Von den Zeitnormtabellen von 1972 zu Algorithmen. Warum die CNC-Kalkulation noch immer wie vor einem halben Jahrhundert funktioniert

Die Wissenschaft der Zeitermittlung in der Zerspanung war schon vor Jahrzehnten gelöst. Das Problem war nie fehlendes Wissen - es waren die Kosten, dieses Wissen anzuwenden. In diesem Artikel geht es darum, warum die Kalkulation zur letzten reinen Handarbeit im Zerspanungsbetrieb geworden ist, und was passiert, wenn sie es endlich nicht mehr ist.

1972, der Schreibtisch eines Arbeitsvorbereiters

1972 brachte der polnische Fachverlag Wydawnictwa Naukowo-Techniczne ein Buch heraus, an das sich manche Arbeitsvorbereiter in Polen bis heute erinnern: „Normowanie czasu pracy na obrabiarkach do obróbki skrawaniem" („Zeitnormen für die Arbeit an spanenden Werkzeugmaschinen") von Dr. Romuald Wołk. Über fünfhundert Seiten Tabellen und Richtwerte: Drehmaschinen, Revolverdrehmaschinen, Mehrspindelautomaten, Bohrmaschinen, Fräsmaschinen, Hobelmaschinen, Schleifmaschinen. Für jede Maschinengruppe ein vollständiger Satz Normdaten, um zu berechnen, wie lange eine Operation wirklich dauert.

Das Verfahren, das Wołk beschreibt, heißt analytisch-rechnerische Methode und funktioniert so. Der Arbeitsvorbereiter zerlegt die Operation in einzelne Bearbeitungsschritte. Für jeden Schritt werden die Schnittbedingungen aus den Tabellen gewählt - Schnittgeschwindigkeit, Vorschub, Anzahl der Schnitte - unter Berücksichtigung von Werkstoff, Werkzeug und wirtschaftlicher Standzeit. Daraus ergibt sich die Hauptzeit t_g: die Zeit, in der das Werkzeug tatsächlich zerspant. Aus weiteren Tabellen kommen dann die Nebenzeit t_p (Auf- und Abspannen des Teils, Ändern der Schnittbedingungen, Messen im Prozess) und die Rüstzeit t_pz für das ganze Los. Die Summe ergibt, mit Zuschlägen, die Zeitnorm für die Operation.

Das ist solide, erprobte Ingenieurarbeit. Sie hat nur einen Haken: Ihre Anwendung ist teuer. Ein nicht triviales Teil auf diesem Weg durchzurechnen, kostet Stunden eines erfahrenen Mitarbeiters. Für eine Anfrage mit drei Positionen, von denen der Kunde eine oder keine bestellt, können sich das die wenigsten Betriebe leisten. Also wird nach Augenmaß kalkuliert, aus Erfahrung. Manchmal genau. Manchmal 40 % zu niedrig - und der Betrieb zahlt dafür, das Teil zu fertigen. Manchmal 40 % zu hoch - und der Auftrag geht still und leise an den Wettbewerb.

Die Physik ist nicht gealtert

Das gehört klar gesagt: Die Zusammenhänge, auf denen Wołks Buch aufbaut, gelten bis heute. Der Zusammenhang zwischen Schnittgeschwindigkeit und Standzeit ist seit Taylor bekannt, seit Anfang des 20. Jahrhunderts. Schnittkräfte und Leistung, die Wahl von Vorschub und Schnitttiefe, die Aufteilung der Operationszeit in Haupt-, Neben- und Rüstanteile - genau das lehren technische Hochschulen bis heute, und genau dieselbe Zerlegung steckt in jedem ernsthaften Kostenmodell für die Zerspanung, das seither entstanden ist.

Gealtert sind die Zahlen in den Tabellen. Die Normen von 1972 waren auf Schnellarbeitsstahl, frühe Hartmetalle und den damaligen Maschinenpark kalibriert. Heutige beschichtete Wendeschneidplatten zerspanen um ein Vielfaches schneller, und CNC hat die Anteile der Nebenzeiten vollständig verschoben. Das Modell hat überlebt, die Koeffizienten sind weggedriftet. Merken Sie sich diesen Gedanken - wir kommen darauf zurück.

