Het minimaliseren van kruip en spanningsontspanning in elastomere delen

In het universum van productiematerialen zijn elastomeren polymeren die worden gekenmerkt door zwakke intermoleculaire krachten. Deze zwakte is nuttig omdat het materiaal hierdoor van vorm kan veranderen wanneer het wordt blootgesteld aan externe kracht en vervolgens terugkeert naar zijn oorspronkelijke vorm wanneer de kracht niet langer wordt uitgeoefend. Deze eigenschap maakt elastomeren ideaal voor de productie van afdichtingen, pakkingen en verschillende soorten veren bij gebruik van spuitgieten of 3D-printen.

Functionerend als een afdichting of pakking, verandert een onderdeel gemaakt van elastomeer van vorm als er kracht op wordt uitgeoefend. Het neemt speling op tussen aangrenzende onderdelen, vult openingen of onregelmatigheden als er druk wordt uitgeoefend en voorkomt dat een gas of vloeistof lekt. Een rubberen band is een bekend voorbeeld van een elastomeer dat onderhevig is aan trekkrachten. Een andere is de zachte plastic bumper op een gsm-hoes, die, wanneer onderworpen aan een drukkracht van een val of slag, vervormt om de telefoon tegen schokken te beschermen en vervolgens terugkeert naar zijn "vrije" of onbelaste staat. Bij zowel druk- als trekveertoepassingen gedraagt ​​een onderdeel van elastomeer zich heel erg als een schroef- of bladveer van metaal.

Elastomeren zijn ideaal voor afdichtingen, pakkingen en veren van verschillende soorten, maar pas op dat elastomere onderdelen onderhevig zijn aan kruip en stressrelaxatie.

Onderdelen van elastomeer kunnen zowel in statische als in dynamische toepassingen worden gebruikt. Een O-ring die wordt gebruikt als stofafdichting of hulp bij het uitlijnen is typisch een statische toepassing, in die zin dat als de montage eenmaal is voltooid, er geen beweging meer is van de O-ring of aangrenzende onderdelen.

Bij een dynamische toepassing, bijvoorbeeld de dekselafdichting van een snelkookpan, wordt het elastomeer tijdens normaal gebruik herhaaldelijk samengedrukt en losgelaten. In een nog extremer geval wordt de elastomeerzool van een hardloopschoen bij elke stap samengedrukt en losgelaten. De levensduur van deze onderdelen varieert, maar ze zijn allemaal onderhevig aan kruip.

Creep:wanneer herstel niet perfect is

Het ligt misschien niet voor de hand, maar onderdelen van elastomeer zullen geleidelijk aan hun elasticiteit verliezen en niet terugkeren (of proberen terug te keren) naar hun onbelaste staat. Kruipen, dit progressieve verlies van elasticiteit, kan beginnen bij het allereerste gebruik van een onderdeel en gedurende de hele levensduur doorgaan.

Een bekend voorbeeld is het elastiekje dat bij het loslaten niet volledig zijn oorspronkelijke afmetingen terugkrijgt. Dit is kruip als gevolg van mechanische belasting, maar het is niet de enige manier waarop kruip kan optreden. Denk aan het elastiekje dat je vindt op een stapel foto's in een oude schoenendoos op zolder. Simpele leeftijd en blootstelling aan de omgeving hebben het slap gemaakt; het kan zelfs afbrokkelen als het wordt gehanteerd.

Hoe extreem dit elasticiteitsverlies is en hoe snel het optreedt, is afhankelijk van een aantal factoren. Herhaalde mechanische stress is de reden dat actieve hardlopers hun schoenen periodiek moeten vervangen wanneer de zolen het vermogen om schokken te absorberen verliezen. De koppakking van uw automotor is een puur statische toepassing; desalniettemin zal het periodiek moeten worden vervangen vanwege materiaalafbraak veroorzaakt door de verbrandingswarmte en de daaruit voortvloeiende uitzetting en samentrekking. Dit zorgt na verloop van tijd voor slijtage en uiteindelijk uitval van de afdichting. De kleine elastomeren in de afstandsbediening van je tv kunnen worden afgebroken door UV-straling die in een zonnig raam valt. En de pakkingen in een snelkookpan worden aangetast door mechanische belasting, de hoge hitte van koken onder druk, de zuren in sommige voedingsmiddelen en onzuiverheden in kookwater. Het kan jaren duren, maar elk van deze onderdelen zal uiteindelijk stressontspanning ervaren.

