auf, was bei handbedienten Werkzeugen zu messbarer Streuung führt.
Keiner dieser Faktoren war während der MFU sichtbar - weil sie alle gezielt ausgeblendet wurden. Das Werkzeug war fähig. Der Prozess war es nicht.
Was Cmk und Cpk wirklich aussagen
Der Zusammenhang ist klar: Der Minimalwert für die Maschinenfähigkeit (Cmk) muss größer sein als der Grenzwert für die Prozessfähigkeit (Cpk), da über den MFU-Zeitraum hinaus weitere Störgrößen auf den Prozess wirken und die Prozessstreuung zunehmen wird.
Das heißt: Ein Cmk von genau 1,67 lässt in der Praxis kaum Spielraum für die unvermeidlichen Produktionseinflüsse. Ein guter Cpk in der Serienproduktion setzt einen deutlich höheren Cmk voraus.
Probieren Sie es selbst aus: Der MFU-PFU-Einfluss-Simulator
Wie stark verändern die 5M-Faktoren Ihren Cpk in der Praxis? Stellen Sie die Störgrößen selbst ein und beobachten Sie, wie der Prozessfähigkeitswert reagiert:
Wann brauchen Sie was? Der richtige Einsatz von MFU und PFU
Die Grundregel ist eindeutig:
- MFU = Einmalig bei Werkzeugbeschaffung, nach jeder Reparatur und nach wesentlichen Umrüstungen
- PFU = Regelmäßig in der laufenden Produktion, bei Prozessänderungen und nach Auffälligkeiten
Eine erfolgreiche MFU ist Voraussetzung für die PFU - aber kein Ersatz. Die MFU ohne nachfolgende PFU ist wie ein Fahrzeug, das den TÜV auf dem Prüfstand besteht, aber nie im Straßenverkehr gefahren wurde.
Was die Normen konkret fordern: VDI/VDE 2862 und VDI/VDE 2645-3 im Zusammenspiel
Die beiden Richtlinien greifen unmittelbar ineinander:
VDI/VDE 28623VDI/VDE 2862 klassifiziert Schraubverbindungen in drei Risikoklassen:
- Klasse A - sicherheitskritisch: Gefahr für Leib und Leben bei Versagen (z. B. Radaufhängung, Bremsanlage)
- Klasse B - funktionskritisch: Produktausfall bei Versagen ("Liegenbleiber")
- Klasse C - unkritisch: Keine sicherheits- oder funktionsrelevanten Folgen
Die Klassifizierung bestimmt die Mindestanforderungen an Werkzeuge, Überwachung und Dokumentation. VDI/VDE 2862 gilt seit 1999 für die Automobilindustrie und seit 2015 für alle Anlagen-, Maschinen- und Apparatebauer.
VDI/VDE 2645 Blatt 3 (PFU) liefert das Verfahren, um die durch VDI/VDE 2862 geforderte Prozessqualität nachzuweisen. Dabei gilt: Je höher die Risikoklasse, desto enger die Toleranzgrenzen - und desto anspruchsvoller der geforderte Cpk-Wert.
Die PFU liefert Anhaltspunkte zur Beurteilung und kontinuierlichen Verbesserung des Schraubprozesses, darunter das Erkennen systematischer Einflüsse, das Beurteilen von Prozessverbesserungsmaßnahmen und das Festlegen der Eingriffsgrenzen von Qualitätsregelkarten.
Wer VDI/VDE 2862 und ihre Schraubfallklassen A, B und C noch nicht vollständig durchdrungen hat, sollte dort beginnen - denn die Klassifizierung ist der Ausgangspunkt für alle Fähigkeitsanforderungen.
Das richtige Messwerkzeug für MFU und PFU in einem
Eine PFU ist nur so belastbar wie das eingesetzte Messsystem. Für beide Untersuchungsarten gelten klare Anforderungen:
- DAkkS-akkreditierte Kalibrierung mit lückenloser messtechnischer Rückführbarkeit
- Weiterdrehmomentmessung ohne Werkereinfluss für reproduzierbare PFU-Ergebnisse
- Automatische Cmk/Cpk-Berechnung mit statistischer Auswertung und Archivierung
- Normkonforme Dokumentation aller Schraubkurven und Messdaten für Audits
Das GWK QUANTEC MCS® wurde für genau diesen Anwendungsfall entwickelt: Als elektronisches Drehmoment- und Drehwinkelanalysewerkzeug mit festpunktloser Drehwinkelmessung und ±1 % Messgenauigkeit zwischen 10 und 100 % des Nennbereiches deckt es beide Untersuchungstypen ab. Die integrierte Weiterdrehmomentfunktion liefert die PFU-Datenbasis direkt am Bauteil - ohne Rückführung ins Labor.