Alles rund um die Kalkulation wurde automatisiert

In fünfzig Jahren hat die Automatisierung dem Arbeitsvorbereiter Schritt für Schritt Handarbeit abgenommen - alles, bis auf eine Aufgabe.

Zuerst das Programmieren. Schon 2008 berichtete die Fachpresse über CAM-Systeme mit automatischer Feature-Erkennung (feature-based machining): Software, die das Modell des Teils selbstständig analysierte und Taschen, Konturen, Absätze und Bohrbilder „mit minimalem Eingriff des Anwenders" programmierte. Was früher stundenlang am Zeichenbrett und später im G-Code-Editor entstand, lief plötzlich automatisch.

Dann die Daten aus der Fertigung. Aktuelle Forschung - etwa die Architektur, die ein Team der TU Wien 2023 auf der CIRP ICME vorgestellt hat - zeigt Systeme, in denen Maschinen- und Sensordaten über OPC UA und STEP-NC automatisch mit einzelnen geometrischen Merkmalen des Teils verknüpft werden. Industrie 4.0, digitale Zwillinge, Maschinen, die ihre eigene Arbeit in Echtzeit melden.

Und die Kalkulation? In den meisten Betrieben läuft sie heute so ab wie 1972 - nur dass die Wołk-Tabellen durch eine Tabellenkalkulation und die Erfahrung des Inhabers ersetzt wurden. Eine Anfrage kommt per E-Mail, liegt einen bis drei Tage in der Warteschlange, jemand öffnet das Modell, sieht es sich an, schätzt, antwortet. Der erste Kontakt des Kunden mit dem Betrieb - der Moment, in dem die Auftragsentscheidung tatsächlich fällt - ist die letzte vollständig manuelle Aufgabe der ganzen Kette geblieben.

Und das kostet echtes Geld. Nicht nur die Zeit, die für Rechnerei statt für Arbeitsplanung draufgeht. Vor allem kostet es Aufträge: Ein Kunde, der seine Anfrage an fünf Betriebe geschickt hat, kauft oft bei dem, der als Erster mit einem vernünftigen Preis zurückkommt. Eine Antwort nach drei Tagen ist häufig eine Antwort an niemanden.

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Was ein Algorithmus mit einer STEP-Datei macht

Eine moderne Kalkulations-Engine erledigt in unter einer Minute genau das, was der Arbeitsvorbereiter mit den Tabellen getan hat - und im Kern in derselben Reihenfolge.

Zuerst liest sie die Geometrie. Aus der STEP-Datei holt der Algorithmus den Körper, sein Volumen und seine Oberfläche, erkennt Bohrungen mit Durchmesser und Tiefe, Taschen mit Eckenradien, Gewindekandidaten, Drehteile. Das ist derselbe Schritt, in dem der Mensch „die Operation in Bearbeitungsschritte zerlegt" - nur von einer Maschine erledigt.

Dann rechnet sie die Zeiten. Das abzutragende Volumen, geteilt durch das Zeitspanvolumen für den jeweiligen Werkstoff, ergibt die Schruppzeit. Die zu schlichtende Fläche und ihr Charakter (eben, rotationssymmetrisch, freigeformt) ergeben die Schlichtzeit. Jede Bohrung bekommt ihre eigene Bohrzeit aus Durchmesser und Tiefe. Das ist die Hauptzeit t_g, berechnet aus denselben physikalischen Zusammenhängen, die hinter den Tabellen von 1972 stehen.

Zum Schluss kommt dazu, was Wołk Rüstzeit nannte: das Rüsten der Maschine, getrieben von der Komplexität des Teils und der Zahl der Aufspannungen, die CAM-Programmierung, die Erstmusterprüfung - verteilt auf das Los. Toleranzklassen und Oberflächengüte wirken als Zeitfaktoren, ganz im Geist der alten Normen. Dazu der Werkstoff, gerechnet aus dem Halbzeug, Wärmebehandlung und Beschichtung, Marge. Heraus kommt ein Preis - in einer Minute, nicht in Stunden.

