Mit realistischen Toleranzwerten zum Unternehmenserfolg

Für den Laien: Was wird ganz allgemein unter Arithmetischer und Statistischer Tolerierung verstanden?
Martin Garzke: Ich versuche die Thematik anhand eines bildhaften Beispiels zu erklären: Vielen ist der Film «Frühstück bei Tiffany» ein Begriff. Audrey Hepburn trägt darin eine opulente Perlenkette. Jede einzelne Perle verfügt über einen Durchmesser, der minim schwankt. So ist das auch bei Bauteilen; fertigungsbedingte Einflüsse führen dazu, dass jedes Werkstück von seiner idealen Gestalt abweicht. Deshalb werden die Bauteile mit ihren einzelnen Abmessungen innerhalb einer maximalen bzw. minimalen Toleranzgrenze gefertigt. Aber wie wirkt sich das auf eine Baugruppe aus, in der mehrere Bauteile zusammenwirken? Dieser Frage geht man mit der Arithmetischen und Statistischen Tolerierung auf den Grund.

Können Sie den Inhalt des SNV-Seminars «Arithmetische und Statistische Tolerierung in der Produktentwicklung» kurz zusammenfassen?
Martin Garzke: Das Seminar findet an zwei Tagen statt. Zum einen werden theoretische Grundlagen wie die Entstehung der Abweichung, die Notwendigkeit der Tolerierung sowie technische und wirtschaftliche Aspekte beleuchtet. Zum anderen werden unterschiedliche mathematische Ansätze zur Toleranzfestlegung aufgezeigt. Mir als Dozent ist es besonders wichtig, dass die Inhalte durch praxisnahe Rechen- und Übungsaufgaben trainiert und gefestigt werden. Ziel des Seminars ist es, den Teilnehmenden eine gewisse Routine in der Toleranzberechnung mit auf den Weg zu geben, sodass die Anwendungen auch in den Firmen zum Tragen kommen.

Wen sprechen Sie mit dem SNV-Seminar konkret an?
Martin Garzke: In erster Linie Mitarbeitende aus den Konstruktions- und Entwicklungsabteilungen, denn diese legen anhand der Toleranzvorgaben die Funktionsfähigkeit der Bauteile und Baugruppen fest. Ausserdem werden Fachleute aus dem Montage- und Fertigungsbereich angesprochen. Wünschenswert wäre auch die vermehrte Teilnahme von technischen Führungskräften, denn ohne Rückendeckung durch das direkte Management lassen sich neue Inhalte in den Firmen auf Dauer nur schlecht etablieren. Da die Statistische Tolerierung Fertigungsinformationen in Form von Merkmalsverteilungen mit Mittelwert und Standardabweichung berücksichtigt, richtet sich das Seminar an Mitarbeitende von Firmen, deren Produkte in größeren Stückzahlen gefertigt werden (>3000 Stück/Jahr). Nur dann kommen die positiven Effekte der Statistik voll zur Entfaltung.

Wie unterscheidet sich die Arithmetische Tolerierung von der Statistischen Tolerierung?
Martin Garzke: Mit der Statistischen Tolerierung werden realistischere Gesamttoleranzen ermittelt als mit der reinen «Worst-Case-Betrachtung» der Arithmetischen Tolerierung. Die Arithmetische Tolerierung geht immer vom Zusammentreffen der theoretisch ungünstigsten Fälle aus, welche in der Praxis oftmals nicht gegeben sind. Somit wird sie vor allem bei sicherheitskritischen Baugruppen angewendet, bei welchen die Gefährdung der Gesundheit oder eines Menschenlebens sicher ausgeschlossen werden muss. Im Gegenzug fliessen in die Berechnung der Statistischen Tolerierung unter anderem Informationen aus der Fertigung oder dem Muster- bzw. Prototypenbau ein. Die Ergebnisse, welche für die Gesamttoleranz ermittelt werden, ergeben somit ein wesentlich realitätsnäheres Bild.

Bild: Martin Garzke erklärt den Seminarteilnehmenden, worauf es bei der Arithmetischen und Statistischen Tolerierung ankommt.

