Maschinenfähigkeitsuntersuchung: Ablauf, Cmk und Grenzwerte

Eine neue Maschine steht in der Halle, der Lieferant will die Abnahme, und im Vertrag steht ein Cmk von 1,67. Was jetzt folgt, entscheidet darüber, ob die Maschine überhaupt in die Serie darf. Die Maschinenfähigkeitsuntersuchung ist der Prüfstein, und sie folgt strengeren Regeln als die spätere Prozessüberwachung. Ein Fehler bei der Durchführung fällt oft erst im Serienbetrieb auf, wenn die Nachbesserung ungleich teurer ist.

Der häufigste Irrtum: Maschinenfähigkeitsuntersuchung und Prozessfähigkeitsuntersuchung werden gleichgesetzt. Sie messen aber Verschiedenes. Die MFU isoliert die Maschine unter idealen Bedingungen, die PFU betrachtet den ganzen Prozess mit Werker, Material, Werkzeugwechsel und Umgebung. Wer beide verwechselt, erfasst den falschen Stichprobenumfang, wählt den falschen Grenzwert und erhält eine Kennzahl, die nicht das misst, was der Kunde fordert.

Dieser Artikel zeigt den kompletten Ablauf der MFU in fünf Schritten, die Berechnung von Cm und Cmk mit einem durchgerechneten Beispiel, die Grenzwerte nach VDA Band 5 und die typischen Fehler, die eine Untersuchung ungültig machen. Außerdem erfahren Sie, warum der geforderte Cmk höher liegt als der spätere Cpk und wie Sie eine MFU auditfest dokumentieren.

Was ist eine Maschinenfähigkeitsuntersuchung?

Die Maschinenfähigkeitsuntersuchung, kurz MFU, ist ein Kurzzeitverfahren, das die Fähigkeit einer Maschine unter idealisierten Bedingungen bewertet. Alle veränderlichen Einflüsse werden bewusst konstant gehalten: gleiches Material, gleicher Bediener, gleiche Einstellung, kein Werkzeugwechsel.

Das Ziel ist, allein die Maschine zu beurteilen. Streut sie unter besten Bedingungen zu stark, wird sie es unter realen Bedingungen erst recht tun. Die MFU ist damit ein Filter: Wer sie nicht besteht, muss gar nicht erst in die Serie gehen.

Der Sinn der idealisierten Bedingungen erschließt sich über die Fehlerlogik. Wenn eine Maschine schon unter besten Bedingungen zu stark streut, liegt die Ursache in der Maschine selbst, etwa in Lagerspiel, Führungsungenauigkeit oder Antriebsschwankung. Diese Ursachen lassen sich beheben, bevor der Prozess mit all seinen zusätzlichen Störgrößen startet. Die MFU ist damit ein Filter, der teure Nacharbeit in der Serie verhindert.

MFU und PFU: der entscheidende Unterschied

Die MFU misst die Kurzzeitfähigkeit der Maschine, die Prozessfähigkeitsuntersuchung PFU die Langzeitfähigkeit des gesamten Prozesses. Der Cmk aus der MFU ist deshalb fast immer besser als der spätere Cpk, weil die MFU alle Störgrößen ausblendet, die der Prozess später einbringt.

Der Umfangsunterschied zwischen beiden Untersuchungen hat einen statistischen Grund. Die MFU nutzt 50 Teile am Stück, weil sie nur die Kurzzeitstreuung einer stabilen Bedingung schätzen muss. Die PFU braucht Untergruppen über die Zeit, weil sie zusätzlich die Drift erfassen soll. Wer die MFU mit dem PFU Umfang verwechselt oder umgekehrt, erhält in beiden Fällen eine Kennzahl, die nicht das misst, was gefordert ist.

Aus dem Zusammenspiel beider Untersuchungen ergibt sich eine sinnvolle Reihenfolge im Anlauf. Zuerst belegt die MFU, dass die Maschine grundsätzlich fähig ist, danach weist die PFU nach, dass auch der gesamte Prozess unter realen Bedingungen hält. Eine bestandene MFU ist damit die Eintrittskarte in die Serie, die PFU der Nachweis, dass die Serie dauerhaft liefert. Beide Schritte bauen aufeinander auf und lassen sich nicht gegeneinander austauschen.

