Eignungsnachweis von Prüfprozessen

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1 Eignungsnachweis von Prüfrozessen Prüfmittelfähigkeit und Messunsicherheit im aktuellen Normenumfeld von Edgar Dietrich, Alfred Schulze 1. Auflage Eignungsnachweis von Prüfrozessen Dietrich / Schulze schnell und ortofrei erhältlich bei beck-sho.de DIE FACHBCHHANDLNG Hanser München 2003 Verlag C.H. Beck im Internet: ISBN Inhaltsverzeichnis: Eignungsnachweis von Prüfrozessen Dietrich / Schulze

2 CARL HANSER VERLAG Edgar Dietrich, Alfred Schulze Eignungsnachweis von Prüfrozessen Prüfmittelfähigkeit und Messunsicherheit im aktuellen Normenumfeld

3 1 1.1 Einführung Warum Prüfrozesseignung? Diese Frage kann mit einem Satz beantwortet werden: Es ist die technische Notwendigkeit, für die korrekte Beurteilung von Prozessen in der Fertigung und Produktion geeignete Prüfrozesse zur Verfügung zu haben. Die mit dem Prüfrozess ermittelten Messwerte sind die Grundlage der Beurteilung und müssen den wahren Sachverhalt ausreichend sicher widersiegeln. Ein nicht geeigneter Prüfrozess verwischt die Realität und lässt keine sicheren Rückschlüsse zu. Daher muss die Frage beantwortet werden: Was versteht man unter einem geeigneten Prüfrozess?. Hierzu gibt es mittlerweile mehrere Normen und Richtlinien (s. Abbildung 1.1-1), die nicht nur den Eignungsnachweis fordern, sondern Vorgehensweisen aufzeigen, wie dieser durchgeführt werden kann. Anforderungen in den Normen Anforderungen der Automobilindustrie DIN V EN (GM) Q-DAS Leitfaden DIN EN ISO y QS-9000 DIN 1319 DIN 2257 DIN ISO SG SG y Toleranz y Toleranz OSG OSG VDA 6.1 MSA VDA 5 VDI / VDE ISO/TS Toleranz DGQ / DKD DIN EN ISO 9000ff SG OSG Firmenrichtlinien Abbildung 1.1-1: Wichtige Normen und Richtlinien im Zusammenhang mit der Prüfrozesseignung Die Abbildung zeigt wichtige Anforderungen aus Richtlinien der Automobilindustrie und der Normung.

4 2 1 Prüfrozesseignung So fordert ISO/TS 16949:2002 [33] für die Beurteilung von Messsystemen: Für jede Art von Messsystemen müssen statistische ntersuchungen zur Analyse der Streuung der Messergebnisse durchgeführt werden. Diese Anforderung muss für alle Messsysteme, auf die im Produktionslenkungslan Bezug genommen wird, angewendet werden. Die angewendeten Methoden und Annahmekriterien müssen denen in den Referenzhandbüchern des Kunden für die Beurteilung von Messsystemen entsrechen. Andere analytische Methoden und Annahmekriterien dürfen mit Genehmigung des Kunden angewendet werden. Die Aussage, dass andere Methoden mit der Genehmigung zulässig sind, ist für viele Lieferanten allerdings nicht relevant, da in der Regel sezielle Einzelvereinbarungen mit allen Kunden nicht getroffen werden können. Daher bleibt für die Zertifizierung des QM- Systems nur die Möglichkeit, allgemeine Standards als Grundlage (z.b. MSA [1] oder VDA [52]) heranzuziehen. In Abschnitt 1.2 Historischer Rückblick und Ausblick sind die Zusammenhänge und die Entwicklung der einzelnen Dokumente nochmals verdeutlicht. Die Abnahme von Maschinen und Fertigungseinrichtungen, die Beurteilung von Prozessen und Produkten oder die kontinuierliche Prozessüberwachung erfolgt anhand der Beurteilung von qualitativen und quantitativen Produktmerkmalen. Schwerunkt der ntersuchungen sind quantitative bzw. variable Merkmale. Nichts desto trotz werden in einem säteren Abschnitt Eignungsnachweise für qualitative bzw. attributive Merkmale behandelt. Bei quantitativen Merkmalen werden mit Hilfe von Messsystemen, den Merkmalen der gefertigten Werkstücken bzw. den Prozessarametern Messwerte entnommen. Dazu sind aufgabenbezogene Messsysteme, sezielle Sensoren oder handelsübliche Standardmessgeräte erforderlich. m aus den Messwerten korrekte Rückschlüsse zu ziehen, müssen die Werte mit ausreichender Genauigkeit bezogen auf die Merkmalstoleranz oder den Prozess erfasst werden. In der Vergangenheit hat man rimär die Eignung eines Messgerätes anhand von Mindestwerten, die in Normen festgehalten sind, überrüft bzw. die Herstellerangaben überwacht. Die Vorgehensweise bei der regelmäßigen Qualifikation (s. DIN [24]) und die Anforderungen an das Messsystem (max. Abweichungssanne, Wiederholbarkeit usw.) sind dabei gerätesezifisch festgelegt. Die Überrüfung erfolgt im allgemeinen nur für das Gerät selbst und unter idealen Bedingungen: z.b. im Messraum mit geschultem Personal, mit idealisierten Werkstücken, wie Normale oder Einstellmeister, und in standardmäßig vorgegebenen Vorrichtungen. Die Vorgehensweise und die Art der Überrüfung in Form von Prüfanweisungen ist exemlarisch in der VDI / VDE / DGQ-Richtlinie 2618 [54] beschrieben. Diese Handhabungsweise ist bei neuen Geräten zur Überrüfung der Herstellerangaben, bzw. für regelmäßige Überwachungen (Prüfmittelüberwachung) notwendig, um Veränderungen oder Fehler am Gerät selbst feststellen zu können. Die so ermittelte Eignung sagt allerdings noch nichts bzw. sehr wenig über das Verhalten des Gerätes unter den realen Bedingungen aus (s. Abbildung 1.1-2).

