Ein Schraubwerkzeug mit bestandener MFU, Cmk = 1,85 - und trotzdem reklamiert der Kunde fehlerhafte Verbindungen aus der Serienproduktion. Klingt widersprüchlich? Ist es nicht. Denn die Maschinenfähigkeitsuntersuchung (MFU) prüft nur das Werkzeug unter Laborbedingungen. Die Prozessfähigkeitsuntersuchung (PFU) nach VDI/VDE 2645-3 bewertet den realen Schraubprozess - mit allen Störgrößen aus Mensch, Material, Methode und Umgebung. Wer die PFU überspringt oder mit der MFU gleichsetzt, riskiert ungültige Prozessfreigaben und teure Rückrufe.
Dieser Leitfaden zeigt Ihnen Schritt für Schritt, wie Sie Ihre erste normkonforme PFU strukturiert und sicher durchführen.
MFU und PFU: Zwei Untersuchungen - zwei völlig verschiedene Aussagen
Der häufigste Denkfehler in der Schraubtechnik: Ein bestandener Cmk-Wert beweise die Qualitätsfähigkeit des Prozesses. Das ist falsch.
Im Unterschied zur MFU berücksichtigt die PFU neben dem Maschineneinfluss auch die Einflusskategorien Mensch, Material, Methode und Mitwelt (Umgebung). Die MFU beantwortet die Frage: Kann das Werkzeug das grundsätzlich? Die PFU beantwortet: Hält der gesamte Schraubprozess die Toleranzen unter realen Bedingungen dauerhaft ein?
| Merkmal | MFU - Maschinenfähigkeit | PFU - Prozessfähigkeit |
|---|---|---|
| Betrachtungszeitraum | Kurzzeituntersuchung (Stunden) | Langzeitstudie (Tage / Wochen) |
| Einflussfaktoren | Nur Maschine & Messung | Mensch, Maschine, Material, Methode, Mitwelt (5M) |
| Kennzahlen | Cm / Cmk | Cp / Cpk |
| Typischer Grenzwert | Cmk ≥ 1,67 | Cpk ≥ 1,67 (Automotive) |
| Stichprobenumfang | mind. 50 Messungen am Stück | mind. 25 Untergruppen à 5 Werte |
| Messmethode (Schraubtechnik) | Werkzeugabschaltmoment unter Idealbedingungen | Weiterdrehmomentmessung unter Serienbedingungen |
| Ziel | Werkzeugabnahme / Kalibrierfreigabe | Prozessfreigabe für die Serienproduktion |
| Normgrundlage | VDI/VDE 2645-2 | VDI/VDE 2645-3 |
Die MFU ist immer der erste Schritt. Eine PFU kann niemals erfolgreich sein, wenn die MFU zuvor gescheitert ist. Eine fähige Maschine garantiert jedoch noch keinen fähigen Prozess. Beide Untersuchungen sind eigenständig durchzuführen und getrennt zu dokumentieren.
Was die PFU nach VDI/VDE 2645-3 konkret bedeutet
Ziel der Prozessfähigkeitsuntersuchung für Verschraubungen ist die Bewertung und Dokumentation der Qualitätsfähigkeit eines Schraubprozesses unter Serienbedingungen.
Die PFU liefert Anhaltspunkte zur Beurteilung und kontinuierlichen Verbesserung des Schraubprozesses. Dazu zählen: das Erkennen systematischer Einflüsse zur gezielten Prozessverbesserung, das Beurteilen der Wirkung von Korrekturmaßnahmen, das Beurteilen der Toleranzen sowie das Festlegen der Eingriffsgrenzen von Qualitätsregelkarten.
Die Richtlinie setzt dafür die Weiterdrehmomentmessung ein: Nach der Verschraubung wird mit einem kalibrierten Prüfwerkzeug das Drehmoment ermittelt, das nötig ist, um die Schraube geringfügig weiterzudrehen. Das Weiterdrehmoment gibt Aufschluss über Setzerscheinungen und deren Auswirkung auf die Vorspannkraft. Diese indirekte Messmethode ermöglicht eine zerstörungsfreie, serienbegleitende Qualitätssicherung.
Cpk und Cmk verstehen - und richtig berechnen
Die zentralen Kenngrößen der PFU sind Cp (Prozesspotenzial) und Cpk (kritischer Prozessfähigkeitsindex).
Cp und Cpk sind statistische Kennzahlen zur Bewertung eines Prozesses in der Produktionstechnik. Sie geben an, wie sicher die laut Spezifikation vorgegebenen Ziele erreicht werden.
Während der Cp-Wert nur das Verhältnis der vorgegebenen Toleranz zur Prozessstreuung angibt, berücksichtigt der Cpk-Wert zusätzlich die Lage des Mittelwertes zur Toleranzmitte. Ein Prozess kann also rechnerisch ein gutes Streuverhalten aufweisen, aber dennoch einen schlechten Cpk haben - weil sein Mittelwert zu nah an einer Toleranzgrenze liegt.
