LeiKom-Handbuch Produkt Instrumente zur Entwick- lung - IfG

3.4 Leichtbau durch Absenkung von Sicherheitsfaktoren
Sicherheitsfaktoren spielen in der Konstruktion mechanischer Systeme eine zentrale Rolle
bei der Auslegung und Dimensionierung sowie der Werkstoffauswahl. Je nach Belastungsart
und Lastfall (statisch, dynamisch, zyklisch) können Sicherheitsaufschläge von bis zu 1000%
gegenüber dem Mittelwert der Belastung (z.B. für Spitzenlastereignisse) verlangt werden.
Die Wahl eines geeigneten formbestimmenden Lastfalls wird damit zum Ausgangspunkt für
alle nachfolgenden Berechnungen. Insbesondere bei Erwartung multipler Lastfälle sind Konstruktionen
so zu dimensionieren, dass sie auch unter ungünstigsten Bedingungen das Überleben
des Systems sicherstellen. Dies führt u. U. zu unsinnig hohen Sicherheitsaufschlägen
für Spitzenlastereignisse, die sich durch Vielparameteroptimierung oder durch eine Überarbeitung
des Gesamtkonzeptes hin zu einer differentialen oder adaptiven Bauweise absenken
lassen.
Prozess- und werkstoffbedingte Sicherheitsaufschläge bieten weiteres Potenzial für eine
Reduzierung der Bauteilmassen, welches es unter Ausnutzung des Standes der Technik und
durch die zeitnahe Umsetzung von Erkenntnissen aus Forschung und Entwicklung bei Wahrung
der Prozessfähigkeit und Produktsicherheit zu heben gilt. Bei der Herstellung von
Gusskomponenten spielen hierbei insbesondere neue Erkenntnisse über den Einfluss von
Legierungs-, Begeleit- und Störelementen, die Reinheit des Einsatzmaterials und der verwendeten
Rohstoffe sowie ein funktionierendes Prozessmonitoring und eine ausreichende
Qualifizierung der Produktionsmitarbeiter eine wichtige Rolle. Fertigungsprozesse, welche
hohe Sicherheitsaufschläge aufgrund unzureichender Prozesssicherheit erfordern, sind auf
Dauer nicht nur unrentabel und unter Gesichtspunkten von TQM und Six-Sigma nicht tragbar,
sondern werden von Seiten der Automobilhersteller auch in zunehmendem Maße abgelehnt
werden.
Von Konstrukteuren werden zur betriebsfesten Auslegung von Bauteilen insbesondere die
Richtlinien des Forschungskuratoriums Maschinenbau (FKM) herangezogen (Rechnerischer
Festigkeitsnachweis für Maschinenbauteile, Bruchmechanischer Festigkeitsnachweis). In
beiden Regelwerken finden sich zahlreiche Hinweise zur betriebsfesten Bemessung von
Konstruktionen unter Einbeziehung entsprechender Sicherheitsfaktoren, welche z. T. auf
Vorschlägen basieren, die 50 Jahre und länger zurückliegen. Moderne Berechnungsprogramme
erlauben heute eine exaktere Vorausberechnung der zu erwartenden Lasten, so
dass konstruktionstechnische Sicherheitsaufschläge inzwischen überprüfbar sind und ggf.
angepasst werden können. Auch die Entwicklung der Werkstoffe ist nicht stehengeblieben.
Inzwischen existiert für die meisten Werkstoffe eine Vielzahl von Kennwerten, die leider noch
nicht in allen Werkstoffdatenbanken vollständig hinterlegt sind. Nur teilweise erforscht wurde
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