Für Entwickler und Konstrukteure ist es eine ganz natürliche Sache, einen Sicherheitsfaktor auf die Ergebnisse von Berechnungen aufzuschlagen. Teils ist der Sicherheitsfaktor sogar vorgeschrieben, beispielsweise ein Faktor 10 für Aufzugsseile. Üblich ist es, mit doppelter Sicherheit zu rechnen, also alle Teile eines Produkts so zu dimensionieren, dass sie die zweifache Belastung dessen aushalten, was vom Ingenieur als maximale Belastung festgelegt wurde.
Inzwischen ist immer wieder die Rede davon, dass Produkte früher gerne überdimensioniert wurden und heutige Simulations- und Analysemethoden es erlauben, diese Überdimensionierung – und damit den Sicherheitsfaktor – herabzusetzen. Das macht ja auch Sinn – Material in der Fertigung wird eingespart, das Produkt wird leichter, einfacher zu transportieren, Energie wird gespart.
Aber für was steht denn eigentlich der Sicherheitsfaktor? In mancher Diskussion scheint es, als sei es ein „Feigheitszuschlag“, den der Ingenieur draufschlägt, weil er seinen Berechnungen nicht vertraut. Das stimmt im Prinzip – es handelt sich aber nicht um Feigheit, sondern um die Maschinenbauer-Version des Satzes von Sokrates: „Ich weiß, dass ich nicht weiß“.
Jim Heppelmann von PTC sagte im Sommer sinngemäß: „Ingenieure sind große Meister darin, die zukünftigen Umweltbedingungen, denen ein Produkt ausgesetzt ist, schon heute vorherzusehen.“ Genau darum geht es. Eine wichtige Aufgabe – eigentlich sogar die wichtigste, da sie die Basis aller Berechnungen bildet – ist die Festlegung der Umweltbedingungen, des Nutzungsprofils und der Aufgaben des Produkts. Da selbst der beste Ingenieur nicht in die Zukunft sehen kann, ist man auf den „educated guess“ angewiesen.
Und diese Festlegung ist nicht trivial – schon alleine, die vorhersehbaren Belastungen aus bestimmungsgemäßem Gebrauch vollständig und in der richtigen Größe zu bestimmen, gleicht bei komplexeren Systemen einer Herkulesaufgabe. Und dann kommt noch der nicht bestimmungsgemäße Gebrauch hinzu, der ganz ungeplante Belastungen erzeugen kann.
Der Sicherheitsfaktor setzt sich also aus verschiedenen Komponenten zusammen:
- Unsicherheit, wie die vorhersehbaren Kräfte ertragen werden
- Sicherheitsfaktor für unsachgemäßen Gebrauch
- Aufschlag für schlechte Wartung/Verschleiß/usw.
- Polster für Unvorhergesehenes
Simulationen können immer nur das abbilden, was man hineinsteckt an Informationen – das kann ein trügerisches Sicherheitsgefühl auslösen. Das heißt nicht, dass Simulationen nutzlos sind, im Gegenteil. Sie sind optimal, um Bauteile zu verifizieren – aber man muss eben im Hinterkopf haben, dass sie immer nur einen Teil der Realität abbilden. Dieser Teil der Realität ist mit Simulation jedoch sehr genau zu verifizieren – ich kann also tatsächlich die erstgenannte und Teile der zweiten Komponente oben aus der Rechnung herausnehmen oder sie reduzieren, da ich in den simulierten Bereichen genau weiß, wo die individuelle Belastungsgrenze liegt.
IoT-Technologien versprechen einen Rückkanal, der dem Entwickler Informationen aus dem realen Leben seiner Produkte liefert. Damit lassen sich Annahmen für die Entwicklung von Nachfolgemodellen oder ähnlichen Produkten auf besser gesicherter Basis treffen. Die tatsächliche Nutzung zu kennen, ermöglicht es, die ersten drei Komponenten genauer zu erfassen.
So helfen moderne IT-Methoden dem Konstrukteur dabei, vieles, was früher im Ungefähren lag, relativ genau zu erfassen – und was man weiß, muss man nicht mit geschätzten Sicherheitsfaktoren belegen. Die Unsicherheit, nicht alle möglichen Einflüsse und Randbedingungen erfasst zu haben, wird jedoch immer bleiben. Diese Unsicherheit, also die vierte Komponente oben, in einen vernünftigen Sicherheitsfaktor umzuwandeln, ist nach wie vor Aufgabe des Entwicklers und Konstrukteurs – und diese Aufgabe wird uns bleiben.
Übrigens: Das Video, aus dem das obige Bild stammt, wurde von PTC auf der PTC Live Global 2013 gezeigt: