SPC Grundlagen der statistische Prozesskontrolle

SPC Grundlagen & Zielsetzung

SPC bezeichnet die fertigungsbegleitende Prüfung bzw. Messung von Produkt- oder Prozessparametern zur präventiven Überwachung und Absicherung der Prozessstabilität. Die Entscheidung über einen Prozesseingriff bei einer Veränderung der Kontrollparameter wird auf Basis statistischer Kenngrößen getroffen.

Was erwartet Sie in diesem Beitrag über SPC? – Inhalte

Ziel von SPC

Ziel von SPC war – und ist es nach wie vor – die Produktqualität durch eine gesteigerte Prozessstabilität zu verbessern.

Dazu wird der Prozess fortlaufend mit Hilfe von SPC – Prüfungen oder Messungen überwacht und die Ergebnisse in SPC-Regelkarten oder Qualitätsregelkarten dokumentiert. Bei statistisch signifikanten Abweichungen wird korrigierend in den Prozess eingegriffen.

Die Entscheidung zum Prozesseingriff auf Basis statistischer Wahrscheinlichkeiten kommt für den Prozessbeobachter zunächst überraschend, weil er als Mensch häufig anders als die Statistik entscheiden würde. Allerdings führt das statistisch basierte Vorgehen von SPC zu stabileren Prozessen und vermeidet Ausschuss sicherer als wenn Mensch allein entscheidet.

Als Überwachungsparameter können sowohl Produktmerkmale als auch Prozessparameter dienen.

Historie & Hintergrund

Die SPC Grundlagen – eine Abkürzung, die übersetzt aus dem Englischen ( statistical process control ) statistische Prozesskontrolle oder statistische Prozesslenkung bedeutet – wurden von Walter A. Shewhart in den USA entwickelt.

Shewhart stellte sich die Frage, welche Ursachen dafür verantwortlich sind, dass in ein und demselben Prozess sowohl gute als auch schlechte – d.h. nicht spezifikationskonforme – Produkte entstehen. Er identifzierte die Streuung von Qualitätsmerkmalen – d.h. die von Komponente zu Komponente unterschiedlich große Abweichung vom Sollwert des jeweiligen Produktmerkmals – als wesentliche Einflussursache – sofern die Prüfmittel verlässliche Messergebnisse liefern.

SPC – statistische Prozesskontrolle im Überblick

Definition von SPC

Als Definition von SPC kann man daher formulieren:

• SPC ist eine wiederholende Messung oder Prüfung von Produkt- und/ oder Prozessparametern zur Prozessüberwachung. Im Fall eines Überschreiten von statistisch und / oder empirisch vorgewählten Warn- und Eingriffsgrenzen wird auf Basis statistischer Wahrscheinlichkeiten eine Entscheidung über einen Prozesseingriff getroffen mit dem Ziel, durch den Prozesseingriff eine verbesserte Produktqualität zu erreichen.

Stark streuende Prüfergebnisse in der Prozessüberwachung?

Vielleicht liegt es an Ihrem Prüfprozess oder an Ihrem Messsystem oder an der Art der Stichprobennahme. Wir beraten Sie im Qualitätsmanagement und bieten operative Hilfestellung zu SPC. Wir helfen Ihnen operativ, Ihre Kontrollen und Prüfungen zu stabilisieren und zu verbessern. Hier ist Ihr KONTAKT zu uns.

Welche Merkmale können mit SPC überwacht werden? – Beispiele

Prinzipiell können alle qualitativen und quantitativen Produkt- und Prozessmerkmale überwacht werden. In der Regel wird man sich auch einige wenige Größen beschränken, die sichere Hinweise geben auf

• Funktionsveränderungen
• Qualitätsveränderungen
• Effizienzveränderungen

Wichtig ist, dass eine möglichst einfache, praxistaugliche, prozessbegleitende Prüfung erfolgt, die schnelle, verläßliche Ergebnisse liefert, falls in den Prozess eingegriffen werden muss.

Typische Beispiele für ein SPC-Merkmal bei einem Produkt sind z.B. Länge, Durchmesser, Gewicht oder Härte, bei Prozessen die Temperatur, der Druck oder auch eine Aufheiz- oder Abkühlzeit.

Optimierung Prüfprozesse und Schulung Messsystemanalyse MSA

Ursachen für Streuung – Sigma – Standardabweichung

Wesentlich ist die Erkenntnis, dass alle im Wertschöpfungsprozess beteiligten Elemente mit ihren Einzelstreuungen zur Gesamtstreuung beitragen. Die Gesamtqualität eines Endproduktes ist damit eine Folge der kombinierten Streuungen seiner Einzelbestandteile.

