Minimierung von Kriechen und Spannungsrelaxation in Elastomerteilen

Im Universum der Fertigungsmaterialien sind Elastomere Polymere, die durch schwache intermolekulare Kräfte gekennzeichnet sind. Diese Schwäche ist insofern nützlich, als sie es dem Material ermöglicht, seine Form zu ändern, wenn es einer äußeren Kraft ausgesetzt wird, und dann in seine ursprüngliche Form zurückzukehren, wenn die Kraft nicht länger ausgeübt wird. Diese Eigenschaft macht Elastomere ideal für die Herstellung von Dichtungen und Federn verschiedener Art im Spritzguss oder 3D-Druck.

Als Dichtung oder Dichtring verändert ein Teil aus Elastomer bei Krafteinwirkung seine Form. Es nimmt Spiel zwischen angrenzenden Teilen auf, füllt Lücken oder Unregelmäßigkeiten, wenn Druck ausgeübt wird, und verhindert, dass ein Gas oder eine Flüssigkeit austritt. Ein Gummiband ist ein bekanntes Beispiel für ein Elastomer, das Zugkräften ausgesetzt ist. Ein weiterer Grund ist der weiche Kunststoffstoßfänger einer Handyhülle, der sich verformt, wenn er der Druckkraft eines Sturzes oder Schlags ausgesetzt wird, um das Telefon vor Stößen zu schützen, und dann in seinen „freien“ oder unbelasteten Zustand zurückkehrt. Sowohl bei Druck- als auch bei Zugfederanwendungen verhält sich ein Teil aus Elastomer sehr ähnlich wie eine Schrauben- oder Blattfeder aus Metall.

Elastomere sind ideal für Dichtungen, Dichtungen und Federn verschiedener Art, aber seien Sie vorsichtig, dass Elastomerteile kriechen können und Stressabbau.

Elastomerteile können entweder in statischen oder dynamischen Anwendungen verwendet werden. Ein O-Ring, der als Staubdichtung oder Ausrichtungshilfe verwendet wird, ist in der Regel eine statische Anwendung, da nach Abschluss der Montage keine Bewegung des O-Rings oder benachbarter Teile stattfindet.

Bei einer dynamischen Anwendung – zum Beispiel der Deckeldichtung eines Schnellkochtopfs – wird das Elastomer während des normalen Gebrauchs immer wieder komprimiert und entspannt. In einem noch extremeren Fall wird die Elastomersohle eines Laufschuhs bei jedem Schritt zusammengedrückt und wieder freigegeben. Die Lebensdauer dieser Teile ist unterschiedlich, aber sie unterliegen alle dem Kriechen.

Creep:Wenn die Erholung alles andere als perfekt ist

Es mag nicht offensichtlich sein, aber Elastomerteile verlieren nach und nach ihre Elastizität und kehren (oder versuchen dies) nicht in ihren unbelasteten Zustand zurück. Kriechen, dieser fortschreitende Elastizitätsverlust, kann bei der allerersten Verwendung eines Teils beginnen und sich über seine gesamte Nutzungsdauer fortsetzen.

Ein bekanntes Beispiel ist das Gummiband, das beim Loslassen nicht mehr vollständig seine ursprünglichen Abmessungen wiedererlangt. Dies ist ein Kriechen aufgrund mechanischer Beanspruchung, aber es ist nicht die einzige Art, wie Kriechen auftreten kann. Denken Sie an das Gummiband, das Sie auf einem Stapel Fotos in einem alten Schuhkarton auf dem Dachboden finden. Einfaches Alter und Exposition gegenüber der Umwelt haben es schlaff gemacht; es kann sogar zerbröckeln, wenn es angefasst wird.

Wie extrem dieser Elastizitätsverlust ist und wie schnell er eintritt, hängt von vielen Faktoren ab. Wiederholte mechanische Beanspruchung ist der Grund dafür, dass aktive Läufer ihre Schuhe regelmäßig ersetzen müssen, wenn die Sohlen die Fähigkeit verlieren, Stöße zu absorbieren. Die Kopfdichtung Ihres Automotors ist eine rein statische Anwendung; Dennoch muss es aufgrund von Materialzerstörung durch die Verbrennungswärme und die daraus resultierende Ausdehnung und Kontraktion regelmäßig ausgetauscht werden. Mit der Zeit führt dies zu Verschleiß und schließlich zum Versagen der Dichtung. Die winzigen Elastomere in Ihrer TV-Fernbedienung können durch UV-Strahlung, die in ein sonniges Fenster fällt, zerstört werden. Und die Dichtungen in einem Schnellkochtopf werden durch mechanische Beanspruchung, die hohe Hitze beim Schnellkochen, die Säuren in einigen Lebensmitteln und Verunreinigungen im Kochwasser beeinträchtigt. Es kann Jahre dauern, aber jeder dieser Teile wird irgendwann eine Entspannung erfahren.

