Konstruieren sicherheitsgerechter Produkte Alfred Neudörfer Konstruieren sicherheitsgerechter Produkte Methoden und systematische Lösungssammlungen zur EG-Maschinenrichtlinie 6., aktualisierte Aufl age Alfred Neudörfer Technische Universität Darmstadt Darmstadt, Deutschland Nagaoka University of Technology Nagaoka, Japan ISBN 978-3-642-45446-2 ISBN 978-3-642-45447-9 (eBook) DOI 10.1007/978-3-642-45447-9 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografi e; detaillierte bibliografi sche Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufb ar. Springer Vieweg © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1997, 2002, 2005, 2011, 2013, 2014 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht aus- drücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfi lmungen und die Ein- speicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk be- rechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürft en. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. www.springer-vieweg.de V Vorwort zur sechsten Auflage Die Sicherheit heutiger Maschinen hat ein erfreulich hohes Niveau erreicht. Das ist nicht nur Verdienst der Europäischen Gesetzgebung oder der Mitglie- der zahlreicher Normungsgremien, die sicherheitsrelevante Erkenntnisse und Daten zu Lösungen transferiert haben, die für alle tragbar sind. Vor allem wa- ren es Konstrukteure, die diese Vorgaben mit der ihnen eigenen Kreativität und Erfahrungen in praktikable Lösungen umgesetzt haben. Diese Publikation soll zu dieser positiven Entwicklung weiterhin einen kleinen Beitrag leisten. Die sechste Auflage wurde dazu genutzt, einerseits aktuelle sicherheitstech- nische Entwicklungen, z. B. Nutzung der RFID-Technik, sowie hilfreiche Er- kenntnisse und Methoden aus der Praxis der Risikobeurteilung und der Pro- dukthaftung zu berücksichtigen, andererseits bestimmte sicherheitsrelevante Sachverhalte zu präzisieren. Anhand von Beispielen wird verdeutlicht, mit wel- cher Strategie und Taktik die in EN-Normen niedergeschriebenen Sicherheits- abstände für trennende bzw. berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen zu bestimmen und anzuwenden sind. Zahlreiche konstruktive Verbesserungsvorschläge und Korrekturen auf- merksamer Leser sowie Anregungen der Teilnehmer von Konstruktionssemi- naren sind in diese Auflage eingeflossen. Der Dank des Autors gilt allen, die zur Verbesserung der Inhalte beigetra- gen haben. Alfred Neudörfer Bensheim, im August 2014 VI Vorwort zur ersten Auflage Vorwort zur ersten Auflage Produkte sicherheitsgerecht auszulegen und zu konstruieren geht über das Einh alten von Vorschriften hinaus. Sicherheitsgerecht zu konstruieren fordert Kons trukteure genauso heraus, wie die konstruktive Umsetzung aller anderen Anford erungen, deren Erfüllung erf olgreiche marktgerechte Produkte ausma- chen. Durch die Verwirklic hung des Binnenmarkts hat sich der Bedarf nach Informat ionen über das Ge stalten sic herheitsgerechter Produkte erhöht. Das dazu benöt igte Wissen ist zwar vorhand en, aber auf zahlreiche Quellen unter- schiedlichster Natur verteilt, vom Fach buch bis zum umfangreichen Vorschrif- tenwerk. Es wird meistens uneinheitlich dar geboten und vor allem in den Vor- schriften in einer den Konstrukteuren nicht immer geläufigen juristisch be- tonten Sprache verfasst. Ziel des vorliegenden Bu chs ist es, die wichtigsten sicherheitsrelevanten Erk enntnisse und Sachverhalte so kurz wie möglich und so ausführlich wie nötig in der Sprache der Konstrukteure wie derzugeben und sie deren Denkweise anzu passen. Die Idee zu diesem Buch geht auf ein Konstrukteurseminar zurück, das seit Jahr en das VDI-Wissensforum veranstaltet. Es entstand aus dem immer wie- der her ange tragenen Wunsch nach Unterstützung der Konstrukteure bei der Umsetzung der wichtigsten Anford erungen beim Konstruieren sicherheitsge- rechter Maschi nen und Produkte. Die wiedergege benen Sachverhalte gehen hauptsächlich auf praktische Erf ahrungen und persönliche Erkenntnisse des Verfassers während der langjährigen Tätig keit als Maschinenprüfer eines be- rufsgenossenschaftlichen Fachausschusses zurück. Beratungsgespräche bei Maschinenherstellern haben immer wieder bestätigt, wie nützlich und vor al- lem wie praktisch ein solider theo retischer Fundus aus den Gebieten der Me- chanik, des methodis chen Konstruier ens, der Sicherh eitstechnik und der Ergo- nomie sein kann. Das aus den praktischen Erfahrungen und deren systematischen Aufberei- tung hergeleitete und im Buch wiedergegebene Wis sen stützt sich zwar auf die theor etischen Grundlagen der Ergonomie, der Sicherheitswissenschaft und des me thodischen Konstruierens. Die theoretischen Ansätze werden hauptsächlich zur sy stematischen Gliederung des Stoffs und für seine didaktische Aufberei- tung hera ngezogen. Die Erkenntnisse und Darstell ungsmethoden sind zwar