So tragen Sicherheitsprinzipien zur Verbesserung der Produktzuverlässigkeit bei

Gerade, wenn wir etwas sehr dringend benötigen, geht es kaputt. Ausgerechnet dann, wenn wir besonders wenig Zeit haben, stellen sich uns Barrieren in den Weg, die noch mehr Zeit kosten. Wahrscheinlich hat jeder der dies liest, schon einmal eine solche Situation am eigenen Leib erfahren: „Wenn es zwei Möglichkeiten gibt, wie eine Aufgabe erfüllt werden kann und eine davon endet in einer Katastrophe, so wird diese eintreten.“ Spätestens jetzt muss der Kommentar kommen: Klar, das ist doch Murphys Gesetz! Dieses Gesetz, auch „Murphys Law“ genannt, ist eigentlich eine Lebensweisheit, die auf den US-amerikanischen Ingenieur Edward A. Murphy jr. (1918–1990) zurückgeht. In der Technik ist dieses Denkmuster bei bestimmten, riskanten Produkten besonders wichtig, um im Falle von unausweichlichen Fehlern das Schlimmste zu verhindern. In diesem Bereich wurden Gestaltungsprinzipien entwickelt, die sicherstellen, dass technische Systeme möglichst nicht versagen oder trotz Auftreten eines Fehlers sicher bzw. beherrschbar „versagen“. Und um welche Sicherheitsprinzipien es sich hierbei handelt erfahren Sie im folgenden Beitrag.

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Wie hängt die Produktzuverlässigkeit mit den Sicherheitsprinzipien zusammen?

Welches sind die entscheidenden Kaufargumente eines typischen Kunden beim Erwerb von technischen Gütern? Beim Autokauf zum Beispiel stehen laut einer Kundenbefragung, nach dem Preis, die Eigenschaften Zuverlässigkeit und (funktionale) Sicherheit ganz oben auf der Liste. Wenn sich diese Kriterien auch auf andere technische Güter übertragen lassen, müssen Hersteller ein hohes Interesse an der Sicherstellung dieser Produkteigenschaften haben. Diese Kundenbefragung spiegelt natürlich alleine die Wunschvorstellung der Kunden wider. Doch neben den Wünschen der Kunden, müssen Hersteller auch die Kostenaspekte und die Haftungsgefahren berücksichtigen, die aus unzuverlässigen oder unsicheren Produkten erwachsen können. Dazu ist es nötig zu verstehen, was diese beiden Begriffe im Detail bedeuten. Wie immer helfen uns hierbei technische Regelwerke:

Zuverlässigkeit [DIN 40041]:
„Fähigkeit einer Betrachtungseinheit, innerhalb der vorgegebenen Grenzen denjenigen durch den Verwendungszweck bedingten Anforderungen zu genügen, die an das Verhalten ihrer Eigenschaften während der gegebenen Zeitdauer gestellt sind.“

Sicherheit [DIN/VDE 31000 Teil 2]:
„Sicherheit ist eine Sachlage, bei der das Risiko nicht größer als das Grenzrisiko ist.” Hinweis: Als Grenzrisiko ist dabei das größte, noch vertretbare Risiko zu verstehen.

Unternehmen stehen nun vor der Aufgabe, zu Beginn jeder Entwicklung angemessene Zielsetzungen für die Sicherheit und Produktzuverlässigkeit ihrer Produkte zu finden. In Bezug auf die Produkteigenschaften sowie die inneren und äußeren Einflüsse der Produkte, stehen Hersteller vor dem Problem, dass diese nur bedingt planbar sind. Aus diesem Grund musste eine zweistufige Strategie erarbeitet werden, um diese Unsicherheit zu begrenzen, die auf folgendes abzielt:

1. Primäre Strategie: Reduzierung der Ausfallrate zur Erhöhung der Zuverlässigkeit.
2. Sekundäre Strategie: Begrenzung der Wirkung von Ausfällen zur Erhöhung der Sicherheit.

Die Logik der beiden Strategien wird im Folgenden näher erläutert.