5 1.1 Einführung 3 Mensch Messobjekt Messergebnis und Messabweichung Oberflächenbeschaffenheit z.b. Rauhigkeit Formabweichungen Methode Messstrategie Messverfahren Leistungsbereitschaft Leistungsfähigkeit Masse Maße Messrinzi Auswertung Schwingungen Feuchtigkeit Schwingungen Temeratur geräteinterne Auswertung Auflösung dynamisches Verhalten Aufbau statisches Verhalten Mitwelt Messgerät Abbildung 1.1-2: Einflüsse auf ein Messergebnis Quelle: Pfeifer, T.: Fertigungsmesstechnik, R. Oldenbourg Hinweis: Einschlägige Erfahrungen haben gezeigt, dass der Einfluss eines Messgeräts allein an dem gesamten Messrozess häufig die geringste Komonente darstellt. Daher sind für eine Gerätebetrachtung alle Einflussgrößen zu berücksichtigen. Daher kann mit den oben beschriebenen Verfahren bestenfalls eine theoretische Aussage getroffen werden, dass ein Messgerät für eine vorgegebene Toleranz rinziiell geeignet sein könnte. m allerdings unter den genannten Einflüssen feststellen zu können, ob das Messsystem geeignet bzw. qualifiziert ist, um einen vorliegenden Prozess mit ggf. sehr kleiner Prozessstreuung unter realen Bedingungen sicher zu beurteilen, sind andere Verfahren und Vorgehensweisen erforderlich. Insbesondere unter der Zielsetzung "Never Ending Imrovement" werden Toleranzen immer enger und die Prozessstreuung immer kleiner. Daher muss das Messsystem der jeweiligen Aufgabenstellung gerecht werden. Ist dies nicht der Fall, sind die Messergebnisse verfälscht und für die statistische Analyse nahezu unbrauchbar. m diesen Anforderungen gerecht zu werden, verlangen mehrere Normen und Richtlinien die Beurteilung der Messsysteme anhand von sogenannten Fähigkeitsstudien bzw. die Bestimmung der Messunsicherheit. Im Rahmen der ISO/TS [33] wird ebenfalls die Bestimmung der Eignung des Prüfrozesses verbindlich vorgeschrieben. Die Vorgehensweise ist darin nicht näher sezifiziert. Es ist nur der Hinweis, dass die Vorgaben des Kunden gelten. Dies können damit einerseits Prüfmittelfähigkeitsuntersuchungen oder andererseits die Bestimmung der erweiterten Messunsicherheit sein. Aller Voraussicht nach werden in absehbarer Zukunft beide Verfahren nebeneinander stehen. In erster Linie wird im mfeld der amerikanischen Automobilindustrie nach wie vor die MSA zum Tragen kommen. Es ist zu erwarten, dass bei den deutschen Automobilkonzernen die Prüfrozesseignung gemäß VDA 5 in den Vordergrund rücken wird.