Der Ablauf der MFU in fünf Schritten

Eine MFU folgt einem festen Ablauf. Wer einen Schritt überspringt, riskiert einen Cmk, der im Audit nicht anerkannt wird.

Der zweite Schritt ist der kritischste. Die 50 Teile müssen in einer einzigen, ununterbrochenen Fertigungsfolge entstehen. Sobald die Maschine zwischendurch neu eingestellt wird, ist die Untersuchung ungültig, weil dann nicht mehr die Maschine allein bewertet wird.

Der letzte Schritt, die Dokumentation, wird oft unterschätzt. Eine MFU ist erst dann ein gültiger Nachweis, wenn Rohdaten, Randbedingungen, Berechnung und Bewertung nachvollziehbar zusammenhängen. Fehlt die Angabe der Randbedingungen, kann ein Auditor die Untersuchung nicht bewerten und wird sie verwerfen. Die Dokumentation ist kein Anhang, sondern Teil des Nachweises.

Ein Wort zur Reihenfolge der Messung. Die Teile müssen in genau der Reihenfolge gemessen werden, in der sie gefertigt wurden, denn nur so lassen sich Trends innerhalb der Untersuchung erkennen. Wird die Reihenfolge vertauscht, geht die Information über eine mögliche Drift während der 50 Teile verloren, und ein systematischer Effekt bleibt unentdeckt.

Cm und Cmk berechnen

Die Berechnung von Cm und Cmk folgt derselben Logik wie bei Cp und Cpk. Cm ist der Quotient aus Toleranzbreite und sechsfacher Standardabweichung der Stichprobe. Cmk ist der kleinere der beiden einseitigen Werte und berücksichtigt die Mittelwertlage.

Ein Beispiel: Eine Bohrung hat einen Durchmesser von 10,00 Millimeter mit Toleranz plus minus 0,05. Aus 50 Teilen ergibt sich ein Mittelwert von 10,01 bei einer Standardabweichung von 0,008. Der Cm beträgt rund 2,08, der Cmk rund 1,67. Die Maschine besteht die Abnahme knapp.

Ein hoher Cm bei niedrigem Cmk bedeutet: Die Maschine kann eng fertigen, ist aber falsch eingestellt. Das ist ein Einstellproblem, kein Maschinenproblem, und schnell behoben.

Amadeus Lederle, Chief Technology Executive, CSP Intelligence GmbH

Der diagnostische Wert des Vergleichs von Cm und Cmk ist hoch. Ein hoher Cm bei niedrigem Cmk zeigt eine reine Fehleinstellung, die sich durch Nachjustieren beheben lässt. Ein niedriger Cm dagegen zeigt ein echtes Streuungsproblem der Maschine, das nicht durch Einstellung, sondern nur durch mechanische Instandsetzung zu lösen ist. Die beiden Kennzahlen trennen also Einstell- von Maschinenproblemen.

Für die Interpretation im Alltag gilt eine einfache Faustregel. Liegt der Cmk deutlich unter dem Cm, sollten Sie zuerst die Einstellung prüfen, bevor Sie an der Maschine arbeiten. Erst wenn eine korrekte Zentrierung den Cmk nicht ausreichend anhebt, liegt tatsächlich ein Streuungsproblem der Maschine vor, das mechanisch behoben werden muss.

Grenzwerte nach VDA Band 5

Die Grenzwerte für die Maschinenfähigkeit liegen höher als für die Prozessfähigkeit. Der Grund ist einfach: Da die MFU unter idealen Bedingungen läuft, muss der Puffer größer sein, damit der Prozess später unter realen Bedingungen noch fähig bleibt.

Die Logik hinter dem höheren Grenzwert ist ein Pufferprinzip. Zwischen der idealen MFU und der realen Serie liegt ein Verlust an Fähigkeit, weil der Prozess zusätzliche Streuung einbringt. Der geforderte Cmk von 1,67 schafft genau diesen Puffer, damit der spätere Cpk noch die geforderten 1,33 erreicht. Wer die MFU nur knapp mit 1,33 besteht, riskiert einen nicht fähigen Serienprozess.