theoretisch nicht perfekt, haben sich jedoch in der Praxis als gut anwendbar und umsetzbar erwiesen, indem sie oft vor Ort nach einer Bera tung von Kons- trukteuren und Betriebspraktikern geholfen haben, Maschinen und Ver fahren sicherer und damit mens chengerechter zu gestalten. Die aus der Praxis, der Fachliteratur und dem Vorschriftenwerk gewonne- nen Er kenntnisse und Lösungsbeispiele erheben keinen Anspruch auf Voll- ständigkeit. Sie sind vielmehr ein Versuch, das in vielen Quellen uneinheitlich dargebotene Wissen und die mehr oder weniger bekannten sicherheitstechni- schen und ergo nomischen Problemlösungen aus der Praxis im Sinne des me- thodischen Kon strui erens so zusammenzufassen und systematisch derart auf- zubereiten, damit praxi serfah rene Konstrukteure, die oft schnell übertrag- bare Lösungsansätze suchen, zumind est eine Anregung zu Lösung eigener Konstruktions aufgaben finden. Aufbau und Darbietung der meisten systema- tischen Lösungssammlungen gehen auf Grundlagen des methodischen Konst- ruierens zurück, zahlrei che Beispiele sind bewusst an die komprimierte, für die Wissensvermittlung und Wissenspeicherung sehr wirkungsvolle Darstellungs- art der Konstruktionskataloge an gelehnt. Vorwort zur ersten Auflage VII Aber Vorsicht! Ein Buch kann in der heutigen dynamischen Entwicklung der si cherheits rechtlichen Gesetzgebung der Europäischen Union immer nur eine Mo mentaufnahme sein. Auch lassen sich die aufgeführten Lösungsbeispiele nicht ung eprüft auf je des Problem jeder Branche übertragen. Branchenspezifi- sche Lö sungen für glei che sicherheitstechnische Fragestellungen unterscheiden sich nicht selten in vie len Einzelheiten. Beispiele und Methoden sollen eher zu einer men schenbezog enen Denkrichtung der Konstrukteure hinführen, ihre Kreativität auf diesem Gebiet aktivieren und Anregungen zum eigenen Gestal- ten geben. Im kon kreten Fall sind eigene Lösungen zumindest mit den aktu- ellen normativen Festleg un gen abzustimmen, Konsultationen mit den für die Prüfung der jeweiligen Ma schinen autorisierten Prüf- oder Zertifizierungsstel- len sind empfehlenswert. Mein herzlicher Dank gilt allen, die an der Entstehung dieses Buchs beteiligt wa ren. Zu besonderem Dank bin ich meiner Frau Ursula verpflichtet, in de- ren Hän den die Herstellung der umfangreichen Zeichnungen lag. Dank ihres zeich neri schen Könnens, ihrer besonderen Sorgfalt und ihres Gefühls für Äs- thetik, ist es ihr gelungen, in den bildlichen Darstellungen die Aufmerksamkeit auf das Wesent li che zu lenken. Meinem Sohn Thomas, der mit seinen umfang- reichen Kenntniss en der Rechnersysteme und Programme die Seiten gestaltet und den Umb ruch erstellt hat, gilt der gleiche Dank. Nicht zuletzt bedanke ich mich beim Springer-Verlag und allen seinen Mitarbeitern, die es ermöglicht ha- ben, eine Idee zu verwirk lichen. Möge das Buch einen Beitrag zur Gestaltung menschengerechter technischer Produkte leisten. Alfred Neudörfer Bensheim, im Juli 1996 IX Inhaltsverzeichnis 1 Einführung ...........................................................................1 1.1 Sichere Produkte sind Chefsache ......................................................1 1.2 Zum Buch ........................................................................................2 1.3 Konstruieren sicherheitsgerechter Produkte im Rückblick ...............4 1.4 Konstruieren sicherheitsgerechter Produkte heute ...........................6 1.5 Systematische Lösungssammlungen .................................................9 2 Rechtliche Anforderungen an sicherheitsgerechte Produkte .11 2.1 Allgemeine Rechtssystematik .........................................................11 2.1.1 Grundlegende rechtliche Aspekte .........................................11 2.1.2 Systematik des Produktsicherheitsrechts ..............................13 2.2 Europäisches Produktsicherheitsrecht ............................................14 2.2.1 Maschinenrichtlinie 2006/42/EG ..........................................17 2.2.2 Europäische Normen ............................................................22 2.2.3 Das Konformitätsbewertungsverfahren ................................26 2.2.4 Technische Unterlagen für Maschinen ..................................34 2.3 Nationales Produktsicherheitsrecht ...............................................38 2.3.1 Produktsicherheitsgesetz (ProdSG) .......................................38 2.3.2 Staatliches und Berufsgenossenschaftliches Regelwerk ..........41 2.3.3 Sicherheitszeichen an Produkten ...........................................44 2.4 Produkthaftung ..............................................................................48 2.4.1 Produkthaftungsgesetz ..........................................................49 2.4.2 Unbestimmte Rechtsbegriffe .................................................50 