Statistisch wird diese Streuung als Sigma oder Standardabweichung bezeichnet. Je größer die Standardabweichung der Einzelkomponenten vom Sollwert, umso stärker streut das Gesamtprodukt. Leider addieren sich Streuung nicht linear, sondern mit einer Quadrat-Funktion. D.h. ein einzelnes, stark vom Soll abweichendes Element kann deshalb die Gesamtstreuung dominieren.

Dies ist u.a. ein Grund, warum die Shainin-Problemlösungs-Methode an dieser Stelle ansetzt.

Beispiele für einflussnehmende Elemente

• Materialien
• Einzelkomponenten
• Baugruppen
• Werkzeuge
• Maschinen
• Mitarbeiter
• Messmittel und Messsysteme
• Stichprobennahme, -umfang, -auswahl
• Umwelteinflüsse

3 Fehler in der Ursachenanalyse von Streuung

Alles streut! – immer! Aber wenn dies so ist, ist dann eine beobachtete Prozessabweichung zufällig? Oder ist sie bedingt durch eine kausal begründete Störursache, die beseitigt werden muss?

Bei der Ursachenanalyse und dem Versuch, Streuung zu reduzieren, stellte Shewhart in der Unternehmenspraxis drei prinzipielle Fehler bei der Entscheidungsfindung fest:

1. Eine Abweichung wird einer besonderen Ursache zugewiesen, obwohl sie von einer allgemeinen Ursache hervorgerufen wurde d.h. Folge des Zufalls und des Rauschens ist.
2. Eine Abweichung wird einer allgemeinen Ursache zugeordnet, obwohl sie Folge einer ganz speziellen, besonderen Ursache und damit nicht zufälliger Natur ist.
3. Nicht alle Einflussfaktoren sind bekannt bzw. überwacht.

WICHTIG: allgemeine und besondere Ursachen identifizieren und unterscheiden

Ziel von Shewart war deshalb, allgemeine und besondere Ursachen identifizieren und unterscheiden zu können. Bisher war dies der Erfahrung und dem subjektiven Empfinden des Mitarbeiters überlassen.

Dies ist der wesentliche Fortschritt von SPC gegenüber den vorhergehenden Methoden. Bei SPC wird auf Basis von statistischen Wahrscheinlichkeiten entschieden, ob eine Abweichung zufällig oder signifikant ist.

Wichtig ist selbstverständlich, alle Ursachen und Einflussfaktoren auf die Streuung im Prozess zu identifizieren und idealerweise stabil zu halten. Ebenso verdient die Stichprobenauswahl und die Art der Stichprobennahme eine kritische Überprüfung.

Zur Ursachenanalyse und Identifikation potentieller Ursachen und Einflussgrößen können z.B. das Ishikawa-Diagramm oder Ergebnisse der Prozessanalyse genutzt werden.

SPC Schulung und Prozessoptimierung

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Qualitätsregelkarten (QRK) und SPC

Zur Prozessüberwachung entwickelte Shewhart basierend auf statistischen Grundlagen sogenannte Qualitätsregelkarten QRK als einfaches Werkzeug um vor Ort die Prozesse im gewünschten Soll-Fenster zu überwachen. Ziel der Überwachung ist natürlich, aus dem bisherigen Verhalten des Prozesses Prognosen zu erstellen auf das weitere Prozessverhalten und Hinweise zu erhalten, ob Auffälligkeiten signifikant sind und ein korrigierendes Eingreifen erfordern.

Messsystemanalyse MSA & Messmittelfähigkeit Cg, Cgk

Es klingt trivial, aber die Grundlage von Qualitätsregelkarten ist ein reproduzierbar messbares Merkmal und ein fähiger Messprozess. D.h. eine Messsystemanalyse (MSA) für das zu messende Merkmal und das Messsystem ist zwingend.

Wenn Ihr Prüfmittel und Ihr Prüfprozess zu stark streuen, wird SPC nicht funktionieren. Verläßliche Prüfergebnisse sind ein Muss!

Erst wenn die Kenngrößen der Messmittelfähigkeit Cg und Cgk im Sollbereich sind, können die nächsten Schritte zur Erstellung von Qualitätsregelkarten erfolgen.

