Was sind Qualitätsregelkarten (QRK)?

Zuletzt aktualisiert: 15.02.2024

Qualitätsregelkarten sind grafische Hilfsmittel, mit denen unterschiedlichste Prozesse oder Produkteigenschaften über einen bestimmbaren Zeitraum hinweg fortlaufend beobachtet werden können.

Qualitätsregelkarten sind ein zentrales Instrument in der statistischen Prozessregelung und dienen dort zur Feststellung und Überwachung von Prozessen hinsichtlich ihrer Stabilität („Fähigkeit“).

Statistische Größen wie z.B. Mittelwerte oder Streuungen werden auf den Qualitätsregelkarten eingetragen und der Verlauf dieser Größen wird verfolgt. Bereits bei ersten Anzeichen einer Veränderung – und somit eines beginnenden Fehlers können durch Warngrenzen erste Reaktionen erfolgen und somit kann ein mögliches Herausfallen aus geforderten Toleranzen frühzeitig vermieden werden.

Wie die untenstehende Abbildung zeigt, kommen abhängig vom Einsatzgebiet unterschiedlichste Arten von Qualitätsregelkarten zur Anwendung.

Einteilung von Qualitätsregelkarten
Einteilung von Qualitätsregelkarten

Mit Qualitätsregelkarten können Prozesse einfach und effektiv beobachtet und bewertet werden, wobei vor allem das präventive Erkennen von Abweichungen und die damit verbundene Möglichkeit des frühzeitigen Eingreifens von besonderer Bedeutung sind.

Qualitätsregelkarten basieren auf Stichprobenentnahmen und wurden ursprünglich vor allem bei Herstellprozessen eingesetzt, haben aber im Laufe der Zeit Verwendung in allen Prozessebenen gefunden. Der Einsatz von Qualitätsregelkarten bei nicht quantifizierbaren Messgrößen bedeutet allerdings meist einen nicht unerheblichen Mehraufwand bei der Planung eines effektiven Messablaufes.

Welche Vorteile haben Qualitätsregelkarten?

Mit der Führung von Qualitätsregelkarten lassen sich mehrere Ziele gleichzeitig verfolgen:

Produktivitätssteigerung:

Es wird die Übereinstimmung zwischen dem Ist- und Sollzustand eines Fertigungsprozesses, ausgedrückt durch die definierten Qualitätsmerkmale, überwacht und geregelt. Änderungen werden früh erkannt und können besonders in der frühen Phase effektiv korrigiert werden. Damit geht eine Reduzierung von Ausschussproduktion bzw. von unnötigen Produktionsunterbrechungen bei gleichzeitiger Produktivitätssteigerung einher.

Dokumentation interner Prüfaufwände im Rahmen der Qualitätssicherung 

Mit abgeschlossenen Qualitätsregelkarten kann eine qualitätssichernde Organisationseinheit eines produzierenden Unternehmens gegenüber einem Abnehmer ihre Aktivitäten zur Produkt- und Prozessüberwachung dokumentieren.

In besonderen Fällen, z.B. im Automobilbereich bei sicherheitsrelevanten Bauteilen, kann es üblich sein, die Qualitätsregelkarte mit den auszuliefernden Produkten zu übergeben und so dem Kunden die qualitätssichernden Aktivitäten transparent anzuzeigen.

Darüber hinaus entsteht ein Vorteil für den Kunden, da er durch die dokumentierte Produkt- und Prozessüberwachung des Lieferanten seine eigenen Warenannahmeprüfungen deutlich reduzieren bzw. im Idealfall sogar einstellen kann. Des Weiteren werden Qualitätsregelkarten auch dazu verwendet, um die Qualitätssicherung gegenüber auditierenden Institutionen zur Erhaltung von Qualitätsmanagementzertifikaten oder auch gegenüber behördlichen Aufsichtsorganen zu dokumentieren. 

