Минимизация ползучести и ослабления напряжения в эластомерных деталях

Во вселенной производственных материалов эластомеры — это полимеры, характеризующиеся слабыми межмолекулярными силами. Эта слабость полезна тем, что позволяет материалу изменять форму под воздействием внешней силы, а затем возвращаться к своей первоначальной форме, когда сила больше не применяется. Эта характеристика делает эластомеры идеальными для производства уплотнений, прокладок и пружин различных типов при использовании литья под давлением или 3D-печати.

Выполняя функцию уплотнения или прокладки, деталь из эластомера меняет форму при приложении силы. Он компенсирует провисание между соседними деталями, заполняет зазоры или неровности при приложении давления и предотвращает утечку газа или жидкости. Резиновая лента является известным примером эластомера, подвергающегося растягивающим усилиям. Еще один мягкий пластиковый бампер на корпусе мобильного телефона, который при воздействии сжимающей силы падения или удара деформируется, чтобы защитить телефон от ударов, а затем возвращается в свое «свободное» или ненапряженное состояние. Как в пружинах сжатия, так и в пружинах растяжения деталь, изготовленная из эластомера, действует очень похоже на винтовую или листовую пружину из металла.

Эластомеры идеально подходят для уплотнений, прокладок и пружин различных видов, но следует помнить, что эластомерные детали подвержены ползучести. и снятие стресса.

Эластомерные детали можно использовать как в статических, так и в динамических приложениях. Уплотнительное кольцо, используемое в качестве пылезащитного уплотнения или приспособления для выравнивания, обычно является статическим приложением, поскольку после завершения сборки уплотнительное кольцо или соседние детали не перемещаются.

В динамическом применении — например, уплотнение крышки скороварки — эластомер многократно сжимается и высвобождается во время обычного использования. В еще более экстремальном случае эластомерная подошва кроссовок сжимается и разжимается при каждом шаге. Срок службы этих деталей разный, но все они подвержены деформации.

Ползучесть:когда восстановление не идеально

Это может быть неочевидно, но эластомерные детали постепенно теряют свою эластичность и не могут вернуться (или попытаются вернуться) в свое ненагруженное состояние. Ползучесть, эта прогрессирующая потеря эластичности, может начаться с самого первого использования детали и продолжаться в течение всего срока службы.

Знакомым примером является резиновая лента, которая не полностью восстанавливает свои первоначальные размеры при отпускании. Это ползучесть из-за механического напряжения, но это не единственный способ возникновения ползучести. Подумайте о резинке, которую вы нашли на стопке фотографий в старой обувной коробке на чердаке. Простой возраст и воздействие окружающей среды сделали его вялым; он может даже рассыпаться при прикосновении.

Насколько велика эта потеря эластичности и как быстро она происходит, зависит от ряда факторов. Повторяющиеся механические нагрузки являются причиной того, что активным бегунам приходится периодически менять обувь, когда подошва теряет способность поглощать удары. Прокладка головки блока цилиндров вашего автомобиля — это чисто статическое приложение; тем не менее, он будет нуждаться в периодической замене из-за разрушения материала, вызванного теплотой сгорания и, как следствие, расширением и сжатием. Со временем это приводит к износу и, в конечном итоге, к выходу из строя уплотнения. Крошечные эластомеры в пульте дистанционного управления телевизора могут быть разрушены ультрафиолетовым излучением, попадающим в солнечное окно. А прокладки в скороварке подвержены механическим воздействиям, высокой температуре приготовления пищи под давлением, кислотам в некоторых продуктах и ​​примесям в воде для приготовления пищи. На это могут уйти годы, но каждая из этих частей со временем испытает расслабление от стресса.

Эластомерные детали можно использовать как в динамических, так и в статических приложениях. Эта прокладка является примером статического применения:после завершения сборки уплотнительное кольцо или соседние компоненты не перемещаются.

Снятие стресса:конец пути

Хорошо спроектированная эластомерная деталь может подвергаться ползучести в течение всего срока службы. Релаксация напряжения, с другой стороны, происходит, когда кумулятивная ползучесть делает деталь нефункциональной. Когда ваш садовый шланг начинает протекать у крана, это, вероятно, связано с тем, что небольшая прокладка внутри соединителя шланга больше не полностью заполняет зазор между металлом крана и металлическим фитингом на конце шланга. Когда крышка клапана вашего двигателя начинает пропускать масло, релаксация напряжения, вероятно, поставила под угрозу способность прокладки крышки клапана герметизировать соединение между крышкой клапана и головкой.

Но использование — не единственная причина снятия стресса. Эластичность может быть потеряна из-за недостаточного использования . Фактически, эластомерные детали в инвентаре могут стать хрупкими, просто лежа на полке.

Релаксация напряжения происходит, когда уплотнение или прокладка больше не полностью заполняет пространство между сопрягаемыми поверхностями. Воздух или другие газы наиболее подвержены утечке вокруг уплотнения и могут проходить через зазор размером всего 0,001 дюйма (25,4 мм). Жидкости, будучи более вязкими, нуждаются в более широком зазоре для утечки, хотя топливо будет просачиваться через более узкий зазор, чем вода. Точно так же эластомерная пружина, приближающаяся к состоянию релаксации напряжения, ослабнет и потеряет способность работать во всем предполагаемом диапазоне движения.

Минимизация влияния ползучести

Ползучесть — это неотъемлемая часть эластомерных полимеров, но есть несколько способов уменьшить возможные последствия.

• Выберите лучший эластомер для работы. Оцените приложение и определите, будет ли деталь многократно изгибаться. Будет ли он подвержен повторным экстремальным колебаниям температуры, включая как жару, так и холод? Будет ли материал подвергаться воздействию агрессивных химикатов или ультрафиолетового излучения?
• Разрабатывайте детали так, чтобы они выдерживали ожидаемые нагрузки. Типичный эластомер в статическом приложении может выдерживать 20-процентное сжатие без чрезмерного сокращения срока службы; один и тот же эластомер в динамическом применении обычно должен поддерживаться при сжатии ниже 10 процентов. Вы можете увеличить размер детали, чтобы сохранить ее степень сжатия в приемлемом для приложения диапазоне.
• Узнайте ожидаемый срок службы вашей эластомерной детали. Включите замену эластомеров в график обслуживания продукта и предложите комплекты для замены.
• По возможности избегайте длительного складирования запасных частей, чтобы предотвратить износ при хранении, который может сократить срок службы деталей. Производство по требованию может предоставлять детали по мере необходимости, не тратя часть срока их полезного использования на хранение.

Заключительные мысли об эластомерах

Эластомеры могут быть простыми и эффективными компонентами в различных пружинах и уплотнениях. Имейте в виду, что, несмотря на отсутствие движущихся частей, они могут изнашиваться. Продуманный дизайн и тщательное тестирование могут увеличить срок их службы. Зная предполагаемый срок службы этих деталей и предлагая запасные части, вы сможете воспользоваться всеми преимуществами этих простых и эффективных компонентов, максимально увеличив срок службы и функциональность готового продукта.

В нашем Руководстве по сравнению материалов содержится более подробная информация об эластомерных материалах.

Чтобы начать свой следующий дизайн-проект в Protolabs уже сегодня, просто загрузите 3D-модель CAD, чтобы получить интерактивную смету в течение нескольких часов.