Onderdelen van elastomeer kunnen worden gebruikt in zowel dynamische als statische toepassingen. Deze pakking is een voorbeeld van een statische toepassing:zodra de montage is voltooid, is er geen beweging van de O-ring of aangrenzende componenten.

Stressontspanning:het einde van de lijn

Een goed ontworpen onderdeel van elastomeer kan gedurende zijn hele levensduur kruipen. Spanningsrelaxatie daarentegen treedt op wanneer cumulatieve kruip het onderdeel niet langer functioneel maakt. Wanneer uw tuinslang bij de kraan begint te lekken, komt dat waarschijnlijk doordat de kleine pakking in de slangaansluiting de opening tussen het metaal van de kraan en de metalen slangaansluiting niet meer volledig opvult. Wanneer het kleppendeksel van uw motor olie begint te lekken, heeft spanningsrelaxatie waarschijnlijk het vermogen van de kleppendekselpakking om de verbinding tussen het kleppendeksel en de kop af te dichten aangetast.

Maar gebruik is niet de enige oorzaak van stressontspanning. Elasticiteit kan verloren gaan door ondergebruik . Elastomere onderdelen in inventaris kunnen zelfs broos worden als ze gewoon op een plank staan.

Spanningsrelaxatie treedt op wanneer een afdichting of pakking de ruimte tussen passende oppervlakken niet langer volledig opvult. Lucht of andere gassen zijn het meest vatbaar voor lekkage rond een afdichting en kunnen door een spleet van slechts 25,4 mm (0,001 inch) gaan. Vloeistoffen, die stroperiger zijn, hebben een grotere opening nodig om door te lekken, hoewel brandstof door een smallere opening zal lekken dan water. Evenzo zal een veer van elastomeer die een staat van spanningsrelaxatie nadert, verzwakken en het vermogen verliezen om door zijn gehele beoogde bewegingsbereik te werken.

De impact van Creep minimaliseren

Kruip is een feit van het leven voor elastomere polymeren, maar er zijn verschillende manieren om mogelijke gevolgen te verminderen.

Kies het beste elastomeer voor de klus. Evalueer de toepassing en bepaal of het onderdeel herhaaldelijk zal worden gebogen. Zal het onderhevig zijn aan herhaalde extreme temperatuurschommelingen, waaronder zowel hitte als kou? Wordt het materiaal blootgesteld aan corrosieve chemicaliën of UV-straling?

Ontwerp onderdelen om verwachte spanningen aan te kunnen. Een typisch elastomeer in een statische toepassing kan 20 procent compressie aan zonder onnodige verkorting van de levensduur; hetzelfde elastomeer, in een dynamische toepassing, moet doorgaans onder de 10 procent compressie worden gehouden. Misschien wilt u de grootte van een onderdeel vergroten om de mate van compressie binnen een acceptabel bereik voor de toepassing te houden.

Ken de levensverwachting van uw elastomeer onderdeel. Neem elastomeervervanging op in het onderhoudsschema van het product en bied vervangingskits aan.

Vermijd, indien mogelijk, het aanleggen van reserveonderdelen op lange termijn om slijtage te voorkomen die de levensduur van onderdelen kan verkorten. On-demand productie kan onderdelen naar behoefte beschikbaar maken zonder een deel van hun levensduur te verspillen aan opslag.

Laatste gedachten over elastomeren

Elastomeren kunnen eenvoudige, effectieve componenten zijn in een verscheidenheid aan veer- en afdichtingstoepassingen. Houd er rekening mee dat ze, ondanks dat ze geen bewegende delen hebben, kunnen verslijten. Doordacht ontwerp en zorgvuldig testen kunnen hun levensduur maximaliseren. Door de levensverwachting van die onderdelen te kennen en vervangende onderdelen aan te bieden, kunt u alle voordelen van deze eenvoudige, effectieve componenten benutten en tegelijkertijd de levensduur en functionaliteit van uw eindproduct maximaliseren.

Onze materiaalvergelijkingsgids biedt meer gedetailleerde informatie over elastomere materialen.

Om vandaag nog aan uw volgende ontwerpproject te beginnen bij Protolabs, uploadt u eenvoudig binnen enkele uren een 3D CAD-model voor een interactieve offerte.