Effectieve strategieën om creep en spanningsontspanning in elastomere onderdelen te verminderen

In het universum van productiematerialen, zijn elastomeren polymeren gekenmerkt door zwakke intermoleculaire krachten. Deze zwakte is nuttig omdat het het materiaal toestaat zijn vorm te veranderen wanneer het aan externe kracht blootgesteld wordt en vervolgens terug te keren naar zijn oorspronkelijke vorm wanneer de kracht niet meer toegepast wordt. Deze eigenschap maakt elastomeren ideaal voor de productie van afdichtingen, pakkingen, en veren van diverse soorten bij gebruik van spuitgieten of 3D-printen.

Functionerend als een afdichting of pakking, verandert een van elastomeer gemaakt onderdeel van vorm als kracht wordt toegepast. Het opneemt slak tussen aangrenzende onderdelen, vult gaten of onregelmatigheden op als druk wordt toegepast en houdt een gas of vloeistof tegen lekkage. Een rubberen band is een vertrouwd voorbeeld van een elastomeer onderworpen aan trekkrachten. Een ander is de zachte plastic bumper op een telefoonhoes, die wanneer onderworpen aan een compressieve kracht van een val of slag vervormt om de telefoon te beschermen tegen schok, en vervolgens terugkeert naar zijn "vrije" of ongespannen toestand. In zowel compressieve als trekkracht veer-toepassingen, gedraagt een van elastomeer gemaakt onderdeel zich erg als een spiraal- of bladveer van metaal.

Elastomere onderdelen kunnen gebruikt worden in zowel statische als dynamische toepassingen. Een O-ring gebruikt als een stofafdichting of uitlijnhulp is typisch een statische toepassing in die zin dat eenmaal de montage voltooid is, er geen beweging is van de O-ring of aangrenzende onderdelen.

In een dynamische toepassing—het deksel van een drukkooker bijvoorbeeld—wordt het elastomeer herhaaldelijk gecomprimeerd en losgelaten tijdens normaal gebruik. In een nog extreemere zaak, wordt de elastomere zool van een hardloopschoen gecomprimeerd en losgelaten met elke stap. De levensduur van deze onderdelen varieert, maar ze zijn allemaal onderhevig aan creep.

Creep: Wanneer herstel minder dan perfect is

Het mag niet duidelijk zijn, maar elastomere onderdelen zullen geleidelijk hun elasticiteit verliezen en niet (of proberen niet) terugkeren naar hun ongespannen toestand. Creep, deze progressieve verlies van elasticiteit, kan beginnen met het allereerste gebruik van een onderdeel en doorgaan door zijn bruikbare leven.

Een vertrouwd voorbeeld is de rubberen band die niet volledig zijn oorspronkelijke afmetingen herstelt wanneer losgelaten. Dit is creep door mechanische spanning, maar het is niet de enige manier waarop creep kan voorkomen. Denk aan de rubberen band die u vindt op een stapel foto's in een oude schoendoos op zolder. Simpele leeftijd en blootstelling aan de omgeving hebben het lam gemaakt; het kan zelfs kruimelen wanneer gehanteerd.

Hoe extreem dit elasticiteitsverlies is en hoe snel het optreedt, hangt van een aantal factoren af. Herhalende mechanische spanning is de reden dat actieve hardlopers hun schoenen periodiek moeten vervangen wanneer de zolen de capaciteit verliezen om schokken te absorberen. De cilinderkopdichting van uw auto is een zuivere statische toepassing; niettemin zal het periodieke vervanging nodig hebben door materiaalafbraak veroorzaakt door de hitte van verbranding en de resulterende uitzetting en samentrekking. In de loop van de tijd creëert dit slijtage, en uiteindelijk, falen van de afdichting. De kleine elastomeren in uw TV-afstandsbediening kunnen afgebroken worden door UV-straling die door een zonnig raam binnenkomt. En de pakkingen in een drukkooker worden beïnvloed door mechanische spanning, de hoge hitte van druk koken, de zuren in sommige voedingsmiddelen, en onzuiverheden in kookwater. Het kan jaren duren, maar elk van deze onderdelen zal uiteindelijk spanningsontspanning ervaren.