Ermittlung von Maschinen- und Prozessfähigkeiten

Prozessfähigkeiten bei Serienanläufen

Maschinen- und Prozessfähigkeiten stellen sicher, dass die eingesetzten Maschinen und Anlagen im Prozess in der Lage sind, Produkte entsprechend den erwarteten Güten herzustellen. Dies ist insbesondere bei Serienanläufen, d.h. wenn begonnen wird, ein neues Produkt in hohen Stückzahlen zu fertigen, von eminenter Bedeutung.

Die Herstellung eines Produktes erfolgt selbst bei hinreichend bekannten Prozessen (d.h. Prozesse auf Produktionslinien, welche ein Produkt bereits über lange Zeit erzeugen) stets unter mehr oder weniger großen Schwankungen der Produktionsbedingungen, welche natürlich zu streuenden Ergebnissen der Prüfmerkmale des herzustellenden Produkts führen.

Wird ein neuer Prozess zur Herstellung eines neuen Produktes eingeführt, fehlen vorerst meist jegliche Erfahrungen, um die sich einstellenden Schwankungen prognostizieren zu können. Diese werden unter Zuhilfenahme von Qualitätsregelkarten im Rahmen von Maschinen- und Prozessfähigkeitsnachweisen ermittelt. Die Vorgehensweise bei Ermittlung dieser Fähigkeiten wird später erläutert.

Prozessfähigkeiten als Grundlage für Investitionsentscheidungen

In einem produzierenden Unternehmen eingesetzte Maschinen und Anlagen unterliegen einem produktionsbedingten Verschleiß. Dies äußert sich mit zunehmendem Alter der Aggregate meist in einer Erhöhung von notwendigen Reparatur- und Instandhaltungsmaßnahmen zur Sicherstellung von fähigen Prozessen.

Gleichzeitig verlieren die Maschinen und Anlagen durch die kaufmännische Abschreibung kontinuierlich an Wert, sodass es ab einem bestimmten Zeitpunkt sinnvoll ist, anstatt in steigende Instandhaltungskosten doch besser in eine neue Maschine zu investieren.

Da Qualitätsregelkarten die Fähigkeiten bzw. die „Nicht“- Fähigkeiten von Prozessen eindeutig darstellen können, eignen sie sich in besonderem Maße als grundlegende Entscheidungshilfen für Investitionsentscheidungen.

Wie ist der Aufbau von Qualitätsregelkarten?

Ähnlich der Fehlersammelliste ist der Einsatz der Qualitätsregelkartentechnik in zwei Phasen zu teilen – die Designphase sowie die Ausführungsphase.

Was ist die Designphase einer Qualitätsregelkarte?

In der Designphase gilt es zunächst, die Funktion der Stichprobe (Mittelwert, Schwankung, etc.), sowie Umfang und Zeitpunkt der Stichprobennahme im Prozess festzulegen. Die für den Aufbau einer Qualitätsregelkarte notwendigen Basisinformationen werden in der Prüfplanung ermittelt.

Um eine Qualitätsregelkarte einführen zu können, sind dem zu bewertenden Produktionsprozess in festgelegten Intervallen vorher definierte Stichprobenumfänge aus der Grundgesamtheit (dem Prüflos) zu entnehmen.

Danach sind die für die erwartete und notwendige Prozesssicherheit geltenden unteren und oberen Warngrenzen zu definieren. Über die Warngrenzen hinaus spannt man eine untere bzw. obere Eingriffsgrenze, welche auf der Produktebene die maximal tolerierbaren Toleranzen für eine gerade noch akzeptable Produktqualität darstellen.

Die Bestimmung der Warngrenzen gestaltet sich zumeist schwierig, da diese einerseits eng gesteckt sein sollen, um einen rechtzeitigen Hinweis auf eine negative Trendentwicklung (und in Folge eine Toleranzverletzung) zu erhalten. Andererseits bergen eng gesteckte Warngrenzen das Risiko, dass diese viel zu häufig verletzt werden und im ungünstigsten Fall ihr ständiges Auftreten (ohne in Folge zu Toleranzverletzungen zu führen) zu einer Nichtbeachtung führen kann.

