Festigkeitsnachweis von Kunststoffbauteilen nach VDI 2016

Der Festigkeitsnachweis in der Proof-of-Concept-Phase

Zur Veranschaulichung eines frühen Festigkeitsnachweises wird ein Rohrkupplungselement für häusliche Innenwasserleitungen betrachtet. Ziel ist eine kosteneffiziente Auslegung, weshalb ein thermoplastischer Kunststoff eingesetzt werden soll. In der frühen Entwicklungsphase wird unverstärktes Polypropylen (PP) angenommen, der konkrete Werkstoff wurde noch nicht festgelegt; die Herstellung erfolgt im Spritzgussverfahren.

Die Betriebsbedingungen sind mit einem Systemdruck von drei  bar, einer maximalen Betriebstemperatur von 80 °C und einer Auslegungslebensdauer von 30 Jahren definiert. Das Bauteil ist dabei ausschließlich der Umgebungsluft ausgesetzt und nicht in direktem Wasserkontakt.

Rohrkupplungselement für Trinkwasserleitungen im Innenbereich | © CADFEM / ID: 44CBPX

Der Festigkeitsnachweis erfolgt bereits in der Proof‑of‑Concept‑Phase mithilfe der Methode C aus der VDI 2016. Ziel ist eine schnelle Machbarkeits‑ und Dimensionierungsbewertung auf Basis einer vereinfachten Simulation – noch bevor ein konkreter Werkstoff oder detaillierte Materialdaten festgelegt sind.

Methode C bildet das kurz‑ und langzeitabhängige Verhalten der Polymerklasse Polypropylen mithilfe analytischer Ansätze ab und kommt dabei ohne werkstoffspezifische Spannungs‑Dehnungs‑ oder Kriechdaten aus. Einflussgrößen wie Temperatur, Einsatzdauer und Bindenaht werden über normierte Faktoren berücksichtigt.

Überblick: Was beinhaltet die VDI 2016?

Die Richtlinie VDI 2016 „Festigkeitsnachweis von Kunststoffbauteilen“ stellt eine standardisierte Methodik zur Bewertung der strukturellen Integrität und Langzeitfestigkeit thermoplastischer Kunststoffbauteile bereit. Sie schließt damit eine Lücke klassischer, metallzentrierter Ingenieurmethoden, die für Kunststoffe aufgrund ihres zeit‑ und temperaturabhängigen Materialverhaltens nur eingeschränkt geeignet sind. Die VDI 2016 liefert Ingenieurinnen und Ingenieuren einen praxisnahen Rahmen zur Dimensionierung und zum rechnerischen Festigkeitsnachweis von Kunststoffbauteilen unter mechanischen und umgebungsbedingten Belastungen und unterstützt so eine sichere und materialeffiziente Auslegung.

Die VDI 2016 unterscheidet drei Berechnungsmethoden (A, B und C), die auf unterschiedliche Phasen des Produktentwicklungsprozesses zugeschnitten sind. Methode A basiert auf einer detaillierten, nichtlinearen Finite‑Elemente‑Analyse (FEA) zur abschließenden Designvalidierung, Methode B verwendet einen vereinfachten Simulationsansatz. Methode C, welche im vorliegenden Beitrag zunächst für den Anwendungsfall des Rohrkupplungselements herangezogen wird, ist als stark vereinfachtes und bewusst konservatives Verfahren speziell für die frühe Proof‑of‑Concept‑Phase konzipiert.

Zentrales Merkmal der Methoden B und C ist ein dehnungsbasierter Festigkeitsnachweis anstelle eines rein spannungsbasierten Ansatzes. Dies ist für Kunststoffe entscheidend, da sich ihre Materialeigenschaften – insbesondere der Elastizitätsmodul – infolge von Kriechvorgängen mit Temperatur und Belastungsdauer deutlich verändern. Durch den Vergleich der berechneten äquivalenten Dehnung mit einer zulässigen Materialdehnung ermöglicht die VDI 2016 eine realistischere Bewertung des Langzeitverhaltens von Kunststoffbauteilen und hilft, Kriechbruch oder unzulässige Verformungen frühzeitig zu erkennen.