Die Analysesoftware QuanLabPro wertet Cmk- und Cpk-Werte automatisch aus, stellt Regelkarten und Histogramme bereit und archiviert alle Messdaten revisionssicher. So lassen sich MFU und PFU aus einer Hand realisieren - mit einem einzigen, kalibrierten Werkzeug.
Wer den Aufwand für eigene Messtechnik scheut oder ein Analysewerkzeug für eine zeitlich begrenzte PFU-Kampagne benötigt, kann das QUANTEC MCS® auch über das GWK ToolRent® Mietsystem flexibel nutzen - inklusive geprüfter Kalibrierung vor Auslieferung.
Fazit: MFU ist der Anfang - PFU ist der Beweis
Die Maschinenfähigkeitsuntersuchung ist unverzichtbar - aber nur der erste Schritt. Sie belegt, dass Ihr Werkzeug unter Idealbedingungen präzise arbeitet. Mehr nicht.
Erst die Prozessfähigkeitsuntersuchung zeigt, was in der realen Produktion tatsächlich passiert: mit wechselnden Bedienern, schwankenden Materialchargen, jahreszeitlichen Temperaturen und den hundert kleinen Störgrößen, die den Montagealltag prägen. Der Cpk-Wert ist kein bürokratisches Pflichtdokument - er ist Ihr frühestes Warnsignal, bevor ein Qualitätsproblem die Montagelinie verlässt.
Praktische Takeaways:
- MFU ≥ Cmk 1,67 ist Pflicht bei Beschaffung und nach Reparatur - aber kein Freifahrtschein für die Serienproduktion
- PFU nach VDI/VDE 2645-3 ist der normkonforme Nachweis der Prozessqualität in der Serienfertigung
- Cpk ist strukturell kleiner als Cmk - planen Sie diesen Abstand von Anfang an ein
- Beide Untersuchungen sind eigenständig durchzuführen und separat zu dokumentieren
- Jede relevante Prozessänderung (Material, Schmierstoff, Bediener, Umgebung) erfordert eine neue PFU
Wer die PFU Schritt für Schritt durchführen möchte, findet in unserem Leitfaden eine detaillierte Anleitung zur ersten normkonformen Prozessfähigkeitsuntersuchung - von der Stichprobenplanung bis zur Cpk-Berechnung.
Muss ich nach jeder MFU auch eine PFU durchführen?
Ja - die MFU ist eine notwendige Voraussetzung, aber keine Garantie für einen fähigen Prozess. Erst die PFU unter realen Serienbedingungen zeigt, ob Ihr gesamter Schraubprozess die geforderten Toleranzen enhält. Beide Untersuchungen sind eigenständig durchzuführen und separat zu dokumentieren.
Wie häufig muss eine PFU wiederholt werden?
Die VDI/VDE 2645-3 schreibt keine starre Wiederholfrequenz vor. In der Praxis empfiehlt sich eine PFU bei relevanten Prozessänderungen (neues Material, geändertes Schmiermittel, Bedienwechsel, neue Losgröße) sowie in definierten regelmäßigen Intervallen. In der Automobilindustrie sind jährliche Wiederholungen für A- und B-Klasse-Schraubfälle gängige Praxis.
Was ist der Unterschied zwischen Cpk und Cmk?
Cmk ist der Maschinenfaehigkeitskennwert aus der MFU - er bewertet ausschließlich die Streuung des Werkzeugs unter idealisierten Bedingungen. Cpk ist der Prozessfähigkeitskennwert aus der PFU - er bewertet die Gesamtstreuung des realen Produktionsprozesses unter Einbeziehung aller 5M-Einflussgrößen. Cpk ist in der Regel kleiner als Cmk, da mehr Streuquellen aktiv sind.
Was passiert, wenn der Cpk-Wert unter 1,33 fällt?
Bei Cpk < 1,33 gilt der Prozess als nicht ausreichend fähig. In sicherheitskritischen Klasse-A-Verbindungen nach VDI/VDE 2862 bedeutet das: sofortiger Handlungsbedarf. Es müssen Ursachen der erhöhten Streuung analysiert, Korrekturmaßnahmen ergriffen und anschließend eine neue PFU durchgeführt werden. Die Produktion sicherheitskritischer Teile darf in diesem Zustand nicht freigegeben werden.
Kann ein und dasselbe Werkzeug für MFU und PFU genutzt werden?
Ja - vorausgesetzt, es handelt sich um ein kalibriertes Analysewerkzeug mit Weiterdrehmomentfunktion und normkonformer Datenerfassung. Das GWK QUANTEC MCS® zum Beispiel ist für beide Untersuchungsarten ausgelegt: Die Cmk-Werte aus der MFU und die Cpk-Werte aus der PFU können direkt über die Software QuanLabPro ausgewertet und archiviert werden.