Beispiel einer Qualitätsregelkarte
Beispiel einer Qualitätsregelkarte

Eine Alternative zu festgelegten statischen Eingriffsgrenzen stellt der Ansatz der Verlustfunktion nach Taguchi dar, welcher im Folgenden vorgestellt wird.

Was ist die Verlustfunktion nach Taguchi?

Der japanische Statistiker Genichi Taguchi (*1924) erarbeitete eine Versuchsmethode zur stetigen Minimierung von Streuungen anstatt der üblichen statischen Eingriffsgrenzen. 

In industriellen Produktionsprozessen ist die Frage ständig präsent, wie präzise ein Produkt erzeugt werden muss. Einerseits ist man bestrebt, Produkte in engen Toleranzen herzustellen und damit mögliche Kundenbeanstandungen bereits in der Entstehungsphase zu eliminieren.

Im Wissen um meist systembedingte interne Unzulänglichkeiten sind die qualitätsverantwortlichen Organisationseinheiten deswegen meist bestrebt, vorliegende Kundenanforderungen intern noch strenger zu formulieren. Dies trifft oft auf Unverständnis der produktionsverantwortlichen Organisationseinheiten, da immer höhere Anforderungen an ein Produkt mit überproportional hohen anteiligen Kosten einhergehen.

Während also die herkömmliche Verlustbetrachtung einen spezifischen Produktkennwert definiert und akzeptable Abweichungsmaße setzt, verzichtet Taguchi auf strenge Eingriffsgrenzen. Er ersetzt diese vielmehr durch eine sogenannte Verlustfunktion.

Die Argumentation von Taguchi ist jene, dass ein Produkt, welches ein gefordertes Merkmal knapp nicht erreicht, für den Endkunden nicht viel schlechter sein kann als ein Produkt, welches ein gefordertes Merkmal gerade noch innerhalb einer gesetzten Toleranzgrenze erreicht hat. 

Es ist also eine Frage des Betrachtungsblickwinkels, wie „genau“ eine Leistung erbracht werden muss. Aus dem Blickwinkel einer produzierenden Organisationseinheit wird dabei eine völlig andere Aufwand/Nutzen-Bewertung wahrgenommen, als von einer qualitätsverantwortlichen Organisations-einheit.

Taguchi hat sich mit diesen Fragen seit den 70er Jahren des vorigen Jahrhunderts intensiv auseinandergesetzt und in den frühen 80er Jahren dann sein Konzept der Verlustfunktion publiziert.  Der Ansatz nach Taguchi stellt den Verlust in den Mittelpunkt der Betrachtungen: Nur wenn ein Produktkennwert seinen Vorgabewert erreicht, entsteht kein Verlust. Jede – auch nur geringe – Abweichung vom Kennwert erzeugt Verlust, der von Taguchi durch eine Funktion 2. Grades (eine Parabel) dargestellt wird.

Der Verlust selbst wird abgebildet als Kundenunzufriedenheit, Imageverlust, höhere Gewährleistungskosten bis hin zum Verlust von Marktanteilen.

Die Verlustfunktion von Taguchi ist mathematisch wie folgt beschrieben:

$$L(x);=;K{(x-T)}^2;$$

L(x)… Qualitätsverlust (Parabelform)
x….. gemessener Wert (Ist-Wert)
K….. Geldwerter Anteil der Abweichung vom Soll-Wert 
T….. Soll-Wert

Verlustfunktion nach Taguchi (hier als schwarze Kurve dargestellt)
Verlustfunktion nach Taguchi (hier als schwarze Kurve dargestellt)

Als Maß für die Streuung um den gewünschten Soll-Wert schlägt Taguchi in seinen Ausführungen sein Signal/Störgrößen Verhältnis vor. 

$$frac SN=10;log(frac{x^{-2}}{s^2})$$

S…..Signaleffekt
N….. Störgrößeneffekt
x….. Mittelwert 
s….. Standardabweichung

Als Maß für die Streuung um den gewünschten Soll-Wert schlägt Taguchi in seinen Ausführungen sein Signal/Störgrößen-Verhältnis vor. 