6 4 1 Prüfrozesseignung In dem vorliegenden Buch werden die verschiedenen Vorgehens- und Betrachtungsweisen behandelt. Weiter werden Zusammenhänge, aber auch nterschiede in den Verfahren erörtert. In Abbildung und Abbildung sind die Auswirkungen der Streuung eines Messsystems auf die Beobachtete Prozessstreuung zu sehen. In Abbildung ist die Streuung des Messsystems ausreichend klein. Damit ist die Tatsächliche Prozessstreuung nahezu identisch mit der Beobachteten Prozessstreuung. Die in Abbildung dargestellte Streuung des Messsystems ist zu groß. Daher ist ein deutlicher nterschied zwischen der Tatsächlichen Prozessstreuung und der Beobachteten Prozessstreuung zu erkennen. Diese Differenz führt konsequenterweise zu Fehlinterretation des realen Sachverhaltens. Beobachtete Prozessstreuung Kleine Streuung Messsystem Tatsächliche Prozessstreuung Abbildung 1.1-3: Beobachtete Prozessstreuung durch Messsystem nicht beeinflusst Tatsächliche Prozessstreuung Beobachtete Prozessstreuung Große Streuung Messsystem Abbildung 1.1-4: Beobachtete Prozessstreuung durch Messsystem beeinflusst Damit stellen sich zwei Fragen: 1. Wie kann die Streuung eines Messsystems ermittelt werden? 2. Wie groß darf die Streuung des Messsystems höchstens sein, damit der nterschied zwischen der Beobachteten Prozessstreuung und der Tatsächlichen Prozessstreuung noch akzetabel ist? Die erste Frage kann mit dem im Folgenden beschriebenen Verfahren beantwortet werden. Dazu werden je nach Verfahren unterschiedliche Kennwerte wie C g, %R&R,

7 1.1 Einführung 5 usw. berechnet. Der Vergleich der Ergebnisse mit vorgegebenen Grenzwerten beantwortet die zweite Frage. Die Abbildung 1.1-5, Abbildung und Abbildung zeigen den Einfluss dieser Kennwerte auf die Prozessfähigkeit C. Bereich der Messrozessfähigkeit (Verfahren 1: C = 1,0... 1,67) 2,5 Bereich der goldenen Regel gemessene Prozessfähigkeit C 2 1,5 1 0,5 Bereich der Messrozessfähigkeit (Verfahren 2/3) C* = 2 C* = 1, ,1 0,2 /T 0,3 0,4 0,5 Abbildung 1.1-5: Einfluss von /T auf Qualitätsfähigkeitsgröße C 6 %R&R 70 % 60 % 50 % 5 tatsächlicher C -Wert % 30 % 20 % 10 % 1 0 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 Beobachteter C -Wert Abbildung 1.1-6: Einfluss von %R&R auf Qualitätsfähigkeitskenngröße C bei Toleranz als Bezuggröße Bei C handelt es sich um eine Qualitätsfähigkeitskenngröße wie sie in [11] näher erläutert sind. Die Betrachtungsweise kann unverändert auch auf andere Qualitätsfähigkeitskenngrößen wie C m, P oder T übertragen werden.

8 6 1 Prüfrozesseignung Die Abbildung zeigt den Einfluss der Messunsicherheit auf die Qualitätsfähigkeitskenngröße C. Dargestellt ist der Verlauf des C -Wertes (für C = 2,0 und C = 1,33) über dem Verhältnis Messunsicherheit zur Toleranz (/T). Bereits bei einem Verhältnis von /T = 0,15 (d.h. ist 15% der Toleranz) wird ein tatsächlicher C von 2,0 zu 1,5! %R&R 10 % 30 % 50 % 70 % Beobachteter C -Wert 90 % tatsächlicher C -Wert Abbildung 1.1-7: Einfluss von %R&R auf Qualitätsfähigkeitskenngröße C bei Prozessstreuung als Bezuggröße In Abbildung und Abbildung ist die Veränderung des C -Wertes in Abhängigkeit des Kennwerts %R&R dargestellt. Die Differenz zwischen dem Tatsächlichen C -Wert und dem Beobachteten C -Wert ist in beiden Fällen: bis %R&R = 10% sehr gering bis %R&R = 20% bzw. 30% noch akzetabel Wird der %R&R-Wert größer als 30%, sind die Abweichungen des Beobachteten C- Wertes von dem Tatsächlichen C -Wert zu groß und damit nicht mehr akzetabel. Daher fordern die meisten Richtlinien, dass ein Messsystem bis zu %R&R = 10% fähig ist. Fällt der Kennwert %R&R in den Bereich 10% bis 30%, wird er als bedingt fähig bezeichnet. Messsysteme mit einem %R&R-Wert größer 30% werden als nicht fähig bezeichnet und dürfen für die Messaufgabe nicht eingesetzt werden. Ist ein Prüfrozess nicht geeignet, sind die erfassten Merkmalswerte für die Beurteilung der Maschinenfähigkeit, der vorläufigen und fortdauernden Prozessfähigkeit wertlos. Diese Methoden hat man bereits Mitte der achtziger Jahre eingeführt, ohne auf die Eignung des Messrozesses zu achten. An vielen Stellen konnte beobachtet werden, dass sehr häufig die Streuung des Messrozesses beurteilt wurde anstatt der Fertigungsrozess selbst. Dies waren die Hautgründe, warum das Thema Prüfmittelfähigkeit eingeführt wurde. Häufig hört man die Aussage: Man kann nur so genau fertigen, wie man auch messen kann. Viele Praktiker behauten, das stimmt nicht. Hintergrund ist dabei, dass die

