Эффективные стратегии уменьшения ползучести и релаксации напряжений в эластомерных деталях

В мире производственных материалов эластомеры — полимеры, характеризующиеся слабыми межмолекулярными силами. Эта слабость полезна: она позволяет материалу менять форму под внешней силой и возвращаться в исходную, когда сила перестает действовать. Эта характеристика делает эластомеры идеальными для производства уплотнений, прокладок и пружин различного рода при литье под давлением или 3D-печати.

Функционируя как уплотнение или прокладка, деталь из эластомера меняет форму при приложении силы. Она убирает зазор между сопряженными деталями, заполняя пробоины или нерегулярности под давлением и удерживает газ или жидкость от утечки. Резинка — знакомый пример эластомера под напряжением. Другой — мягкий пластиковый бампер на чехле телефона, который под компрессионной силой удара деформируется, защищая телефон от шока, а затем возвращается в «свободное» или напряженное состояние. В приложениях пружин на сжатие и растяжение деталь из эластомера ведет себя очень похоже на металлическую спиральную или листовую пружину.

Эластомерные детали можно использовать в статических или динамических приложениях. O-кольцо, используемое как пылевое уплотнение или выравнивающий элемент, обычно статическое: после сборки нет движения O-кольца или смежных деталей.

В динамическом приложении — уплотнение крышки скороварки — эластомер сжимается и освобождается многократно при нормальном использовании. В еще более экстремальном случае, эластомерная подошва беговой кроссовки сжимается и освобождается с каждым шагом. Срок службы этих деталей варьируется, но все они подвержены ползучести.

Ползучесть: когда восстановление несовершенно

Может быть неочевидно, но эластомерные детали постепенно теряют эластичность и не возвращаются (или не пытаются вернуться) в свое напряженное состояние. Ползучесть — это прогрессивная потеря эластичности, может начаться с первого использования и продолжаться на протяжении полезной жизни.

Знакомый пример — резинка, которая не полностью восстанавливает исходные размеры при освобождении. Это ползучесть из-за механического напряжения, но не единственный способ. Подумайте о резинке на стопке фотографий в старом коробке на чердаке. Простой возраст и воздействие среды сделали её вялой; она может даже крошиться при обращении.

Насколько экстремальна эта потеря эластичности и как быстро она происходит, зависит от ряда факторов. Повторяющееся механическое напряжение — причина, почему активные бегуны периодически меняют кроссовки, когда подошвы теряют амортизацию. Прокладка головки блока двигателя — чисто статическое приложение; тем не менее, она потребует периодической замены из-за разрушения материала от жара сгорания и расширения/сжатия. Со временем это создает износ и в конечном итоге отказ уплотнения. Маленькие эластомеры в пульте ТВ могут разрушаться от УФ-излучения, проникающего через солнечное окно. Прокладки в скороварке подвержены механическому напряжению, высокому жарю, кислотам в пище и примесям в воде. Может занять годы, но каждая из этих деталей в конечном итоге испытает релаксацию напряжений.

Релаксация напряжений: конец линии

Хорошо спроектированная эластомерная деталь может испытывать ползучесть на протяжении всей жизни. Релаксация напряжений происходит, когда накопленная ползучесть делает деталь нефункциональной. Когда садовый шланг начинает течь у крана, вероятно, потому что маленькая прокладка внутри соединителя больше не полностью заполняет зазор между металлом крана и металлическим наконечником шланга. Когда клапанная крышка двигателя начинает течь маслом, релаксация напряжений, вероятно, пошатнула способность прокладки клапанной крышки герметизировать соединение между клапанной крышкой и головкой.

Но использование — не единственная причина релаксации напряжений. Эластичность может теряться из-за недоиспользования. Фактически, эластомерные детали на складе могут стать хрупкими, просто лежа на полке.

Релаксация напряжений происходит, когда уплотнение или прокладка больше не полностью заполняет пространство между спайваемыми поверхностями. Воздух или другие газы наиболее склонны к утечке через зазор всего 0,001 дюйма (0,0254 мм). Жидкости, более вязкие, нуждаются в более широком зазоре для утечки, хотя топливо течет через более узкий зазор, чем вода. Аналогично, эластомерная пружина, приближающаяся к состоянию релаксации напряжений, ослабевает и теряет способность работать в полном предполагаемом диапазоне движения.

Минимизация влияния ползучести

Ползучесть — факт жизни для эластомерных полимеров, но есть несколько способов снизить потенциальные последствия.

• Выбирайте лучший эластомер для работы. Оцените приложение: будет ли деталь многократно сгибаться? Будет ли подвергаться экстремальным температурным вариациям (жара и холод)? Будет ли материал подвергаться коррозионным химикатам или УФ-излучению?
• Проектируйте детали для ожидаемых напряжений. Типичный эластомер в статическом приложении может выдерживать 20% сжатия без недопустимого сокращения срока службы; тот же эластомер в динамическом приложении обычно должен держаться ниже 10% сжатия. Можно увеличить размер детали, чтобы держать степень сжатия в допустимом диапазоне.
• Знайте ожидаемый срок службы эластомерной детали. Включите замену эластомера в план обслуживания продукта и предлагайте комплекты замены.
• Если возможно, избегайте долгосрочного накопления запасов замены, чтобы предотвратить полочный износ, сокращающий срок службы. Онлайн-производство может делать детали доступными по мере необходимости без потери части полезной жизни в хранении.

Итоговые мысли об эластомерах

Эластомеры могут быть простыми, эффективными компонентами в различных пружинных и уплотняющих приложениях. Будьте в курсе, что, несмотря на отсутствие движущихся частей, они могут изнашиваться. Вдумчивый дизайн и тщательное тестирование могут максимизировать их полезную жизнь. Зная срок службы этих деталей и предлагая запасные части, вы можете получить полные преимущества этих простых, эффективных компонентов, максимизируя жизнь и функциональность вашего готового продукта.

Наше Руководство по сравнению материалов предоставляет более детальную информацию об эластомерных материалах.

Чтобы начать следующий проект сегодня в Protolabs, просто загрузите 3D CAD-модель для интерактивного котирования за несколько часов.