Der Auditor sitzt Ihnen gegenüber und fragt: "Haben Sie eine aktuelle PFU für diesen Schraubfall?" Wenn Sie jetzt zögern, sind Sie nicht allein. Die Prozessfähigkeitsuntersuchung nach VDI/VDE 2645 Blatt 31VDI/VDE 2645 Blatt 3 gehört zu den am häufigsten geforderten - und am häufigsten falsch durchgeführten - Nachweisen in der Schraubmontage.
Diese Anleitung zeigt Ihnen Schritt für Schritt, wie Sie eine PFU korrekt planen, durchführen und dokumentieren - praxisnah, ohne Normenparagraphen-Dschungel.
Was ist eine PFU und warum wird sie gefordert?
Die VDI/VDE 2645-3 beschreibt Verfahren für die Prozessfähigkeitsuntersuchungen (PFU) für Weiterdrehmomente von Schraubverbindungen mit Vorspannkraft. Das klingt trocken, hat aber eine klare praktische Bedeutung: Sie weisen nach, dass Ihr Schraubprozess dauerhaft und zuverlässig die geforderten Anzugsparameter einhält - nicht nur heute, nicht nur in einem Test, sondern unter echten Serienbedingungen.
Gefordert wird die PFU typischerweise von:
- OEM-Qualitätsmanagement und Tier-1-Kunden im Rahmen von PPAP oder APQP
- Auditoren bei IATF 16949-, AS9100- oder VDA-6.3-Audits
- Intern, wenn Qualitätsabweichungen oder Reklamationen an verschraubten Verbindungen aufgetreten sind
- Bei Prozessänderungen (neues Werkzeug, neues Material, neue Anziehstrategie)
Mittels PFU werden Anhaltspunkte zur Beurteilung und kontinuierlichen Verbesserung des Schraubprozesses unter Serienbedingungen geliefert - dazu zählen das Erkennen systematischer Einflüsse, die Beurteilung von Toleranzen und das Festlegen von Eingriffsgrenzen für Qualitätsregelkarten.
MFU vs. PFU: Der entscheidende Unterschied
Bevor Sie loslegen, müssen Sie verstehen, was eine PFU von einer MFU unterscheidet - denn dieser Unterschied bestimmt, wie Sie messen müssen.
| Merkmal | MFU - Maschinenfähigkeitsuntersuchung | PFU - Prozessfähigkeitsuntersuchung |
|---|---|---|
| Ziel | Bewertung der reinen Maschinenpräzision | Bewertung des gesamten Fertigungsprozesses |
| Bedingungen | Kontrollierte Laborbedingungen | Reale Serienbedingungen |
| Einflussfaktoren | Nur Maschine | Mensch, Material, Methode, Maschine, Mitwelt (5M) |
| Zeitraum | Kurzzeituntersuchung (1 Schicht) | Langzeituntersuchung (mehrere Schichten/Wochen) |
| Kennwert | Cmk ≥ 1,67 | Cpk ≥ 1,33 (Automotive: ≥ 1,67) |
| Stichprobenumfang | Min. 50 aufeinanderfolgende Teile | Min. 50-125 Teile über repräsentativen Zeitraum |
| Typischer Einsatz | Maschinenabnahme, Anlauf | Serienbegleitung, Auditnachweis |
| Normreferenz | VDI/VDE 2645 Blatt 2 | VDI/VDE 2645 Blatt 3 |
Der Kern: Im Unterschied zu einer Maschinenfähigkeitsuntersuchung (MFU) werden bei der PFU zusätzlich zum Maschineneinfluss die Einflusskategorien Mensch, Material, Methode und Mitwelt (Umgebung) berücksichtigt.
Praktisch bedeutet das: Bei der MFU sperren Sie alle Störgrößen aus - gleicher Bediener, gleiche Charge, keine Unterbrechungen. Bei der PFU lassen Sie genau diese Störgrößen bewusst zu, weil Sie wissen wollen: Wie gut ist mein Prozess unter realen Bedingungen?
Das hat direkte Konsequenzen für Ihre Stichprobenplanung.
Schritt für Schritt: So führen Sie Ihre PFU durch
Definieren Sie Schraubfall, Sollwert und Toleranzgrenzen (OSG/USG) schriftlich. Bestimmen Sie den Stichprobenplan: Mindestens 50 Messungen, idealerweise 125 über einen repräsentativen Zeitraum (mehrere Schichten, Loswechsel). Stellen Sie sicher, dass alle Messgeräte gültig kalibriert sind - eine abgelaufene Kalibrierung macht die gesamte PFU unverwertbar.