2.4.3 Produktfehler .......................................................................52 2.4.4 Sicherheitstechnische Nachrüstungen und deren Kosten ......55 2.4.5 Produktüberwachung ...........................................................56 2.4.6 Leit- und Merksätze zur Produkthaftung ..............................59 2.5 Zusammenfassung .........................................................................61 3 Der Mensch im Arbeitssystem .............................................63 3.1 Arbeitssystem .................................................................................63 3.2 Funktionelle Systeme von Maschinen .............................................68 3.2.1 Technisierungsstufe ...............................................................70 3.2.2 Äußere Funktionselemente von Maschinen ...........................72 3.2.3 Typologie der äußeren Funktionselemente ............................76 3.3 Zusammenfassung .........................................................................80 4 Gefährdungen und Risiken an und mit Maschinen .............81 4.1 Gefahr − Gefährdung − Risiko .......................................................81 4.2 Gefahren im Arbeitssystem .............................................................82 4.2.1 Stochastische und deterministische Gefahren ........................85 4.2.2 Mechanische Gefahren .........................................................92 4.2.3 Gefahr durch Anstoßen und Stürzen .....................................94 4.2.4 Gefahr durch plötzlich freiwerdende mechanische Energie ..98 X Inhaltsverzeichnis 4.3 Gefahrstellen ................................................................................107 4.3.1 Grundtypen von Gefahrstellen ............................................107 4.3.2 Verletzungen an Gefahrstellen ............................................109 4.3.3 Gefahrstellen der funktionellen Systeme .............................112 4.3.4 Typologie und Systematik der Gefahrstell en .......................114 4.4 Gefahren- und Gefährdungsanalysen ...........................................122 4.4.1 Zweck von Gefährdungsanalysen .......................................123 4.4.2 Durchführung von Gefährdungsanalysen ...........................123 4.4.3 Suchstrategie für Gefährdungen ..........................................127 4.5 Risikobeurteilung .........................................................................131 4.5.1 Umgang mit Risiken ...........................................................131 4.5.2 Risiken in und mit der Technik ...........................................132 4.5.3 Grenzrisiko, Restrisiko .......................................................136 4.5.4 Risikobeurteilung in der Praxis ..........................................138 4.5.5 Analytische Verfahren ........................................................140 4.5.6 Entscheidungsmatrizen und Risikographen .......................143 4.5.7 Branchenspezifische Risikobeurteilungen ...........................150 4.5.8 Risikobeurteilung von Abstürzen ........................................154 4.5.9 Dokumentation der Risikobeurteilung ...............................155 4.5.10 Nutzung zeitgemäßer Software-Tools ...........................159 4.6 Sicherheitswidriges Verhalten .......................................................163 4.6.1 Grundsätzliches zum Verhalten .........................................163 4.6.2 Menschliche Zuverlässigkeit ...............................................165 4.6.3 Verhaltensbedingte Unfälle .................................................169 4.6.4 Unfälle durch Reflexe .........................................................171 4.6.5 Unfälle durch unbewusstes und bewusstes Handeln ...........172 4.6.6 Manipulation von Schutzmaßnahmen ...............................173 4.6.7 Verhalten in gefährlichen Situation en .................................174 4.6.8 Vernünftigerweise vorhersehbare Fehlanwendung ...........177 4.7 Risikobeurteilung im Überblick ....................................................179 5 Sicherheitstechnik ..............................................................185 5.1 Sicherheitsstrategien .....................................................................185 5.1.1 Grundlegende Konstruktionsmaßnahmen ..........................187 5.1.2 Organisatorische Voraussetzungen ....................................189 5.2 Konstruktionsmaßnahmen gegen stochastische Gefährdungen .....192 5.2.1 Prinzip des sicheren Bestehens (safe life) .............................192 5.2.2 Prinzip des beschränkten Versagens (fail safe) ..................203 5.2.3 Prinzip der Redundanz .......................................................210 5.2.4 Zuverlässige Steuerungen ...................................................216 5.2.5 Normen zu sicherheitsrelevanten Teilen von Steuerungen. 