Überblick über die Festigkeitsnachweisverfahren nach VDI 2016 | © Matthias De Monte, 2025 / ID: 6XEB19

Die Berechnung der äquivalenten Dehnung am Bauteil

Ziel dieses Schrittes ist es, für den dehnungsbasierten Festigkeitsnachweis nach VDI 2016, Methode C, die maßgebende Dehnung am Bauteil zu bestimmen. Die Dehnungen im Rohrkupplungselement werden dazu mittels einer strukturellen FEM‑Simulation in Ansys Mechanical ermittelt. Das Modell berücksichtigt eine Schraubkraft, die ein Aufspreizen des Bauteils verhindert, sowie den Innendruck von drei bar aus der Wasserleitung. Die Temperatur wird konstant auf die maximale Betriebstemperatur von 80 °C gesetzt, was einen konservativen Ansatz für den Langzeitnachweis darstellt.

Zur Bestimmung des für die Simulation verwendeten Elastizitätsmoduls wird der in VDI 2016, Methode C beschriebene Workflow angewendet, bei dem ein zeit‑ und temperaturabhängig reduzierter E‑Modul angesetzt wird:

eper: zulässige Dehnung;  sy: Streckspannung;  ey: Streckdehnung
Workflow zur Bestimmung des E Moduls für die strukturelle Analyse (Methode C) |
© Matthias De Monte, 2025 / ID: V17UGK

Die Simulation basiert auf einem linear‑elastischen Materialmodell mit einem für 30 Jahre Einsatzdauer bei 80 °C angepassten tangentialen Elastizitätsmodul. Für die FEM‑Analyse werden E_FEA = 140 MPa und ν_FEA = 0,50 verwendet. Als maßgebende Größe wird in Methode C die größte positive Hauptdehnung ausgewertet. Unter dem Innendruck von drei bar bei 80 °C ergibt sich eine maximale Hauptdehnung von 1,94 % im Bereich der Scharnieröffnung. In diesem Bereich ist konstruktionsbedingt mit einer Bindenaht zu rechnen, die in dieser frühen Entwicklungsphase konservativ im kritischen Bereich angenommen wird.

Maximale elastische Hauptdehnungen über dem Bauteil bei einer Belastung von 3 bar 
und einer Temperatur von 80 °C | © CADFEM / ID: DI5V5K

Die Berechnung der zulässigen Dehnung und des Ausnutzungsgrades

Für den Festigkeitsnachweis von Kunststoffbauteilen nach VDI 2016, Methode C ist die zulässige Dehnung die maßgebende Vergleichsgröße. Ausgangspunkt ist die materialspezifische Grenzdehnung, die den Beginn von Mikroschädigungen beschreibt. Gemäß VDI 2016 Teil II kann sie tabellarisch bestimmt oder aus dem Elastizitätsmodul bei 23 °C abgeleitet werden. Für Polypropylen ergibt sich eine Grenzdehnung von 2,33 %.

Diese Grenzdehnung wird durch relevante Einflussfaktoren reduziert. Berücksichtigt werden insbesondere Einsatzdauer, Betriebstemperatur sowie das Vorhandensein einer Bindenaht. Der zeit‑ und temperaturabhängige Zusammenhang wird über den werkstoffspezifischen Wechselwirkungsfaktor m = 2,3 für PP abgebildet. Für den Bindenahtbereich wird ein Reduktionsfaktor von C_C,nb = 0,85 angesetzt; ein Medieneinfluss bleibt unberücksichtigt, da kein direkter Wasserkontakt vorliegt. Daraus ergibt sich ein Gesamteinflussfaktor von C_C = 0,85. Mit einem Sicherheitsbeiwert von S_C = 1,2 ergibt sich für das betrachtete Bauteil eine zulässige Dehnung von εₚₑᵣ = 1,66 %.