Die Berechnungsformel:
Cpk = min [ (OSG - x̄) / (3σ), (x̄ - USG) / (3σ) ]
Dabei ist OSG die obere und USG die untere Spezifikationsgrenze, x̄ der Prozessmittelwert und σ die Standardabweichung der Messwerte.
Ein Cpk von 1,67 ergibt eine sehr geringe Ausschussmenge von 0,57 ppm (parts per million). Früher war die Mindestforderung für Cp und Cpk ≥ 1,33 üblich und gilt in vielen Branchen noch heute. In der Automobilindustrie liegt die Mindestforderung hingegen bei Cp und Cpk ≥ 1,67.
Berechnen Sie Ihre Werte direkt im interaktiven Rechner:
Die 6 Schritte Ihrer ersten PFU nach VDI/VDE 2645-3
Bestimmen Sie zunächst die Schraubfallklasse nach VDI/VDE 2862 (A, B oder C) und legen Sie die Toleranzgrenzen (OSG / USG) für das Weiterdrehmoment fest. Ohne definierte Grenzwerte ist die spätere Cpk-Berechnung bedeutungslos. Sicherheitskritische Verbindungen der Klasse A erfordern besonders enge Toleranzen.
Bevor Sie mit der PFU beginnen: Stellen Sie sicher, dass der Schraubprozess statistisch beherrscht ist. Führen Sie eine Vorlaufuntersuchung mit einer Qualitätsregelkarte über einen repräsentativen Zeitraum durch. Zeigt die Regelkarte Trends, Runs oder Eingriffsgrenzenverletzungen, ist die PFU ungültig.
Entnehmen Sie unter realen Serienbedingungen mindestens 25 Untergruppen à 5 Messungen (= 125 Werte). Wichtig: Schichtwechsel, Materialchargenwechsel und Bedienwechsel müssen in der Stichprobe enthalten sein. Messen Sie mit einem kalibrierten Prüfwerkzeug die Weiterdrehmomente direkt an fertig verschraubten Verbindungen.
Überprüfen Sie die Messwerte auf Normalverteilung (z. B. Anderson-Darling-Test oder Histogramm-Analyse). Die Standardformeln für Cp und Cpk gelten nur bei normalverteilten Daten. Bei Nicht-Normalverteilung sind alternative Methoden (z. B. Perzentil-Methode) anzuwenden.
Berechnen Sie die Fähigkeitsindizes: Cpk = min[(OSG - x̄) / (3σ), (x̄ - USG) / (3σ)]. Der kleinere der beiden Teilwerte (Cpo / Cpu) ist maßgebend. In der Automobilindustrie gilt als untere Mindestgrenze Cpk ≥ 1,67. Liegt der Wert darunter, ist der Prozess nicht freigabefähig und Maßnahmen zur Prozessoptimierung sind einzuleiten.
Archivieren Sie alle Messdaten, Berechnungsgrundlagen und Ergebnisse normkonform und rückverfolgbar. Bei bestandener PFU (Cpk ≥ geforderten Grenzwert) erteilen Sie die Prozessfreigabe. Legen Sie gleichzeitig die Eingriffsgrenzen für Qualitätsregelkarten fest und definieren Sie den Wiederholungsintervall der PFU.
Typische Fehler - und wie Sie sie von Anfang an vermeiden
Ein besonders kritischer Punkt in der Praxis: Das Konfidenzintervall des Cpk-Wertes wird bei kleinen Stichproben sehr groß - das mindert die Aussagekraft erheblich. Wer mit 30 statt 125 Messwerten arbeitet, erhält zwar ein Ergebnis, dem man statistisch aber kaum vertrauen kann.
Ebenso gilt: Nur wenn die Regelkarte über einen repräsentativen Zeitraum keine Eingriffsgrenzenverletzungen oder unnatürliche Muster (Trends, Runs) zeigt, ist der Prozess stabil und die PFU zulässig.
PFU und VDI/VDE 2862: Das Zusammenspiel der Normen
Die PFU nach VDI/VDE 2645-3 greift unmittelbar auf die Schraubfallklassifizierung der VDI/VDE 2862 zurück: Die Klasse (A, B oder C) bestimmt, wie eng die Toleranzgrenzen gesetzt werden müssen - und damit, welchen Cpk-Wert Ihr Prozess nachweisen muss. Sicherheitskritische Verbindungen der Klasse A verlangen die strengsten Grenzwerte und die lückenloseste Dokumentation. Mehr zur Schraubfallklassifizierung erfahren Sie in unserem Beitrag VDI/VDE 2862 einfach erklärt: Was Kategorie A, B und C für Ihre Schraubprozesse bedeuten.
