VDI 3822 Blatt 2 1 1-2012 Failure analysis - Defects of thermoplastic products made of plastics caused by faulty design.pdf

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1、 ICS 03.100.40, 83.080.20 VDI-RICHTLINIEN Januar 2012 January 2012 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE Schadensanalyse Schden an thermoplastischen Kunststoffprodukten durch fehlerhafte Konstruktion Failure analysis Defects of thermoplastic products made of plastics caused by faulty design VDI 3822 Blatt 2.1

2、.1 / Part 2.1.1 Ausg. deutsch/englisch Issue German/English Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authoritative. No guarantee can be given with respect to the English translation. VDI-Gesellschaft Materials Engineering (GME) Fa

3、chbereich Werkstofftechnik VDI-Handbuch Werkstofftechnik VDI-Handbuch Fabrikplanung und -betrieb, Band 1: Betriebsberwachung/Instandhaltung VDI-Handbuch Kunststofftechnik VDI-Handbuch Produktentwicklung und Konstruktion VDI-Handbuch Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen, Band 3: Verfgbarkeit/Sc

4、hadensanalyse Vervielfltigungauch fr innerbetrieblicheZweckenichtgestattet/Reproduction even for internalusenotpermittedFrhereAusgabe:07.10Entwurf, deutschFormeredition:07/10Draft,inGerman onlyZubeziehendurch/AvailableatBeuthVerlagGmbH,10772BerlinAlleRechtevorbehalten/All rightsreservedVereinDeutsch

5、erIngenieuree.V.,Dsseldorf2012Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 Einleitung . 2 1 Anwendungsbereich . 4 2 Normative Verweise 6 3 Schadensarten 6 4 Bilder 12 Schrifttum 15 Preliminary note . 2 Introduction 2 1 Scope . 4 2 Normative references 6 3 Types of failure 6 4 Figures . 12 Bibliograph

6、y . 15 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04 2 VDI 3822 Blatt 2.1.1 / Part 2.1.1 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlin

7、ie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wah-rung des Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenzbedingungen (www.v

8、di-richtlinien.de), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Preliminary note The content of this guideline has been developed in strict accordance with the requirements and rec-ommendations of t

9、he guideline VDI 1000. All rights are reserved, including those of reprint-ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts. The use of this guideline without infringement of copyright is permitted subject to

10、the licensing con-ditions specified in the VDI Notices (www.vdi-richtlinien.de). We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this guideline. Einleitung Durch Schadensanalysen sollen die Ursachen fr schadhafte Vernderungen bei Werkstoffen und Produkten bis hin zum Versagen aufged

11、eckt wer-den. Die sich hieraus ergebenden Erkenntnisse bilden die Grundlage gezielter Manahmen zur Schadensabhilfe und -verhtung. Eine der Haupt-aufgaben der Schadensanalyse ist die Auswahl geeigneter Untersuchungsverfahren und die wis-senschaftlich fundierte, zusammenfassende Aus-wertung der Einzel

12、ergebnisse. Demnach ist es Zweck der Richtlinie: Begriffe zu definieren Schadensarten einheitlich zu benennen und zu beschreiben zur Systematischen Vorgehensweise bei der Schadensanalyse anleiten Vergleichbarkeit der Ergebnisse verschiedener Untersuchungsstellen zu gewhrleisten Voraussetzungen zur n

13、achvollziehbaren Doku-mentation zu schaffen Einteilung Richtlinienreihe VDI 3822 Blatt 2.1 Gem dem Bild, dass Schden an thermoplasti-schen Kunststoffprodukten durch Fehler in der Konstruktion (inklusive der Umsetzung von An-forderungen), im Werkstoff, in der Verarbeitung und whrend der Nutzung entst

14、ehen knnen, wur-de die Richtlinienreihe folgendermaen struktu-riert: Die werkstoffbergreifende Richtlinie VDI 3822 behandelt Grundlegendes zur Vorgehensweise. Drei Richtlinien beschreiben mgliche Ursa-chen, die bereits vor der Nutzung auftreten knnen (Blatt 2.1.1 bis Blatt 2.1.3). Introduction The p

15、urpose of failure analysis is to discover the causes of defective changes in materials and prod-ucts that ultimately lead to failure. The findings thereby obtained provide a basis for targeted measures to remedy and prevent failure. One of the main tasks of failure analysis is the selection of appro

16、priate investigation methods and the scien-tifically sound, comprehensive evaluation of the individual findings. Correspondingly, the objective of this guideline is to: provide definitions of terms to designate and describe types of failure in a uniform manner provide direction for systematically pe

17、rforming failure analyses ensure the comparability of the results obtained by different analytical laboratories establish requirements for comprehensible documentation Structure of the series of guidelines VDI 3822 Part 2.1 According to the pattern that defects in thermo-plastic products can result