$$R=10;log(frac1{s^2})$$

S…..Signaleffekt
N….. Störgrößeneffekt
x….. Mittelwert
s….. Standardabweichung

Aufgrund der Tatsache, dass das Signal/Störgrößen Verhältnis den Mittelwert beinhaltet, trifft es auch eine Aussage über die Mittelwertlage der Prüfergebnisse. Ist in einem Prozess nur die Standardabweichung eine betrachtenswerte Größe, kann die Robustheit des Prozesses nach folgender Formel beurteilt werden:

$$cm=frac{OT-UT}{6cdot s}$$

R…..Robustheit
s….. Standardabweichung

Was ist die Ausführungsphase einer Qualitätsregelkarte?

Die in dem Stichprobenumfang festgestellten Prüfergebnisse der geforderten Prüfmerkmale werden danach unter Zuhilfenahme von Stichprobenfunktionen (Mittelwert, Streuung, etc.) zu einer Kenngröße zusammengefasst.

Die Qualitätsregelkarte selbst ist dann als grafische Wiedergabe dieser Stichprobenbefunde in Diagrammform aufzufassen, wobei sich auf der x- Achse meist die Nummern der Stichproben bzw. die Entnahmezeitpunkte finden und auf der y -Achse die jeweils dazugehörigen ermittelten Werte der Stichprobenfunktion.

Besondere Merkmale der Qualitätsregelkarten sind die „Hilfslinien“ zur schnellen visuellen Beurteilung der ermittelten Prüfergebnisse.

Die erste Hilfslinie ist die zur x-Achse parallel verlaufenden Mittellinie. Die Höhe diese Mittellinie auf der y-Achse stellt den Zielwert dar, auf den der Produktionsprozess zu regeln ist.

Dieser Zielwert kann ein echter Soll-Wert sein, der sich z.B. aus Normen oder vereinbarten Qualitätsstandards ergibt. Er kann aber auch ein aus früheren Untersuchungen des ungestörten Prozesses gewonnener Erfahrungswert sein oder ein Schätzwert aus einem Vorlauf des ungestörten Prozesses.

Über die Soll-Wert-Linie hinaus gibt die Qualitätsregelkarte unmittelbar Auskunft über die Warn- und Eingriffsgrenzen, siehe dazu auch die nächste Abbildung.

Beispiel einer Qualitätsregelkarte mit Soll-Wert (M), Eingriffsgrenzen (OEG, UEG) sowie Grenzwerten (OGW, UGW)

Beispiel einer Qualitätsregelkarte mit Soll-Wert (M), Eingriffsgrenzen (OEG, UEG) sowie Grenzwerten (OGW, UGW)

Was sind Eingriffsgrenzen?

Wenn davon auszugehen ist, dass das zu prüfende Qualitätsmerkmal sowohl Abweichungen nach unten als auch Abweichungen nach oben ergeben kann, so müssen obere und untere Eingriffsgrenzen (OEG und UEG) definiert werden. Diese verlaufen parallel zur x-Achse bzw. der Soll-Wert-Linie. Bei gesichert einseitigen Abweichungen kann auf eine der beiden Grenzen verzichtet werden.

Was sind Warngrenzen?

Neben den Eingriffsgrenzen zeichnet man auf einer Qualitätsregelkarte häufig auch Warngrenzen OWG und UWG ein, die zwischen den Eingriffsgrenzen und der Mittellinie liegen. Die untenstehende Abbildung zeigt eine Shewhart-Qualitätsregelkarte mit zweiseitigen Warn- und Eingriffsgrenzen. Zusätzlich sind einige Stichprobenbefunde eingezeichnet.

Welche Arten von Qualitätsregelkarten gibt es?

Was sind Qualitätsregelkarten für attributive Merkmale?

Übersicht über Regelkarten für attributive Merkmale
Übersicht über Regelkarten für attributive Merkmale
Übersicht über Regelkarten für attributive Merkmale

Zur Erinnerung: Attributive oder diskrete Merkmale sind per Definition Zähldaten, welche nur bestimmte Werte oder Zustände annehmen können. 