Auch bei einer attributiven Prüfung von qualitativen Merkmalen ist eine Messsystemanalyse, ein Eignungsnachweis und der Nachweis der Prozessfähigkeit machbar und sinnvoll.

Statistik und Standardabweichung als Basis für Qualitätsregelkarten

Es gibt zahlreiche, unterschiedliche Verteilungen in der Statistik. Die bekannteste ist vermutliche die Gauss-Verteilung oder Glockenkurven-Verteilung. Zwei Kenngrößen dienen zur Beschreibung der Gauss-Verteilung. Zum einen ist dies der Mittelwert, zum zweiten die Standardabweichung oder Sigma. Die Standardabweichung wird gemessen vom Mittelwert der Gauss-Kurve zum Wendepunkt auf dem linken bzw. rechten Kurvenast.

Stichproben als Fehlerquelle in SPC

Weil aus zeit- und anderen praktischen Gründen selten die Gesamtheit aller Objekte oder Teile untersucht wird, beschränkt man sich in der Regel auf eine Stichprobe. Stichproben können eine sehr große Fehlerquelle sein und eine erfolgreiche, verläßliche Prozesskontrolle und Prozesslenkung durch SPC und Qualitätsregelkarten verhindern.

Wichtig für SPC ist, dass eine repräsentative Stichprobe genommen wir – d.h. die Stichprobe spiegelt die Grundgesamtheit übereinstimmend wider-, dass Umfang und Vorgehensweise der Stichprobennahme definiert sind und dass die Mitarbeiter darin geschult sind und sich an die Arbeitsanweisung halten.

Prozessfähigkeit (cp cpk) als Basis für Qualitätsregelkarten

In einer Voruntersuchung wird die Prozessfähigkeit und damit die Prozessmittellage und die Standardabweichung des Prozesses ermittelt, für den die Qualitätsregelkarte erstellt werden soll. Die Berechnung der Prozessfähigkeit cp bzw. cpk setzt die Kenntnis der Standardabweichung voraus und berücksichtigt die (vom Konstrukteur definierten) Toleranzgrenzen. In dieser Voruntersuchung muss z.B. bei einem Prozessanlauf zwangsläufig eine (zu kleine) Stichprobe genutzt werden. Man spricht deshalb auch von einer vorläufigen Prozessfähigkeit. Deshalb sollte später, wenn der Prozess entsprechende Stückzahlen liefert und unter (stabilen) Serienbedingungen läuft, die Prozessfähigkeitsuntersuchung wiederholt und ggfs. die SPC-Werte angepasst werden.

Warngrenzen und Eingriffsgrenzen der Qualitätsregelkarten

Shewhart definierte ober- und unterhalb von der Prozessmittellage Warngrenzen und Eingriffsgrenzen. Üblicherweise werden Warngrenzen mit einem Abstand von +/- 2sigma, die Eingriffsgrenzen mit einem Abstand von +/- 3sigma ausgehend von der Prozessmittellage definiert. Liegt ein Messwert ausserhalb dieser Grenzen, ist diese Überschreitung statistisch betrachtet sehr wahrscheinlich durch eine Prozessveränderung verursacht.

Eingriffsgrenzen und Toleranzgrenzen

Die Toleranzgrenzen werden vom Konstrukteur vorgegeben, aus der Prozessstreuung ergeben sich die statistisch berechneten Warn- und Eingriffsgrenzen. Natürlich sollten die Toleranzgrenzen einen ausreichenden Abstand haben zu den Eingriffsgrenzen, so dass bei einem Überschreiten der Eingriffsgrenze immer noch Produkte innerhalb der Toleranz entstehen.

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SPC – Kosten

Häufig ist eine Diskussion zu hören, dass der Aufwand von SPC von das Ergebnis nicht rechtfertigt. Unserer Erfahrung nach ist leider andersherum. Ohne eine funktionsfähige Prozesskontrolle schwanken Produkt- und Prozessqualität sehr stark. Ausschuß, Ausbringung und Lieferfähigkeit sind nicht planbar und der Nachweis der Wirksamkeit von eingeleiteten Massnahmen zur Prozessstabilisierung ist nicht möglich.

SPC – Massnahmen – Out of Control Actions

Eine Qualitätsregelkarte zu führen, ohne daß Korrektur- und Abhilfemassnahmen im Falle einer Abweichung erfolgen, ist sinnlos.