Spanningsontspanning: Het einde van de lijn

Een goed ontworpen elastomeer onderdeel kan creep ervaren over zijn hele leven. Spanningsontspanning, aan de andere kant, treedt op wanneer cumulatieve creep het onderdeel niet meer functioneel maakt. Wanneer uw tuinslang begint te lekken bij de kraan, is het waarschijnlijk omdat de kleine pakking binnenin de slangconnector niet meer de ruimte tussen het metaal van de kraan en de metaal slang-aansluiting volledig vult. Wanneer de klepdeksel van uw motor begint olie te lekken, heeft spanningsontspanning waarschijnlijk de capaciteit van de klepdekselpakking om de verbinding tussen de klepdeksel en de cilinderkop af te dichten, gecompromitteerd.

Maar gebruik is niet de enige oorzaak van spanningsontspanning. Elasticiteit kan verloren gaan door ondergebruik. In feite, elastomere onderdelen in voorraad kunnen eigenlijk bros worden door gewoon op een plank te liggen.

Spanningsontspanning treedt op wanneer een afdichting of pakking niet meer de ruimte tussen matchende oppervlakken volledig vult. Lucht of andere gassen zullen het meest geneigd zijn om te lekken rond een afdichting, en kunnen door een gat zo klein als 0,001 inch (0,0254 mm) passen. Vloeistoffen, viskeuzer, zullen een breder gat nodig hebben om te lekken, hoewel brandstof door een smaller gat lekt dan water. Op dezelfde manier zal een elastomeer veer die een toestand van spanningsontspanning nadert, zwakker worden en de capaciteit verliezen om door zijn gehele beoogde bewegingsbereik te werken.

De impact van creep minimaliseren

Creep is een feiten van leven voor elastomere polymeren, maar er zijn verschillende manieren om potentiële gevolgen te verminderen.

• Kies het beste elastomeer voor de klus. Evalueer de toepassing en bepaal of het onderdeel herhaaldelijk zal buigen. Zal het blootgesteld worden aan herhaalde extreme temperatuursvariaties inclusief zowel hitte als kou? Zal het materiaal blootgesteld worden aan bijtende 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 zijn bruikbare leven; hetzelfde elastomeer, in een dynamische toepassing, zou typisch onder de 10 procent compressie gehouden moeten worden. U kunt de grootte van een onderdeel vergroten om de graad van compressie binnen een acceptabel bereik voor de toepassing te houden.
• Ken de levensverwachting van uw elastomeer onderdeel. Neem elastomeer vervanging op in het productonderhoudsschema en bied vervangingskits aan.
• Indien mogelijk, vermijd langdurige voorraden van vervangingsonderdelen om plankslijtage te voorkomen die de levensduur van het onderdeel kan verkorten. On-demand productie kan onderdelen beschikbaar maken zoals nodig zonder deel van hun bruikbare leven in opslag te verspillen.

Eindgedachten over elastomeren

Elastomeren kunnen simpele, effectieve componenten zijn in een verscheidenheid aan veer- en afdichtingstoepassingen. Wees u bewust dat, ondanks geen bewegende delen te hebben, ze kunnen uiteen slijten. Doordacht ontwerp en zorgvuldige testing hun bruikbare leven maximaliseren. Door de levensverwachting van die onderdelen te kennen en vervangingsonderdelen aan te bieden, kunt u de volle voordelen van deze simpele, effectieve componenten oogsten terwijl u de levensduur en functionaliteit van uw eindproduct maximaliseert.

Onze Materiaal Vergelijkingsgids biedt meer gedetailleerde informatie over elastomere materialen.

Om uw volgende ontwerpproject vandaag nog te starten bij Protolabs, upload gewoon een 3D CAD-model voor een interactieve offerte binnen enkele uren.