221 5.2.6 Wahrscheinlichkeitstheoretische Auslegungsverfahren für Steuerungen ..................................................................226 5.2.7 Zusammenfassung ..............................................................241 5.3 Konstruktionsmaßnahmen gegen deterministische Gefährdungen 243 5.3.1 Drei Wege der Sicherheitstechnik ........................................243 5.3.2 Funktioneller Ablauf eines Unfalls ......................................245 5.4 Unmittelbare Sicherheitstechnik ...................................................247 5.4.1 Geometrische Gestaltungsmaßnahmen ...............................247 5.4.2 Energetische Gestaltungsmaßnahmen .................................261 Inhaltsverzeichnis XI 5.5 Mittelbare Sicherheitstechnik .......................................................272 5.5.1 Schutzeinrichtungen im Arbeitssystem ................................272 5.5.2 Schutzeinrichtungen: Grundtypen und Auswahlkriterien ....273 5.5.3 Trennende Schutzeinrichtungen ..........................................278 5.5.4 Fangende Schutzeinrichtungen ........................................278 5.5.5 Schutzhauben an Drehmaschinen und ...............................281 Fräsmaschinen .............................................................................281 5.5.6 Schutzhauben an Schleifmaschinen .....................................289 5.5.7 Schutzaufbauten an Fahrzeugen .........................................295 5.5.8 Grundlegende Bauarten trennender Schutzeinrichtungen ...297 5.5.9 Gestaltung trennender Schutzeinrichtun gen ........................301 5.5.10 Schutzeinrichtungen als Zukaufteile .................................312 5.5.11 Unverlierbare Befestigungsmittel ......................................315 5.5.12 Zusätzliche Funktionen trennender Schutzeinrichtungen 318 5.5.13 Abweisende Schutzeinrichtungen ......................................323 5.6 Verriegelungen und Zuhaltungen .................................................325 5.6.1 Funktionelle Kopplungen ...................................................325 5.6.2 Verriegelungen ...................................................................328 5.6.3 Verriegelungen mit Zuhaltung ...........................................330 5.6.4 Manuelles Entsperren von Zuhaltungen ...........................339 5.6.5 Arbeiten bei offenen Schutzeinrichtungen ..........................340 5.6.6 Akzeptanz und Manipulation von Schutzeinrichtungen ...344 5.7 Sicherheitsschalter ........................................................................352 5.7.1 Elektromechanische Sicherheitsschalter ..............................353 5.7.2 Berührungslos betätigte Sicherheits-Näherungsschalter .....364 5.7.3 Optoelektronische Sicherheitsschalter .................................373 5.8 Ortsbindende Schutzeinricht ungen ...............................................375 5.8.1 Bauarten .............................................................................375 5.8.2 Gestaltung ortsbindender Schutzeinrich tungen ..................383 5.9 Schutzeinrichtungen mit Annäherungsreaktion ............................................................389 5.9.1 Bauarten ............................................................................389 5.9.2 Durch Berührung wirkende Schutzeinrichtungen ............392 5.9.3 Berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen .....................402 5.9.4 Lichtschranken ...................................................................404 5.9.5 Lichtgitter und Lichtvorhänge ............................................409 5.9.6 Blanking und Muting .........................................................418 5.9.7 Tastende Lasersysteme ........................................................426 5.9.8 Bildverarbeitende Schutzsysteme ........................................433 5.9.9 Ultraschall-Schutzsysteme ...................................................435 5.9.10 Passive Infrarot-Schutzsysteme .........................................437 5.10 Hinweisende Sicherheitstechnik .................................................440 5.10.1 Passive Sicherheitsinformationen ......................................441 5.10.2 Sicherheitszeichen nach MRL ...........................................442 5.10.3 Sicherheitszeichen nach ANSI-Standards ..........................445 5.10.4 Sicherheits-Piktogramme und Markierungen ....................449 5.10.5 Aktive Sicherheitsinformationen .......................................454 5.10.6 Optische Gefahren- und Sicherheitssignale .......................455 5.10.7 Akustische Gefahren- und Sicherheitssignale ....................459 5.10.8 Akustische Anlaufwarneinrichtungen .............................461 5.10.9 Kombination akustischer und optischer Signale ................463