Das richtige Werkzeug für eine normkonforme PFU
Eine PFU ist nur so belastbar wie das eingesetzte Messmittel. Entscheidend sind:
- Kalibrierte Messsysteme mit lückenloser Rückverfolgbarkeit (DAkkS-akkreditiert)
- Weiterdrehmomentmessung ohne Werkereinfluss für reproduzierbare Ergebnisse
- Automatische Datenerfassung und statistische Auswertung (Cmk, Cpk, Histogramm, Regelkarte) direkt im System
- Normkonforme Archivierung aller Messdaten für Audits
Das GWK QUANTEC MCS® ist speziell für Prüfabläufe nach VDI/VDE 2645-3 ausgelegt: Die patentierte Winkelsensortechnik mit ±1 % Messgenauigkeit im gesamten Hauptmessbereich, die integrierte Weiterdrehmomentmessung und die direkte WLAN-Anbindung an die Analysesoftware QuanLabPro machen das System zum verlässlichen Werkzeug für die serienbegleitende PFU. Alle Ergebnisse - Schraubkurven, Cpk-Berechnungen, Histogramme - werden archivierbar und auditfähig dokumentiert.
Wer seinen Werkzeugbedarf für eine PFU-Kampagne flexibel decken möchte, findet mit dem GWK ToolRent® Mietservice eine kosteneffiziente Lösung: kalibrierte, sofort einsatzbereite Geräte ohne Investition - tages-, wochen- oder monatsweise verfügbar.
Fazit: Normkonform, dokumentiert, auditfähig
Die Prozessfähigkeitsuntersuchung nach VDI/VDE 2645-3 ist keine einmalige Pflichtübung - sie ist das Rückgrat Ihrer Qualitätssicherung in der Schraubtechnik. Wer die sechs Schritte konsequent durchläuft, typische Fehler vermeidet und auf kalibrierte Messtechnik setzt, schafft belastbare Cpk-Nachweise, die jeder Auditor akzeptiert.
Drei Kernergebnisse, die jede PFU liefern muss:
- Nachweis der Prozessstabilität (Regelkarte)
- Cpk-Wert ≥ gefordertem Grenzwert (z. B. 1,67 in der Automotive)
- Lückenlose, normkonforme Dokumentation aller Messreihen
Gemeinsam mit Ihnen entwickeln wir die optimale Lösung für Ihre spezifischen Schraubfälle - von der Werkzeugauswahl über die DAkkS-akkreditierte Kalibrierung bis zur vollständigen PFU-Dokumentation.
Wie oft muss eine PFU nach VDI/VDE 2645-3 wiederholt werden?
Die VDI/VDE 2645-3 schreibt keinen festen Wiederholungsintervall vor. In der Praxis werden PFUs typischerweise nach wesentlichen Prozessänderungen (Werkzeugwechsel, Materialwechsel, neue Bediener), nach Abweichungen in der Serienüberwachung oder auf Anforderung des Kunden (z. B. bei Automotive-Audits) wiederholt. Als Orientierung gilt ein jährlicher Turnus oder bei jedem Anlauf eines neuen Bauteiltyps.
Was ist der Unterschied zwischen Cpk und Cmk in der Schraubtechnik?
Cmk ist der kritische Maschinenfähigkeitsindex und beschreibt die Fähigkeit des Schraubwerkzeugs unter kontrollierten Idealbedingungen (kurzzeitig, ohne externe Störeinflüsse) - typischer Grenzwert: Cmk ≥ 1,67. Cpk ist der kritische Prozessfähigkeitsindex und bewertet den gesamten Schraubprozess unter realen Serienbedingungen einschließlich aller Einflussfaktoren (Bediener, Material, Umgebung). Ein hoher Cmk garantiert noch keinen hohen Cpk.
Kann ein bestandener Cmk-Wert die PFU ersetzen?
Nein. Die MFU (mit Cmk) bewertet nur das Schraubwerkzeug unter Laborbedingungen - sie ist eine notwendige Voraussetzung, aber kein Ersatz für die PFU. Erst die PFU nach VDI/VDE 2645-3 unter realen Produktionsbedingungen belegt die tatsächliche Qualitätsfähigkeit des Gesamtprozesses. Beide Untersuchungen sind normkonform zu dokumentieren.
Welche Messmethode schreibt VDI/VDE 2645-3 für die PFU vor?
Die Richtlinie VDI/VDE 2645-3 beschreibt die Weiterdrehmomentmessung als Verfahren zur PFU. Dabei wird nach der Verschraubung ein kalibriertes Prüfwerkzeug angesetzt und das Drehmoment gemessen, das benötigt wird, um die Schraube geringfügig weiterzudrehen. Dieses Weiterdrehmoment ist ein indirektes Maß für die tatsächlich erreichte Vorspannkraft in der Verbindung.
Ab welchem Cpk-Wert gilt ein Schraubprozess als fähig?
Der geforderte Mindest-Cpk hängt von der Branche und dem Kunden ab. In der Automobilindustrie ist Cpk ≥ 1,67 der Standard für sicherheitskritische Verbindungen der Klasse A. Ein Cpk ≥ 1,33 gilt in vielen anderen Industrien als ausreichend. Bei Cpk < 1,33 gilt der Prozess als nicht fähig und es sind sofortige Korrekturmaßnahmen einzuleiten.