In diesem Zusammenhang wird häufig von sogenannten «Angsttoleranzen» gesprochen. Können Sie diesen Begriff erklären?
Martin Garzke: Oftmals verfügen die Mitarbeitenden über zu wenig Statistikkenntnisse, weshalb sie nicht auf die Vorteile der Statistischen Tolerierung zurückgreifen, sondern bei der Arithmetischen Tolerierung bleiben. Das kann insofern zu Problemen führen, wenn hinterher in einer Baugruppe etwas «klemmt» oder «klappert». Damit das nicht passiert, wird nun häufig mit kleineren zulässigen Gesamttoleranzen gerechnet, wodurch die Toleranzen der einzelnen Bauteile noch weiter eingeengt werden. Daraus ist der Begriff der «Angsttoleranz» entstanden.

Welche Folgen haben unzureichende Kenntnisse im Bereich der Toleranzberechnung für die Unternehmen?
Martin Garzke: Kurz und knapp: Das Potenzial, die Fertigungskosten zu senken, wird damit eindeutig verschenkt.

Warum verursacht die Festlegung von Toleranzwerten häufig Probleme?
Martin Garzke: In frühen Phasen der Produktentwicklung ist dem verantwortlichen Konstrukteur oder der Entwicklungsmitarbeiterin häufig nicht bewusst, welche Toleranzen benötigt werden, damit das Zusammenspiel in einer Baugruppe problemlos funktioniert. Ein weiterer Aspekt ist die oft mangelnde Kommunikation innerhalb eines Unternehmens. Häufig fehlt der Austausch zwischen den Entwicklungs-/Konstruktions- und den Fertigungsabteilungen.

Wann hat die professionelle Toleranzfestlegung in den Unternehmen an Fahrt aufgenommen?
Martin Garzke: Bereits im Jahr 1957 veröffentlichte ein Schweizer Ingenieur einen wissenschaftlichen Artikel zur Statistischen Tolerierung. In den 1960er- und 1970er-Jahren kamen weitere Publikationen aus dem Industriebereich hinzu. Die weite Verbreitung fand meines Erachtens aber nur in der Automobilbranche aufgrund der hohen Stückzahlen statt. Und auch dort befassen sich ausschliesslich ausgesuchte Expertinnen und Experten mit dieser Thematik. Meine Erfahrung zeigt, dass die professionelle Toleranzfestlegung auch heute noch in vielen Unternehmen auf Unwissen stösst. Wie ich aufgrund meiner Tätigkeit an der Hochschule weiss, werden derartige Inhalte ganz selten an Hochschulen und Universitäten behandelt.

Welche Normen sind in diesem Zusammenhang von Bedeutung?
Martin Garzke: Im Seminar nutzen wir u. a. die Norm SN EN ISO 8015, um die Berechnungen inhaltlich korrekt durchzuführen. Diese Norm regelt die Grundlagen der Geometrischen Produktspezifikation, beispielsweise hinsichtlich der Funktionsgrenzen oder der Gültigkeit von Angaben an einem Geometrieelement.  

Welchen Mehrwert bietet der Seminarbesuch den Teilnehmenden?
Martin Garzke: Den Teilnehmenden werden Methoden und Werkzeuge vermittelt, die es ihnen ermöglichen, Einzel- bzw. Gesamttoleranzen zukünftig realistisch zu ermitteln. Dies reduziert den Ausschuss von Bauteilen, führt zu niedrigeren Fertigungskosten und trägt so zum Unternehmenserfolg bei.

Er absolvierte zunächst eine technische Berufsausbildung. Nach seinem Maschinenbaustudium mit dem Schwerpunkt Konstruktions- und Antriebstechnik promovierte er im Fachbereich neuartige Leichtbau-Maschinenelemente. Er war danach viele Jahre in der Automobilbranche im Entwicklungsbereich von Fahrwerkskonstruktionen tätig. Seit 2004 lehrt er als Professor für Maschinenelemente und Konstruktionslehre an der Ernst-Abbe-Hochschule Jena. Er verfügt über langjährige Erfahrung in der Entwicklung, Auslegung und Erprobung von Komponenten, Baugruppen und Systemen.