Von Zeitnormtabellen aus dem Jahr 1972 zu Algorithmen. Warum die CNC-Kalkulation noch wie vor einem halben Jahrhundert funktioniert

Die Wissenschaft der Bearbeitungszeitermittlung ist seit Jahrzehnten gelöst. Das Problem war nie fehlendes Wissen - es waren die Kosten seiner Anwendung. Dieser Artikel handelt davon, warum die Angebotskalkulation zur letzten manuellen Aufgabe im CNC-Betrieb wurde und was passiert, wenn sie es endlich nicht mehr ist.

1972, der Schreibtisch eines Arbeitsplaners

Im Jahr 1972 veröffentlichte der polnische Wissenschaftsverlag Wydawnictwa Naukowo-Techniczne ein Buch, an das sich manche Arbeitsplaner in Polen bis heute erinnern: „Normowanie czasu pracy na obrabiarkach do obróbki skrawaniem" („Zeitnormung der Arbeit an spanenden Werkzeugmaschinen") von Dr. Romuald Wołk. Über fünfhundert Seiten Tabellen und Richtwerte: Leit- und Zugspindeldrehmaschinen, Revolverdrehmaschinen, Mehrspindelautomaten, Bohrwerke, Fräsmaschinen, Hobelmaschinen, Schleifmaschinen. Für jede Maschinengruppe ein vollständiger Satz Normdaten, um zu berechnen, wie lange eine Operation wirklich dauert.

Die Methode, die Wołk beschreibt, heißt analytisch-rechnerische Methode und funktioniert so: Der Planer zerlegt die Operation in Bearbeitungsschritte. Für jeden Schritt werden aus den Tabellen die Schnittbedingungen gewählt - Geschwindigkeit, Vorschub, Anzahl der Schnitte - unter Berücksichtigung von Werkstoff, Werkzeug und wirtschaftlicher Standzeit. Daraus wird die Hauptzeit t_g berechnet: die Zeit, in der das Werkzeug tatsächlich schneidet. Anschließend kommen aus weiteren Tabellen die Nebenzeit t_p (Spannen und Entspannen des Teils, Ändern der Schnittbedingungen, Messen im Prozess) und die Rüstzeit t_pz für das gesamte Los. Die Summe ergibt mit Zuschlägen die Zeitnorm der Operation.

Das ist solide, bewährte Ingenieurarbeit. Sie hat nur einen Fehler: Ihre Anwendung ist teuer. Ein nicht triviales Teil mit dieser Methode durchzurechnen kostet Stunden qualifizierter Ingenieurzeit. Für eine Anfrage mit drei Positionen, von denen der Kunde eine oder keine bestellt, können sich das die wenigsten Betriebe leisten. Also werden Teile nach Augenmaß kalkuliert, aus Erfahrung. Manchmal trifft es. Manchmal liegt der Preis 40 % zu niedrig - und der Betrieb legt beim Fertigen drauf. Manchmal 40 % zu hoch - und der Auftrag wandert still zur Konkurrenz.

Die Physik ist nicht gealtert

Man muss es klar sagen: Die Zusammenhänge, auf denen Wołks Buch aufbaut, gelten bis heute. Die Beziehung zwischen Schnittgeschwindigkeit und Standzeit ist seit Taylor bekannt, seit Anfang des 20. Jahrhunderts. Schnittkräfte und Leistung, die Wahl von Vorschub und Schnitttiefe, die Zerlegung der Operationszeit in Haupt-, Neben- und Rüstanteile - genau das lehren technische Hochschulen noch heute, und exakt dieselbe Zerlegung steckt in jedem ernstzunehmenden Kostenmodell der Zerspanung, das seither gebaut wurde.

Gealtert sind die Zahlen in den Tabellen. Die Normen von 1972 waren auf Schnellarbeitsstahl, frühe Hartmetalle und den Maschinenpark jener Zeit kalibriert. Heutige beschichtete Wendeschneidplatten schneiden um ein Mehrfaches schneller, und CNC hat die Proportionen der Nebenzeiten völlig verändert. Das Modell hat überlebt; die Koeffizienten sind gedriftet. Diesen Gedanken bitte festhalten - wir kommen darauf zurück.

Alles rund um die Kalkulation wurde automatisiert

Über fünfzig Jahre hat die Automatisierung dem Arbeitsplaner Schritt für Schritt die manuelle Arbeit abgenommen - alles bis auf eine Aufgabe.

Zuerst die Programmierung. Schon 2008 berichtete die Fachpresse über CAM-Systeme mit automatischer Feature-Erkennung (Feature-Based Machining): Software, die das Teilemodell selbstständig analysierte und Taschen, Konturen, Absätze und Bohrbilder „mit minimalem Benutzereingriff" programmierte. Was ein Ingenieur früher stundenlang am Zeichenbrett und später im G-Code-Editor tat, begann automatisch zu geschehen.

Dann die Daten aus der Werkhalle. Aktuelle Forschung - etwa die 2023 auf der CIRP-ICME-Konferenz vorgestellte Architektur eines Teams der TU Wien - zeigt Systeme, in denen Maschinen- und Sensordaten über OPC UA und STEP-NC automatisch mit konkreten Geometriemerkmalen des Teils verknüpft werden. Industrie 4.0, digitale Zwillinge, Maschinen, die ihre Arbeit in Echtzeit selbst rapportieren.