In der Praxis fordern manche Kunden neben dem Cmk zusätzlich einen Mindestwert für den Cm, um sicherzustellen, dass die reine Maschinenstreuung unabhängig von der Einstellung klein genug ist. Ein hoher Cmk allein kann eine grosse Streuung verdecken, wenn die Toleranz sehr weit ist. Der zusätzliche Cm Nachweis schließt diese Lücke.

Typische Fehler bei der MFU

Auch bei der MFU gilt: Die meisten ungültigen Ergebnisse entstehen nicht durch Rechenfehler, sondern durch verletzte Randbedingungen. Eine unterbrochene Stichprobe, ein nicht fähiges Messmittel oder eine fehlende Warmlaufphase machen den Cmk wertlos, egal wie sauber danach gerechnet wird. Die Disziplin bei der Durchführung ist wichtiger als die Genauigkeit der Auswertung.

MFU digital dokumentieren

Eine MFU ist erst dann auditfest, wenn Rohdaten, Berechnung und Bewertung nachvollziehbar zusammenhängen. Das CSP Manufacturing OS erfasst die Messwerte direkt an der Maschine, berechnet Cm und Cmk automatisch und archiviert die komplette Untersuchung revisionssicher. Im Audit lässt sich jede Maschinenabnahme auf Knopfdruck belegen. Wie eine durchgängige Datenbasis dafür aufgebaut wird, zeigt unser Beitrag zum Prozessdatenmanagement in der Fertigung.

Neben der reinen Berechnung ist die Wiederholbarkeit der MFU ein Argument für eine systemgestützte Lösung. Da die Untersuchung bei jeder wesentlichen Aenderung und in festen Intervallen zu wiederholen ist, summiert sich der manuelle Aufwand schnell. Eine automatisierte Erfassung und Auswertung macht die Wiederholung zur Routine statt zum Projekt.

Häufig gestellte Fragen

Was ist eine Maschinenfähigkeitsuntersuchung?

Eine Maschinenfähigkeitsuntersuchung MFU prüft die Fähigkeit einer Maschine unter konstanten, idealisierten Bedingungen. Sie nutzt eine ununterbrochene Stichprobe von mindestens 50 Teilen und wird über Cm und Cmk bewertet.

Wie viele Teile braucht eine MFU?

Für eine gültige MFU werden mindestens 50 in ununterbrochener Fertigungsfolge produzierte Teile gemessen. Diese Mindestzahl sichert eine belastbare Schätzung der Standardabweichung.

Was ist der Unterschied zwischen MFU und PFU?

Die MFU bewertet die Maschine allein unter idealen Bedingungen und nutzt Cm und Cmk. Die Prozessfähigkeitsuntersuchung PFU bewertet den gesamten Prozess über die Zeit und nutzt Cp, Cpk, Pp und Ppk.

Welcher Cmk Wert ist gefordert?

In der Automobilindustrie wird nach VDA Band 5 typischerweise ein Cmk von mindestens 1,67 gefordert. Dieser höhere Wert schafft den nötigen Puffer für die späteren Serienbedingungen.

Wie berechnet man Cmk?

Cmk ist der kleinere der beiden einseitigen Werte: Abstand des Mittelwerts zur oberen Grenze geteilt durch das Dreifache der Standardabweichung, und derselbe Ausdruck für die untere Grenze. Der kleinere Wert ist der Cmk.

Warum ist der Cmk höher gefordert als der Cpk?

Die MFU läuft unter idealen Bedingungen ohne Störgrößen. Der Prozess bringt später zusätzliche Streuung ein. Der höhere Cmk von 1,67 schafft den Puffer, damit der Prozess dann noch einen Cpk von mindestens 1,33 erreicht.

Muss die MFU wiederholt werden?

Ja, bei wesentlichen Aenderungen an der Maschine, nach größeren Instandhaltungen und in festgelegten Intervallen. Die genaue Wiederholrate legt der Kunde oder die interne Vorgabe fest.