Was sind Qualitätsregelkarten für variable Merkmale?

Übersicht über Regelkarten für variable Merkmale
Übersicht über Regelkarten für variable Merkmale
Übersicht über Regelkarten für variable Merkmale

Zur Erinnerung: Variable Merkmale – auch stetig oder quantitativ genannt-  können beliebige reelle Zahlenwerte in einem sinnvollen Zahlenraum sein.

Was sind Szenarien in Qualitätsregelkarten und deren Interpretation?

Ein wesentlicher Vorteil von Qualitätsregelkarten ist deren aussagekräftige Visualisierung von möglichen Prozesszuständen, man kann durchaus behaupten, dass auch nicht fachkundige Personen bei Betrachtung einer Qualitätsregelkarte „auf einen Blick“ erkennen können, ob sich ein Produkt- oder ein Prozessmerkmal stabil verhält. Bei der Interpretation der Verlaufsmuster von Qualitätsregelkarten gibt es demnach verschiedene typische Szenarien.

Szenario 1: Robust, stabil

Wenn das Ergebnis der Stichprobenfunktion innerhalb der unteren und oberen Eingriffsgrenze liegt, ist der Prozess nach der gewählten Definition „stabil“, es gibt demnach keinen Handlungsbedarf.

Stabiles Szenario auf einer Qualitätsregelkarte
Stabiles Szenario auf einer Qualitätsregelkarte

Szenario 2: Run

Das Ergebnis der Stichprobenfunktion liegt im unteren oder im oberen Bereich zwischen den Warngrenzen und den Eingriffsgrenzen. Der Prozess ist nach der gewählten Definition nicht „stabil“, er driftet ab. Ein Handlungsbedarf ist gegeben, entweder durch intensivere Prozessbeobachtung (z.B. durch kürzere Intervalle der Stichprobenentnahme), oder durch Korrekturmaßnahmen (z.B. Nachführung des Prozesses aufgrund bekannter Änderungen der Umwelt wie z.B. Tag/Nacht- Situationen).

Szenario „Run“ auf einer Qualitätsregelkarte
Szenario „Run“ auf einer Qualitätsregelkarte

Szenario 3: Trend

Das Ergebnis der Stichprobenfunktion weist mehr als sieben Werte mit gleicher Steigungsrichtung aus – man spricht von einem Trend. Ein unmittelbarer Handlungsbedarf ist gegeben, umgehend nach den Ursachen zu suchen. Mögliche Einflüsse, die einen Trend verursachen, können Alterung und Verschleiß oder Umweltbedingungen (Winterperiode – Sommerperiode) sein.

Szenario „Trend“ auf einer Qualitätsregelkarte
Szenario „Trend“ auf einer Qualitätsregelkarte

Szenario 4: Instabilität

Das Ergebnis der Stichprobenfunktion streut stark zwischen den Warngrenzen und den Eingriffsgrenzen (>2/3 der Werte liegen zwischen Warngrenze und Eingriffsgrenze). Ein Muster ist nicht erkennbar. 

Ein Handlungsbedarf ist bereits gegeben und es muss konsequent an einer Verbesserung der Stabilität gearbeitet werden, da alle Toleranz -“Puffer“ bereits verbraucht sind.

Szenario „Instabilität“ auf einer Qualitätsregelkarte
Szenario „Instabilität“ auf einer Qualitätsregelkarte

Szenario 5: Überschreiten der Eingriffsgrenze

Zumindest ein Ergebnis der Stichprobenfunktion liegt außerhalb der Eingriffsgrenzen. Es ist unmittelbarer Handlungsbedarf gegeben, Prozesse sind zu stoppen und auf eventuelle Ursachen hin zu untersuchen, z.B. ob ein grober Fehler oder Defekt vorliegt. Bei Produktmerkmalen ist das Prüflos umgehend zu sperren und darf nicht zum Kunden gelangen.

Szenario „Grenzüberschreitung“ auf einer Qualitätsregelkarte
Szenario „Grenzüberschreitung“ auf einer Qualitätsregelkarte

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