9 1.2 Historischer Rückblick und Ausblick 7 Messverfahren nicht ausreichend genau sind. Allerdings werden die Forderungen an die Messverfahren immer weiter steigen. Aus technischen Gründen werden häufig die Sezifikationsgrenzen enger. Konsequenterweise wird der Sielraum für die Fertigung immer geringer, daher ist eine sinnvolle Regelung bzw. Steuerung wichtig. Dabei sind die Messergebnisse eines Messrozesses die Grundlage. Ein tyisches Beisiel an höchste Anforderungen an einen Messrozess ist beisielsweise die Fertigung der Common Rail-Einsritzventile. m Drücke in der Größenordnung von Bar zu erreichen, sind Forderungen an die Rundheit der Stifte und Bohrungen in der Größenordnung unter 0,5µm unabdingbar. Eine solche Fertigung kann nur kostengünstig gesteuert werden, wenn man in der Lage ist, diese Merkmale mittels eines geeigneten Messrozesses zu überrüfen. Dieses Beisiel ist auf viele andere Anwendungen übertragbar. Bei der Festlegung der Sezifikationsgrenzen ist allerdings bereits in der Konstruktion auch die Machbarkeit des Messverfahrens zu überrüfen. Auch dies sollte in einem Team zwischen Konstruktion, Fertigung und Kunde bzw. Lieferant erfolgen. Nur so kann das Ziel wirtschaftlich erreicht werden. 1.2 Historischer Rückblick und Ausblick Die Tatsache, dass das Ergebnis einer Messung eine nsicherheit aufweist, ist so alt wie das Messen selbst. In der Praxis wurde häufig der Slogan verwendet Wer misst, misst Mist. Das bedeutet nichts anderes als eine zu große Messunsicherheit, die konsequenterweise zu einem falschen Ergebnis führt. In der Vergangenheit wurde die Messunsicherheit häufig auch als Fehler bezeichnet. Erste Emfehlungen, den Begriff Messunsicherheit näher zu sezifizieren, gehen auf das nationale Komitee für Masse und Gewicht zurück. Diese wurden erstmals 1977 artikuliert wurde der Begriff in der ersten Auflage des internationalen Wörterbuchs der Metrologie, kurz VIM [38], definiert und damit festgelegt. Die heute gültige Festlegung des Begriffs Messunsicherheit ist auch der DIN 1319-Teil 1 [16] zu entnehmen. Wie die Messunsicherheit zu bestimmen ist, wurde in dem Leitfaden zur Angabe der nsicherheit beim Messen 1995 näher sezifiziert. Dieser liegt seit 1999 als Vornorm DIN V EN V [34] vor. Obwohl man sich schon lange der Notwendigkeit für den jeweiligen Messrozess die nsicherheit zu bestimmen, bewusst ist, haben die Dokumente sehr lange in den Schubladen geschlummert. Die Hintergründe sind relativ einfach. Schaut man sich die DIN V EN V [34] näher an, so ist dieses Dokument mit vielen theoretischen Überlegungen bestückt, die in der Praxis nur sehr schwer umsetzbar ist. In Messräumen hat man sich aufgrund der geforderten Zertifizierung bzw. Akkreditierung schon länger mit dieser Thematik auseinandergesetzt. Dort ist die Problematik aufgrund der geringeren Anzahl von Einflussgrößen einfacher zu handhaben. Messrozesse, wie sie in der alltäglichen Praxis vorkommen, mit einer Vielzahl von Einflüssen, können nicht so ohne weiteres über theoretische Betrachtungen analysiert und bewertet werden. Die einzelnen Einflüsse sind nur schwer abschätzbar bzw. durch mathematische Formeln und Modelle beschreibbar. Dies war sicherlich der Hautgrund, warum man sich Ende der achtziger Jahre in der Automobilindustrie mit dem Thema Prüfmittelfähigkeit auseinandergesetzt hat.