Und die Kalkulation? In den meisten Zerspanungsbetrieben sieht sie heute aus wie 1972 - nur dass die Wołk-Tabellen durch eine Excel-Tabelle und die Erfahrung des Inhabers ersetzt wurden. Eine Anfrage kommt per E-Mail, wartet ein bis drei Tage in der Warteschlange, jemand öffnet das Modell, schaut, schätzt, antwortet. Der erste Kontakt des Kunden mit dem Betrieb - der Moment, in dem die Bestellentscheidung tatsächlich fällt - ist die letzte vollständig manuelle Aufgabe der ganzen Kette geblieben.

Und das kostet echtes Geld. Nicht nur die Zeit des Ingenieurs, der rechnet statt Prozesse zu planen. Vor allem kostet es Aufträge: Ein Kunde, der eine Anfrage an fünf Betriebe geschickt hat, kauft oft beim ersten, der mit einem vernünftigen Preis zurückkommt. Eine Antwort nach drei Tagen ist häufig eine Antwort an niemanden.

Was ein Algorithmus mit einer STEP-Datei macht

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

Zuerst liest sie die Geometrie. Aus der STEP-Datei extrahiert der Algorithmus den Volumenkörper, sein Volumen und seine Oberfläche, erkennt Bohrungen mit Durchmessern und Tiefen, Taschen mit Eckenradien, Gewindekandidaten, Drehteile. Das ist derselbe Schritt, in dem der Ingenieur „die Operation in Bearbeitungsschritte zerlegt" - nur von einer Maschine ausgeführt.

Dann berechnet sie die Zeiten. Das zu zerspanende Materialvolumen, geteilt durch das Zeitspanvolumen für den jeweiligen Werkstoff, ergibt die Schruppzeit. Die zu schlichtende Fläche und ihr Charakter (eben, rotationssymmetrisch, Freiform) 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 addiert sie, was Wołk die Rüstzeit nannte: das Einrichten der Maschine in Abhängigkeit von Teilekomplexität und Anzahl der Aufspannungen, die CAM-Programmierung, die Erstmusterprüfung - umgelegt auf das Los. Toleranzklassen und Oberflächengüte wirken als Zeitmultiplikatoren, ganz im Geist der alten Normen. Dazu Material aus dem Rohteil, Wärmebehandlung und Beschichtungen, Marge. Heraus kommt ein Preis - in einer Minute statt in Stunden. Jeden dieser Schritte beschreibt die Dokumentation Wie eine Kalkulation entsteht.

Designed by Magnific

Wołk hat es kommen sehen: Die Koeffizienten muss man im eigenen Betrieb messen

In der Einleitung seines Buches tat Wołk etwas, 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 jedes einzelnen Werks ab und „sollten von jedem Werk individuell erarbeitet werden, auf Grundlage der Beobachtung des Arbeitstages".

Mit anderen Worten: Das Modell ist universell, aber die Koeffizienten sind lokal. Jeder Betrieb hat andere Maschinen, andere Stundensätze, andere Organisation, andere Gewohnheiten. Eine Tabelle, die deinen Betrieb nicht kennt, wird immer danebenliegen.

Genau das ist das Prinzip der Kalibrierung in MetronQ. Die Engine kommt nicht mit starren Normen, die irgendwann irgendwo gepasst haben. Stattdessen passt sie ihre Koeffizienten - den effektiven Stundensatz und die Rüstzeiten - an die historischen Angebote eines konkreten Betriebs an: Sie nimmt Teile, die du bereits auf deine Weise kalkuliert hast, und lernt, so zu kalkulieren wie du, nur schneller. Wołk trug jedem Werk auf, sein t_u aus der Beobachtung des Arbeitstages zu bestimmen. Wir tragen der Engine auf, es aus deinen eigenen Preisen zu bestimmen.

Die Maschine rechnet, der Technologe entscheidet

Noch etwas lehren fünfzig Jahre Zeitnorm-Geschichte in aller Klarheit: Keine Tabelle und kein Algorithmus ersetzt das Urteil eines erfahrenen Ingenieurs, wenn 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 Automatisierung sagen können sollte: „Ich weiß es nicht, das soll sich ein Mensch ansehen."

Deshalb ist das vernünftige Arbeitsmodell nicht die Vollautomatisierung, sondern Automatisierung mit Freigabe. Die Engine analysiert die Geometrie, berechnet den Preis und bereitet die vollständige Kostenaufschlüsselung vor, während der Technologe 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 die Rolle ändert sich: vom Rechnen zum Urteilen.

Und das ist vielleicht die beste Pointe dieser Geschichte. Seit 1972 hat sich weniger geändert, als man denkt - die Tabellen existieren noch, sie sind nur vom Regal über dem Schreibtisch in die Software gewandert, und das Blättern übernimmt jetzt eine Maschine. Der Ingenieur tut, was er immer am besten konnte: Er schaut auf das Teil und beurteilt, ob es richtig kalkuliert wurde. Es dauert nur eine Minute statt einer Stunde - und der Kunde bekommt die Antwort am selben Tag, nicht drei Tage später. So funktioniert die Kalkulation in MetronQ, aber ganz gleich mit welchem Werkzeug: Wenn sich Anfragen in deinem Betrieb noch bei einer Person mit einer Excel-Tabelle stauen, ist das vermutlich die teuerste Warteschlange im Unternehmen.

PS Wer nachrechnen will, was es kostet, diese Warteschlange loszuwerden - ein Blick auf die Preise.

Und was den Teilepreis heute konkret aufbaut - Material, Losgröße, Toleranzen, Zusatzoperationen - zeigt aus Sicht des Bestellers unser Ratgeber zum Kalkulieren der Zerspanung.