Bevor Sie mit der eigentlichen PFU beginnen: Validieren Sie Ihr Messsystem. Prüfen Sie, ob das eingesetzte Analysewerkzeug hinreichend genau ist (ÜG ≤ 5 % der Toleranz). Nur ein nachweislich fähiges Messsystem liefert auswertbare PFU-Daten. Dokumentieren Sie Gerätetype, Seriennummer und Kalibrierdatum.
Starten Sie die Messung unter realen Produktionsbedingungen: echte Bediener, reale Chargen, normale Schichtabfolge. Erfassen Sie für jede Verschraubung das Weiterdrehmoment (Breakaway-Moment). Halten Sie alle Randbedingungen dokumentiert: Datum, Uhrzeit, Charge, Bediener, Werkzeug-ID.
Vor der Cpk-Berechnung müssen Ihre Messdaten auf Normalverteilung geprüft werden (z. B. mit dem Anderson-Darling-Test oder grafisch per Q-Q-Plot). Die VDI/VDE 2645-3 setzt eine Normalverteilung der Messwerte voraus. Wenn die Daten nicht normalverteilt sind, müssen Sie alternative Auswerteverfahren anwenden.
Berechnen Sie Mittelwert (μ), Standardabweichung (σ), Cp und Cpk aus Ihrem Messdatensatz. Der Mindest-Cpk beträgt 1,33 für Standardanwendungen - Automotive-Kunden fordern häufig ≥ 1,67. Liegt der Cpk unter dem Grenzwert, initiieren Sie umgehend eine Ursachenanalyse.
Erstellen Sie einen vollständigen PFU-Bericht mit: Prozessbeschreibung, Stichprobenplan, Messdaten (tabellarisch und grafisch), Verteilungsdiagramm, Cpk-Berechnung und Ergebnis-Bewertung. Der Bericht bildet die Basis für die Prozessfreigabe durch den Kunden und für spätere Audits.
Cpk und Cmk richtig interpretieren
Sie haben Ihre Messdaten - jetzt kommt die Auswertung. Die zentrale Frage: Was bedeuten die Fähigkeitskennwerte konkret?
Die Formel dahinter
Der Cpk-Wert setzt die Toleranzbreite ins Verhältnis zur tatsächlichen Prozessstreuung und berücksichtigt dabei die Lage des Prozessmittelwerts:
- Cp = (OSG - USG) / (6 × σ) -> Reine Streubetrachtung
- Cpk = Minimum aus [(OSG - x̄) / (3σ)] und [(x̄ - USG) / (3σ)] -> Streuung und Zentrierung
Wichtig: Ein hoher Cp-Wert bei niedrigem Cpk bedeutet, dass Ihr Prozess zwar präzise ist, aber systematisch neben dem Sollwert liegt - das ist genauso problematisch wie hohe Streuung.
Die Grenzwerte im Überblick
| Cpk-Wert | Bewertung | Theoretischer Ausschuss | Typische Maßnahme |
|---|---|---|---|
| < 1,00 | ❌ Nicht fähig | > 2.700 ppm | Prozess sofort stoppen, Ursachenanalyse |
| 1,00 - 1,32 | ⚠️ Bedingt fähig | 318 - 2.700 ppm | Erhöhte Überwachung, Verbesserungsmaßnahmen einleiten |
| 1,33 - 1,66 | ✅ Fähig (Mindestanforderung) | 63 - 318 ppm | Regelmäßige Überwachung, SPC-Regelkarten einsetzen |
| ≥ 1,67 | ✅✅ Gut fähig (Automotive) | < 63 ppm | Standard für sicherheitskritische Verbindungen |
| ≥ 2,00 | 🏆 Exzellent | < 0,001 ppm | Six-Sigma-Niveau, Aerospace & Defense |
Ein Cpk-Wert von 1,67 ergibt einen theoretischen Ausschuss von weniger als 0,57 ppm (parts per million). Das entspricht dem Qualitätsniveau, das Automotive-OEMs für sicherheitskritische Schraubverbindungen der Klasse A nach VDI/VDE 2862 fordern. In der Medizintechnik oder Luftfahrt werden oft noch höhere Cpk-Werte verlangt als im allgemeinen Maschinenbau.
Interaktiver Cpk/Cmk-Rechner
Geben Sie Ihre Prozessparameter ein und erhalten Sie sofort eine Bewertung Ihres Schraubprozesses:
Typische Stolpersteine bei der ersten PFU - und wie Sie sie vermeiden
Aus der Praxis kennen wir die häufigsten Fehler, die dazu führen, dass eine PFU wiederholt werden muss oder im Audit nicht anerkannt wird:
Stolperstein 1: Messsystem nicht validiert
Häufiger Fehler: Viele Unternehmen starten die PFU, ohne das eingesetzte Messsystem vorher validiert zu haben. Wenn das Analyse- oder Prüfwerkzeug selbst nicht kalibriert ist, sind alle gemessenen Cpk-Werte wertlos - egal wie sorgfältig die Messung durchgeführt wurde. Kalibrierung zuerst, dann Messung.