18、from defects in the design (including the implementation of require-ments), materials, manufacturing process and as a result of wear, this series of guidelines is struc-tured as follows: The guideline VDI 3822, which applies to a number of different materials, deals with fun-damental questions of pr

19、ocedure. Three guidelines describe possible causes that can occur before use (Part 2.1.1 to Part 2.1.3). B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 VDI 3822 Blatt 2.1.1 / Part 2.1.1 3 Sechs Richtlinien bezi

20、ehen sich auf mgliche Ursachen whrend der Nutzung (Blatt 2.1.4 bis Blatt 2.1.9). Eine Richtlinie erlutert die bedeutenden in-strumentellen Analysemethoden in der Scha-densanalyse (Blatt 2.1.10). Blatt 2.1.1 Schden an thermoplastischen Kunststoffprodukten durch fehler-hafte Konstruktion Blatt 2.1.2 S

21、chden an thermoplastischen Kunststoffprodukten durch fehler-hafte Verarbeitung Blatt 2.1.3 Schden an thermoplastischen Kunststoffprodukten durch fehler-hafte Werkstoffauswahl und Fehler im Werkstoff Blatt 2.1.4 Schden an thermoplastischen Kunststoffprodukten durch mecha-nische Beanspruchung Blatt 2.

22、1.5 Schden an thermoplastischen Kunststoffprodukten durch thermi-sche Beanspruchung Blatt 2.1.6 Schden an thermoplastischen Kunststoffprodukten durch tribolo-gische Beanspruchung Blatt 2.1.7 Schden an thermoplastischen Kunststoffprodukten durch media-le Beanspruchung Blatt 2.1.8 Schden an thermoplas

23、tischen Kunststoffprodukten durch Witte-rungsbeanspruchung Blatt 2.1.9 Schden an thermoplastischen Kunststoffprodukten durch mikro-bielle Beanspruchung Blatt 2.1.10 Bedeutende Analysemethoden fr die Schadensanalyse an thermo-plastischen Kunststoffprodukten Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter di

24、eser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/3822. Die Richtlinien VDI 3822 Blatt 2.1.1 bis Blatt 2.1.10 gelten jeweils nur in Verbindung mit der Richtlinie VDI 3822. Bei der Ermittlung mglicher Schadensursachen ist zu bercksichtigen, dass sehr hnliche Schadens-bilder durch unters

25、chiedliche Ursachen bzw. Be-anspruchungsarten entstehen knnen. Insofern kann nicht davon ausgegangen werden, dass eine Schadensursache eindeutig identifiziert ist, sobald in einem der Beibltter ein Schadensphnomen mit dem vorliegenden Schadensbild bereinstimmt. Es liegt aufgrund der fehlenden Ein-Ei

26、ndeutigkeit in Six guidelines are related to possible causes during use (Part 2.1.4 to Part 2.1.9). One guideline explains significant instru- mental analysis methods in failure analysis (Part 2.1.10). Part 2.1.1 Defects of thermoplastic products made of plastics caused by faulty design Part 2.1.2 D

27、efects of thermoplastic products made of plastics caused by faulty processing Part 2.1.3 Defects of thermoplastic products made of plastics caused by an un-favourable choice of material and by defects in the material Part 2.1.4 Defects of thermoplastic products made of plastics caused by me-chanical

28、 stress Part 2.1.5 Defects of thermoplastic products made of plastics caused by thermal stress Part 2.1.6 Defects of thermoplastic products made of plastics caused by tribo-logy-induced stress Part 2.1.7 Defects in thermoplastic products made of plastics caused by chemi-cal stress Part 2.1.8 Defects

29、 of thermoplastic products made of plastics caused by weather-induced stress Part 2.1.9 Defects of thermoplastic products made of plastics caused by micro-bial stress Part 2.1.10 Significant instrumental analysis methods for failure analysis of pro-ducts made of plastics A catalogue of all available

30、 parts of this series of guidelines can be accessed on the internet at www.vdi.de/3822. The guidelines VDI 3822 Part 2.1.1 to Part 2.1.10 are valid only in conjunction with the guideline VDI 3822. In determining possible causes of failure, it should kept in mind that very similar failure modes can r

31、esult from different causes and/or types of stress. Hence, it cannot be assumed that the cause of failure has been clearly identified, simply because the failure mode that presents itself corresponds to one of failure phenomena described in one of the parts of this guideline. This is no clear indica

32、tion; the user of this guide-B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04 4 VDI 3822 Blatt 2.1.1 / Part 2.1.1 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 der Verantwortung des Anwenders dieser Richtli-nie, stets alle Beibltter zu bercksichtigen, s

33、ofern nicht das Schadensumfeld Ausschlsse zulsst. line is always responsible for taking all of the parts into consideration, unless the failure envi-ronment justifies exclusions. 1 Anwendungsbereich In der vorliegenden Richtlinie wird auf Schden eingegangen, deren primre Ursachen in der Kon-struktio