Werden Warn- oder Eingriffsgrenzen überschritten, sollten bereits im Vorfeld festgelegte, definierte Überprüfungs- und Gegenmassnahmen eingeleitet werden um den Prozess wieder zu stabilisieren.

Eine der einfachsten Massnahmen ist, sofort eine zweite Stichprobe zu nehmen ohne korrigierend in den Prozess einzugreifen. Dies dient lediglich dazu, mehr statistische Sicherheit beim Ergebnis der Stichprobe zu erhalten.

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Wichtig ist, bei Korrekturmassnahmen die Art der Massnahmen und die Stärke des Einfgriffs vorher festzulegen und zu üben.  Im gestörten Fall ist keine Zeit zum Üben und sich herantasten. Wenn nicht korrekt und angemessen eingegriffen wird, besteht die Gefahr, dass die Massnahme unzureichend wirkt oder dass über das Ziel hinausgeschossen wird. Beide Fälle können Ausschuß und hohe Kosten entstehen lassen.

prozessbegleitende SPC Prüfung / SPC Messung

Bei laufendem Prozess werden vom Mitarbeiter in vorgegebenen Intervallen die jeweilige SPC Prüfung oder SPC Messung durchgeführt und in Prüfergebnisse in die SPC-Regelkarte eingetragen. Bei Überschreiten der Warn- bzw. Eingriffsgrenzen wird der Mitarbeiter dann die (hoffentlich vordefinierten) SPC-Massnahmen ergreifen um den Prozess zu innerhalb der Eingriffsgrenzen wieder zu stabilisieren.

SPC Software

Es ist viel SPC Software verfügbar – sowohl aus freeware  oder Kauf-Software, manche sind Excel-basierte Add-ons oder Module innerhalb von Qualitätsmanagementsystemen (QMS / CAQ), die die Erstellung und  Pflege von SPC Regelkarten und Qualitätsregelkarten sowie die weitergehende Auswertung der Daten und deren Kommunikation vereinfacht. Hier eine kleine Übersicht an SPC-Software (alphabetisch, ohne Bewertung).

• Babtec
• InfinityQS
• Minitab
• Q-Das
• SigmaXL
• Statgraphics

AQL und SPC – Wareneingangsprüfung

Eine Wareneingangsprüfung stellt eine Sonderform der SPC-Prozesskontrolle dar. Die Bezeichnung AQL = Acceptable Quality Level beschreibt die zwischen Kunde und Lieferant vereinbarte Quote oder Anteil p an Schlechtteilen in Prozent bei einer Warenanlieferung in der Annahmestichprobenprüfung. So bedeutet z.B. AQL = 0,5, dass 0,5% der angelieferten Teile Schlechtteile – d.h. ausserhalb der Toleranz – sein dürfen.

Weil in der Regel nur eine Stichprobe aus den angelieferten Teilen gezogen wird, ist die Ausssage der Wareneingangsprüfung mit einer gewissen Unsicherheit verknüpft – Hier gelten die gleichen statistischen Regeln und Vorgehensweise wie bei jeder anderen Stichprobenprüfung oder SPC – Kontrolle. Deshalb werden im Vorfeld das AQL-Niveau, die Losgröße, die Prüfstufe (und damit implizit die Stichprobengröße und Prüfschärfe) und die als erträglich akzeptierte Irrtumswahrscheinlichkeit festgelegt.

Daraus resultiert eine maximale Akzeptanzzahl. D.h. bis zu dieser Höhe sind Schlechtteile in der angelieferten Charge zulässig , damit die Charge akzeptiert werden muss / darf.  Wird die Akzeptanzzahl überschritten, wird die Anlieferung zurückgewiesen. Akzeptanzzahlen sind tabelliert als AQL-Tabellen. Die Vorgehensweise ist normiert und in der Norm DIN ISO 2859 beschrieben.

Unternehmen mit einer Null-Fehler-Strategie – wie im Lean Management üblich  – prüfen an dieser Stelle häufig sehr streng und erlauben keine Fehlteile in der Stichprobe.

Schulung  zu SPC und Prozessstabilisierung

Wir bieten offene Schulungen und inhouse-Training   zu SPC und Prozessoptimierung an.

Beratung SPC & Hilfe bei Prozessstörungen und Qualitätsproblemen

Wir helfen Ihnen, Ihre Prozesse zu stabilisieren, Qualitätsprobleme zu eliminieren. Wir führen SPC zur Prozesskontrolle ein. Hier ist Ihr Kontakt zu uns.

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