Stolperstein 2: Stichprobe nicht repräsentativ
Viele führen alle 50 Messungen in einer einzigen Schicht durch - und nennen es PFU. Das ist faktisch eine MFU unter anderem Namen. Eine echte PFU muss Schichtwechsel, Loswechsel und verschiedene Bediener abbilden. Verteilen Sie Ihre Stichproben über mindestens drei Schichten und nach Möglichkeit über mehrere Tage.
Stolperstein 3: Falsche Messgröße
Die VDI/VDE 2645-3 bezieht sich auf das Weiterdrehmoment (auch "Breakaway-Moment" oder "Lösemoment") - nicht auf das Anzugsmoment. Das Weiterdrehmoment wird nach der Setzerscheinung gemessen und gibt Auskunft über die tatsächlich noch vorhandene Vorspannkraft. Wer das Anzugsmoment misst, beantwortet eine andere Frage.
Stolperstein 4: Normalverteilung nicht geprüft
Die Cpk-Berechnung basiert auf der Annahme normalverteilter Messwerte. Viele überspringen diesen Prüfschritt - mit dem Ergebnis: Cpk-Werte, die statistisch nicht haltbar sind. Zur Bewertung der Prozessfähigkeit werden die Anforderungen des Kunden mit den Ergebnissen des Prozesses über ein Modell der Wahrscheinlichkeit der Normalverteilung verglichen. Nutzen Sie mindestens einen grafischen Q-Q-Plot oder den Anderson-Darling-Test.
Stolperstein 5: Unvollständige Dokumentation
Der PFU-Bericht muss auditfest sein. Fehlen Gerätekalibrierzertifikate, Chargenangaben oder die Prozessbeschreibung, ist der Nachweis vor einem Auditor wertlos - selbst wenn die Cpk-Werte stimmen. Legen Sie vor der Messung fest, was dokumentiert werden muss.
Praktische Tipps für eine valide PFU
Zum Stichprobenumfang:
- Mindestanforderung VDI/VDE 2645-3: mindestens 50 Messungen über einen für die Serienfertigung repräsentativen Zeitraum
- Empfehlung aus der Praxis: 125 Messungen (5 × 25 aus verschiedenen Produktionszeiträumen)
- Automotive-Kunden verlangen häufig explizit ≥ 100 Messungen
Zu den Messbedingungen:
- Normale Produktionsumgebung - kein "Sonderputzen" des Arbeitsplatzes vor der Messung
- Verschiedene Bediener bewusst einbeziehen - das ist gewollt, kein Fehler
- Chargen- oder Loswechsel, die im normalen Betrieb vorkommen, unbedingt in der PFU abbilden
Zur Dokumentation:
- Kalibrierschein des Messwerkzeugs mit gültigem Datum beilegen
- Messdaten als Rohdaten aufbewahren (nicht nur den berechneten Cpk)
- Datum, Uhrzeit, Bediener, Charge und Werkzeug-ID für jeden Messpunkt erfassen
- Prozessbeschreibung mit Foto der Verbindungsstelle
Wie GWK-Werkzeuge die PFU-Durchführung unterstützen
Eine PFU steht und fällt mit der Qualität der Messdaten. Zwei Faktoren sind entscheidend: die Genauigkeit des Analysewerkzeugs und die Verlässlichkeit seiner Kalibrierung.
QUANTEC MCS® - Analysewerkzeug für die Datenbasis
Das QUANTEC MCS® Analysewerkzeug mit patentierter Winkelsensortechnik erfasst jeden Schraubvorgang vollständig - Drehmoment und Drehwinkel in Echtzeit. Für die PFU bedeutet das: Sie erhalten für jede der 50-125 Messungen vollständige Verschraubungskurven, aus denen sich das Weiterdrehmoment präzise extrahieren lässt. Die integrierte Datenschnittstelle (WLAN, ZIGBEE) überträgt die Messdaten direkt in Ihre Auswertesoftware - keine manuelle Übertragung, keine Übertragungsfehler.
Das ist besonders relevant, wenn Sie mehrere Schraubfälle gleichzeitig überwachen oder eine lückenlose Rückverfolgbarkeit für spätere Audits sicherstellen müssen.