Wołk hat es vorausgesehen: Die Koeffizienten muss jeder Betrieb selbst messen

In der Einleitung seines Buches hat Wołk etwas getan, das aus heutiger Sicht fast prophetisch wirkt. Er ließ die Normen für die Verteilzeit t_u bewusst weg und schrieb, sie hingen vom organisatorischen und technischen Zustand des einzelnen Betriebs ab und „sollten von jedem Betrieb selbst erarbeitet werden, auf Grundlage der Beobachtung des Arbeitstages".

Mit anderen Worten: Das Modell ist allgemeingültig, die Koeffizienten sind es nicht. Jeder Betrieb hat andere Maschinen, andere Sätze, eine andere Organisation, andere Gewohnheiten. Eine Tabelle, die Ihren Betrieb nicht kennt, liegt immer daneben.

Genau das ist das Prinzip hinter der Kalibrierung in MetronQ. Die Engine kommt nicht mit starren Normen, die irgendwann irgendwo für irgendwen gepasst haben. Sie passt ihre Koeffizienten - den effektiven Maschinenstundensatz und die Rüstzeiten - an die historischen Kalkulationen eines bestimmten Betriebs an: Sie nimmt Teile, die Sie bereits auf Ihre Art bepreist haben, und lernt, so zu kalkulieren wie Sie, nur schneller. Wołk forderte von jedem Betrieb, sein eigenes t_u aus der Beobachtung des Arbeitstages zu bestimmen. Wir fordern von der Engine, es aus Ihren eigenen Preisen zu bestimmen.

Die Maschine rechnet, die Arbeitsvorbereitung entscheidet

Eines lehren fünfzig Jahre Geschichte der Zeitermittlung mit aller Deutlichkeit: Keine Tabelle und kein Algorithmus ersetzt das Urteil eines erfahrenen Fachmanns dort, wo das Teil ungewöhnlich ist. Dünne Wände, tiefe Bohrungen, schlanke Wellen, Schweiß- und Gusskonstruktionen, Geometrien am Rand der Fertigbarkeit - das sind die Fälle, in denen die Automatik sagen können muss: „Das weiß ich nicht, hier soll ein Mensch draufschauen."

Deshalb ist das sinnvolle Arbeitsmodell nicht die vollständige Automatisierung, sondern Automatisierung mit Freigabe. Die Engine analysiert die Geometrie, berechnet den Preis und bereitet die vollständige Kostenaufstellung auf, während die Arbeitsvorbereitung das Ergebnis prüft und entscheidet, bevor der Kunde es sieht. Teile mit riskanten Merkmalen - eine dünne Wand, eine tiefe Bohrung, eine ungewöhnliche geometrische Signatur - gehen automatisch in die Prüfung, unabhängig davon, was die Rechnung sagt. Der Mensch verlässt den Prozess nicht. Nur seine Rolle ändert sich: vom Rechnen zum Beurteilen.

Und das ist vielleicht die beste Pointe dieser Geschichte. Seit 1972 hat sich weniger geändert, als man denkt - die Tabellen gibt es noch, sie sind nur vom Regal über dem Schreibtisch in die Software gewandert, und das Umblättern übernimmt jetzt eine Maschine. Der Fachmann tut das, was er immer am besten konnte: Er sieht sich das Teil an und beurteilt, ob der Preis stimmt. Es dauert nur eine Minute statt einer Stunde - und der Kunde bekommt noch am selben Tag eine Antwort, nicht erst nach drei Tagen. So funktioniert die Kalkulation in MetronQ; aber welches Werkzeug es auch sei - wenn die Anfragen in Ihrem Betrieb noch immer bei einer Person mit einer Tabellenkalkulation Schlange stehen, ist das vermutlich die teuerste Warteschlange im Unternehmen.

PS Wenn Sie wissen wollen, was es kostet, diese Warteschlange loszuwerden - werfen Sie einen Blick auf die Tarife.