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Management der Zuverlässigkeit für das „Safe Live“

Das vorrangige Ziel eines Herstellers ist die ausreichende Dimensionierung und funktionsgerechte Gestaltung von Einzelteilen, Baugruppen und dem gesamten Produkt, so dass diese während der vorgesehenen Lebensdauer ohne Störungen oder Ausfälle funktionieren. Dass Ausfall nicht gleich Ausfall ist, zeigt uns die Grafik auf dieser Seite anhand der Ausfallsystematik von Produkten während der gesamten Lebensdauer:

1. Bereich der Frühausfälle
Das vorrangige Ziel eines Herstellers ist die ausreichende Dimensionierung und funktionsgerechte Gestaltung von Einzelteilen, Baugruppen und dem gesamten Produkt, so dass diese während der vorgesehenen Lebensdauer ohne Störungen oder Ausfälle funktionieren. Dass Ausfall nicht gleich Ausfall ist, zeigt uns die Grafik auf dieser Seite anhand der Ausfallsystematik von Produkten während der gesamten Lebensdauer:

• Werkstofffehler,
• Konstruktionsfehler,
• Fertigungsfehler,
• Montagefehler,
• Transportschäden,
• usw.

Maßnahmen zur Vermeidung dieser Fehler sind z.B. Konstruktions-FMEA, Simulationen, Versuche (Validierung), Nullserie, Qualitätskontrollen in der Fertigung, Prozess-FMEA, usw.

2. Bereich der Zufallsausfälle
Ausfallursachen sind in diesem Zeitraum zum einen falsches Nutzerverhalten, wie Fehlbedienung, nicht Beachtung der Umgebungsbedingungen,falsche Wartungsintervalle usw. Zum anderen wird in diesem Zeitraum die statistische Fertigungsstreuung wirksam, was ggf. zu vorzeitigem Ausfall aufgrund ungünstiger Kumulation von Toleranzen führt. Abhilfe schafft hier die Instruktion des Kunden, damit dieser das Produkt korrekt bedient und wartet, sowie die Reduzierung der Streuung in der Fertigung (Six Sigma).

3. Bereich der Ausfälle durch Verschleiß und Ermüdung
Nach der vorgesehenen Nutzungsdauer des Produktes kommt zunehmender Alterungsverschleiß zustande und die Ausfallrate steigt signifikant an (Abrieb bei beweglichen Teilen, Rissbildung bei Dauer- oder Wechselbelastung, Korrosion oder Versprödung). Als Maßnahme in diesem Bereich ist sicherzustellen, dass die Lebensdauer im Rahmen der Entwicklung für die Anwendungsfälle korrekt dimensioniert wird.

Wie Sie Ihre Produktsicherheit mit Hilfe des „Fail Safe“ steigern können

Da sich nicht alle Fehler 100%-ig vermeiden lassen, hilft der sekundäre Gedanke, auf riskante Fehler vorbereitet zu sein. Die Idee des „Fail Safe“ kann mit „beschränktem Versagen“ übersetzt werden und soll sicherstellen, dass ein System im Fehlerfall nicht in einen unkontrollierbaren und potenziell gefährlichen Zustand fällt. Dazu gibt es grundlegende Konstruktionsprinzipien:

• Fail Safe durch unverlierbare Eigenschaften; Beispiele: Eine Bremse sollte immer im energielosen Zustand geschlossen sein. Druckfedern behalten gegenüber Zugfedern auch bei Bruch noch eine gewisse Federwirkung.
• Fail Safe durch sicherheitsgerichtete Ausfallreaktion; Beispiele: Ein Schwerkraftrelais schaltet bei Ausfall immer einen „Notstromkreis“ ein. Die Räder eines Formel1-Boliden werden beim Achsbruch mit Seilen gehalten.

Ein Wehmutstropfen bleibt: Diese Möglichkeiten funktionieren nur für bekannte oder vorhersehbare Ausfälle.

Was hat das Prinzip der Redundanz mit der Verbesserung der Produktzuverlässigkeit zu tun?

Eine weitere Strategie zur Verringerung der Bedeutung von Fehlern ist das Prinzip der Redundanz. Redundante Anordnung bedeutet, dass zur Erfüllung einer Funktion mehrere Bauteile oder Baugruppen vorhanden sind, als eigentlich erforderlich wären. Fällt ein Element aus, übernimmt das andere Element dessen Funktion teilweise oder vollständig.

Aber Achtung:
Doppelt ausgeführte identische Bauteile erhöhen das Sicherheitsniveau dann nicht, wenn zum Beispiel beide aufgrund desselben Konstruktionsfehlers versagen. Hier gilt die Regel: Unterschiedliche Wirkprinzipien zu nutzen. Beispiel: Nicht zwei identische Überdruckventile vorsehen, sondern ein Ventil und parallel eine Berstscheibe.

Ich wünsche Ihnen gutes Gelingen,
Ihr Reinhold Kaim

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