Q-CHECK® - Kalibrierprüfung der eingesetzten Werkzeuge
Kein PFU-Ergebnis ist belastbarer als das Messsystem, mit dem es erzeugt wurde. Mit dem Q-CHECK® Kalibrierprüfsystem überprüfen Sie schnell und präzise, ob Ihre Schraubwerkzeuge noch innerhalb der Kalibriertoleranzen liegen - bevor Sie mit der PFU-Messung beginnen. Das Q-CHECK® dokumentiert die Prüfergebnisse automatisch, inklusive Gerätedaten und Zeitstempel.
GWK betreibt zudem ein eigenes DAkkS-akkreditiertes Kalibrierlabor - für den Fall, dass eine rückverfolgbare Werks- oder DAkkS-Kalibrierung als Nachweis benötigt wird. Mobile Kalibrierservices ermöglichen die Kalibrierung direkt bei Ihnen vor Ort und minimieren so Ausfallzeiten in der Produktion.
Fazit: Die PFU ist kein Papiertiger
Eine sauber durchgeführte Prozessfähigkeitsuntersuchung nach VDI/VDE 2645-3 ist mehr als ein Audit-Dokument. Sie liefert Ihnen belastbare Zahlen darüber, wie stabil und zuverlässig Ihre Verschraubungsprozesse tatsächlich sind - und zeigt, wo systematische Optimierungspotenziale liegen.
Die wichtigsten Punkte auf einen Blick:
- PFU ≠ MFU: Reale Produktionsbedingungen mit allen 5M-Einflüssen sind Pflicht
- Stichprobe repräsentativ gestalten: Mindestens 50 Messungen über mehrere Schichten/Chargen
- Messsystem zuerst validieren: Kalibrierung ist keine Option, sondern Voraussetzung
- Normalverteilung prüfen vor der Cpk-Berechnung
- Cpk ≥ 1,33 für Standardanwendungen, ≥ 1,67 für Automotive und sicherheitskritische Klassen
- Dokumentation auditfest gestalten: Rohdaten, Gerätekalibrierung, Prozessbeschreibung
Wie viele Messungen brauche ich für eine PFU nach VDI/VDE 2645-3?
Die Norm empfiehlt mindestens 50 Messpunkte, die über einen repräsentativen Produktionszeitraum verteilt sein müssen. In der Praxis sind 125 Messungen (5 Stichproben à 25 Teile) ideal, um auch Schicht- und Loswechsel abzubilden. Automotive-Kunden fordern häufig einen Mindeststichprobenumfang von 100 Messungen.
Wann muss eine PFU wiederholt werden?
Eine Wiederholung ist notwendig bei: signifikanten Änderungen am Schraubwerkzeug, Änderungen an Schraubentyp oder Material, Änderung der Montagemethode, nach Reklamationen oder internen Qualitätsabweichungen sowie in regelmäßigen Abständen gemäß Ihrer internen Qualitätsplanung (typisch: jährlich oder nach großen Produktionsanlaufphasen).
Was ist der Unterschied zwischen Cp und Cpk?
Cp beschreibt, ob die Prozessstreuung grundlegend in die Toleranz passt - ohne Rücksicht auf die Lage des Mittelwerts. Cpk berücksichtigt zusätzlich, ob der Prozess zentriert ist. Ein Prozess mit Cp = 1,8 und Cpk = 1,1 streut zwar wenig, liegt aber näher an einer Toleranzgrenze als erwünscht. Für den Prüfnachweis ist stets der Cpk-Wert maßgeblich.
Was passiert, wenn der Cpk-Wert die Anforderung nicht erfüllt?
Ein Cpk < 1,33 bedeutet: Der Prozess gilt als nicht fähig. Sie müssen eine Ursachenanalyse (z. B. mit Ishikawa-Diagramm) durchführen und Verbesserungsmaßnahmen einleiten. Typische Maßnahmen sind: Kalibrierung des Schraubwerkzeugs überprüfen, Werkzeugtyp wechseln, Anzugsparameter anpassen oder Schulung der Mitarbeiter. Danach müssen Sie die PFU wiederholen.
Kann ich eine PFU ohne spezialisierte Software durchführen?
Grundsätzlich ja - für überschaubare Datensätze genügt eine Excel-Tabelle mit Formelwerk für Mittelwert, Standardabweichung, Cp und Cpk. In der Praxis empfehlen sich jedoch spezialisierte Werkzeuge, die Messdaten automatisch aufzeichnen und auswerten. Analysewerkzeuge wie das QUANTEC MCS® erfassen Dreh moment- und Drehwinkeldaten direkt bei jedem Schraubvorgang und bereiten sie für die PFU-Auswertung auf - das spart erheblich Zeit und eliminiert manuelle Übertragungsfehler.