Elastomerteile können entweder in dynamischen oder statischen Anwendungen verwendet werden. Diese Dichtung ist ein Beispiel für eine statische Anwendung:Nach Abschluss der Montage gibt es keine Bewegung des O-Rings oder angrenzender Bauteile.

Stressentspannung:Das Ende der Fahnenstange

Ein gut konstruiertes Elastomerteil kann während seiner gesamten Lebensdauer Kriechen erfahren. Spannungsrelaxation hingegen tritt auf, wenn kumulatives Kriechen dazu führt, dass das Teil nicht mehr funktionsfähig ist. Wenn Ihr Gartenschlauch am Wasserhahn undicht wird, liegt das wahrscheinlich daran, dass die kleine Dichtung im Inneren des Schlauchanschlusses den Spalt zwischen dem Metall des Wasserhahns und dem Metallanschluss am Schlauchende nicht mehr vollständig ausfüllt. Wenn aus dem Ventildeckel Ihres Motors Öl austritt, hat die Entspannung der Spannung wahrscheinlich die Fähigkeit der Ventildeckeldichtung beeinträchtigt, die Verbindung zwischen dem Ventildeckel und dem Kopf abzudichten.

Aber der Konsum ist nicht die einzige Ursache für Stressabbau. Die Elastizität kann durch Unterbeanspruchung verloren gehen . Tatsächlich können Elastomerteile im Bestand spröde werden, wenn sie nur auf einem Regal liegen.

Spannungsrelaxation tritt auf, wenn eine Dichtung oder Dichtung den Raum zwischen zusammenpassenden Oberflächen nicht mehr vollständig ausfüllt. Luft oder andere Gase sind am anfälligsten für Lecks um eine Dichtung herum und können durch einen Spalt von nur 0,001 Zoll (25,4 mm) hindurchtreten. Flüssigkeiten, die viskoser sind, benötigen einen breiteren Spalt, um durchzusickern, obwohl Kraftstoff durch einen schmaleren Spalt austritt als Wasser. In ähnlicher Weise wird eine Elastomerfeder, die sich einem Zustand der Spannungsrelaxation nähert, schwächer und verliert die Fähigkeit, ihren gesamten beabsichtigten Bewegungsbereich zu durchlaufen.

Minimierung der Auswirkungen von Creep

Kriechen ist für elastomere Polymere eine Tatsache des Lebens, aber es gibt mehrere Möglichkeiten, mögliche Folgen zu reduzieren.

• Wählen Sie das beste Elastomer für die jeweilige Aufgabe. Bewerten Sie die Anwendung und bestimmen Sie, ob das Teil wiederholt gebogen wird. Wird es wiederholt extremen Temperaturschwankungen ausgesetzt sein, einschließlich Hitze und Kälte? Wird das Material ätzenden Chemikalien oder UV-Strahlung ausgesetzt?
• Konstruktion von Teilen zur Bewältigung erwarteter Belastungen. Ein typisches Elastomer in einer statischen Anwendung kann eine Kompression von 20 Prozent ohne übermäßige Verkürzung seiner Nutzungsdauer aushalten; das gleiche Elastomer sollte in einer dynamischen Anwendung normalerweise unter 10 Prozent Kompression gehalten werden. Möglicherweise möchten Sie die Größe eines Teils erhöhen, um den Komprimierungsgrad in einem akzeptablen Bereich für die Anwendung zu halten.
• Kennen Sie die Lebenserwartung Ihres Elastomerteils. Nehmen Sie den Austausch von Elastomeren in den Wartungsplan des Produkts auf und bieten Sie Ersatzkits an.
• Vermeiden Sie nach Möglichkeit eine langfristige Bevorratung von Ersatzteilen, um Lagerverschleiß zu vermeiden, der die Lebensdauer der Teile verkürzen kann. Die On-Demand-Produktion kann Teile nach Bedarf verfügbar machen, ohne einen Teil ihrer Nutzungsdauer durch Lagerung zu verschwenden.

Abschließende Gedanken zu Elastomeren

Elastomere können einfache, effektive Komponenten in einer Vielzahl von Feder- und Dichtungsanwendungen sein. Beachten Sie, dass sie sich abnutzen können, obwohl sie keine beweglichen Teile haben. Durchdachtes Design und sorgfältige Tests können ihre Nutzungsdauer maximieren. Indem Sie die Lebenserwartung dieser Teile kennen und Ersatzteile anbieten, können Sie die Vorteile dieser einfachen, effektiven Komponenten voll ausschöpfen und gleichzeitig die Lebensdauer und Funktionalität Ihres Endprodukts maximieren.

Unser Materialvergleichsleitfaden bietet detailliertere Informationen zu Elastomermaterialien.

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