34、n von Kunststoffbauteilen zu suchen sind. Generell sind bei der Konstruktion von Bauteilen und Bauteilgruppen allgemeingltige Regeln zu dem Ablauf, der Dimensionierung, der Gestaltung und der Erprobung zu beachten. Dazu existieren weit reichende Normen und Schriften, die sich mit der Entwicklung und

35、 Konstruktion von Bauteilen befassen. Fr die Konstruktion und Auslegung von Kunststoffbauteilen existieren spezielle Werke, die die Besonderheiten von thermoplastischen Werk-stoffen bercksichtigen (siehe Schrifttum). Die Konstruktion von Kunststoffbauteilen unter-liegt jedoch in hohem Mae den werkst

36、offspezifi-schen Eigenschaften, weshalb eine bertragung von Konstruktionen, die fr metallische Werkstof-fe ausgelegt sind, auf Kunststoffwerkstoffe nicht direkt mglich ist. Eine hufige Ursache fr Sch-den an Kunststoffbauteilen resultiert daher aus der 1:1-Substitution von metallischen Bauteilkonstru

37、k-tionen, in der keine werkstoffgerechte Anpassung oder Neuentwicklung der Bauteile erfolgte. Allgemeingltige Vorgehensweisen und Richtlinien zur Konstruktionsmethodik wie die Richtlinien VDI 2221 und VDI 2222 gelten ebenfalls fr thermoplastische Kunststoffprodukte. Diese Aspekte werden in der vorli

38、egenden Richtlinie nicht behan-delt. Die Dimensionierung und Festigkeitsberechnung muss unter Bercksichtigung des nichtlinear-visko-elastischen Verhaltens von thermoplastischen Werkstoffen erfolgen. Weitere Besonderheiten finden sich in der Konstruktion von Schraub- und Schnappverbindungen, die in d

39、er Literatur be-schrieben werden. Im Einzelfall muss der Scha-densanalytiker die zugrunde liegenden Werkstoff-daten, Berechnungsmodelle und Annahmen prfen, so diese Informationen zugnglich sind. Die ber-prfung einer ausreichenden Festigkeit kann bei-spielsweise mithilfe von computergesttzten FEM1)-S

40、imulationen und mechanischen Prfver-fahren an Bauteilprobekrpern erfolgen. Thermoplastische Werkstoffe werden hufig we-gen ihrer hohen Gestaltungsfreiheit insbesondere im Spritzgieverfahren hergestellt. Fr Bauteile, die im Spritzgieverfahren gefertigt werden, gelten 1 Scope This guideline will deal

41、with failures caused pri-marily by the faulty design of plastic components. As a rule, generally valid rules are to be followed in designing components and component groups; these apply to the process, dimensions, design and testing. In addition, there are extensive norms and literature dealing with

42、 the development and design of components. Specific publications that take the special characteristics of thermoplastic materials into consideration provide assistance in designing and planning plastic components (see Bibliogra-phy). The design of plastic components is, however, subject, in large me

43、asure, to material-specific properties, which is why it is not possible to simply transfer designs originally developed for metallic materials. A common cause of failure in plastic components therefore results in the direct substitu-tion of plastics in designs for metallic components without adaptin

44、g them to the new materials or de-veloping new components. Generally applicable procedures and guidelines for design methodology, as found in the guidelines VDI 2221 and VDI 2222, also apply in the case of thermoplastic products. These aspects will not be addressed in this guideline. In determining

45、the dimensions and calculating the strength, the non-linear viscoelastic behav-iour of thermoplastic materials must be taken into consideration. Other special considerations come to bear in conjunction with the design of screw and snap-lock joints, which are described in the literature. In individua

46、l cases, the failure analyst will need to re-evaluate the material data, re-calculation models and review the assump-tions on which they were based, if this informa-tion is available. Tests for sufficient strength can, for example, be undertaken by using a com-puter aided FEM1 )simulation and mechan

47、ical testing methods on sample components. Thermoplastic materials are often used in produc-tion processes because they provide a wide range of design options, particularly through injection moulding. Special rules apply in designing compo- 1)Finite-Elemente-Methode / finite elements method B55EB1B3

48、E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 VDI 3822 Blatt 2.1.1 / Part 2.1.1 5 besondere Regeln bei der Konstruktion, die sowohl dem Werkstoff als auch dem Prozess gerecht wer-den. Diese Gestaltungsregeln mssen fr

49、thermo-plastische Werkstoffe whrend der Konstruktion unbedingt beachtet werden. Dazu existieren in der Literatur kunststoffgerechte Gestaltungsregeln, die bei Missachtung zu typi-schen Fehlerbildern an Kunststoffbauteilen fhren knnen. Tabelle 1 zeigt 15 typische Gestaltungsregeln fr Kunststoffbauteile und die zugehrigen Schadens-bilder. Eine detaillierte Beschreibung findet sich in der Literatur 3 bis 6. Tabelle 1. Ges