Der Festigkeitsnachweis erfolgt über den Ausnutzungsgrad a_C, definiert als Verhältnis zwischen äquivalenter Dehnung und zulässiger Dehnung an der kritischen Stelle. Der Sicherheitsbeiwert ist bereits in a_C enthalten; ein Wert von a_C < 100 % gilt als Nachweis der Festigkeit. Für den betrachteten Lastfall ergibt sich nach Methode C ein maximaler Ausnutzungsgrad von 117 %. Diese Überschreitung stellt keine rechnerische Ungenauigkeit dar, sondern ist Ausdruck des bewusst konservativen Ansatzes von Methode C und markiert eine klare Entscheidungszahl in der frühen Konzeptphase.

In einer späteren Entwicklungsphase ist durch eine geeignete Angussgestaltung davon auszugehen, dass keine Bindenaht im höchstbelasteten Bereich liegt. Zudem berücksichtigt Methode C keine werkstoffspezifische Kriechfestigkeit. Wird stattdessen Methode A angewendet, die die tatsächliche Kriechfestigkeit eines konkreten PP‑Werkstoffs einbezieht, reduziert sich der Ausnutzungsgrad unter Berücksichtigung realer Materialdaten auf 94 %, womit der Festigkeitsnachweis erfüllt ist.

Ausnutzungsgrad nach VDI 2016 im kritischen Bereich nach Methode C & Methode A | © CADFEM / ID: AW1MP2

Vom Rohrkupplungsbeispiel zur sicheren Auslegung im Alltag

Das Beispiel der Rohrkupplung aus Polypropylen zeigt exemplarisch, wie sich mit der VDI 2016 bereits in frühen Entwicklungsphasen belastbare Entscheidungen treffen lassen. Methode C dient dabei als bewusst konservativer Filter, um kritische Bereiche – wie hier die Scharnieröffnung mit potenzieller Bindenaht – frühzeitig zu identifizieren. Der spätere Übergang zu Methode A erlaubt anschließend eine zielgerichtete, werkstoffspezifische Bewertung, ohne das Bauteil unnötig zu überdimensionieren. Dieses Vorgehen lässt sich direkt auf zahlreiche Anwendungen thermoplastischer Bauteile übertragen, bei denen Temperatur, Zeit und Kriechverhalten maßgebend für die Auslegung sind.

Autor dieses Beitrags ist Dr. Matthias De Monte, Senior Expert und Verantwortlicher für Design for Reliability im Bosch-Geschäftsbereich Cross Domain Computing Solutions. Dort verantwortet er die Auslegung kunststoffbasierter Komponenten für Fahrerassistenz‑ und Steuerungssysteme unter thermischer, mechanischer und zeitabhängiger Beanspruchung. Seine fachlichen Schwerpunkte liegen im Ermüdungs‑, Kriech‑ und Alterungsverhalten polymerer Werkstoffe. Als Mitglied des Bosch‑weiten Center of Competence for Plastics bringt er diese industrielle Perspektive regelmäßig in die CADFEM‑Weiterbildung ein – sowohl im Seminar zum hier beschriebenen dehnungsbasierten Festigkeitsnachweis nach VDI 2016, als auch ergänzend durch weiterführende Inhalte zum Bewerten der Lebensdauer von Kunststoffen.

Der vorliegende Beitrag kann und soll kein Seminar ersetzen, sondern einen praxisnahen Einstieg in den dehnungsbasierten Festigkeitsnachweis nach VDI 2016 geben. Wer diese Methodik sicher beherrschen, typische Modellierungs‑ und Bewertungsfallen vermeiden und die hier gezeigten Ansätze systematisch auf eigene Bauteile übertragen möchte, vertieft das Vorgehen im CADFEM-Seminar Festigkeitsnachweis für Kunststoffteile mit Ansys nach VDI 2016, das von Dr. Matthias De Monte selbst geleitet wird.