Effektive Strategien zur Reduzierung von Kriechen & Spannungsrelaxation in Elastomerteilen

In der Welt der Fertigungsmaterialien sind Elastomere Polymere mit schwachen intermolekularen Kräften. Diese Schwäche ist nützlich: Sie erlaubt Formänderung unter externer Kraft und Rückführung in die Originalform nach Krafteinstellung. Das macht Elastomere ideal für Dichtungen, Dichtringe und Federn verschiedenster Art bei Spritzguss oder 3D-Druck.

Als Dichtung oder Dichtring ändert ein Elastomerteil unter Kraft seine Form. Es nimmt Spiel zwischen angrenzenden Teilen auf, füllt Lücken oder Unregelmäßigkeiten unter Druck und verhindert Gas- oder Flüssigkeitsleckage. Ein Gummiband ist ein bekanntes Beispiel für Elastomer unter Zugkraft. Ein weiteres: der weiche Kunststoffstoßfänger an einer Handyhülle, der unter Druck bei Sturz oder Schlag verformt, das Handy vor Schock schützt und in den „freien“ Zustand zurückkehrt. Sowohl bei Druck- als auch Zugfederanwendungen verhält sich ein Elastomerteil sehr ähnlich wie eine Metall-Schrauben- oder Blattfeder.

Elastomerteile kommen in statischen oder dynamischen Anwendungen vor. Ein O-Ring als Staubdichtung oder Ausrichtungshilfe ist typisch statisch: Nach Montage keine Bewegung von O-Ring oder angrenzenden Teilen.

In dynamischer Anwendung – z. B. Deckeldichtung eines Schnellkochtopfs – wird der Elastomer während normaler Nutzung wiederholt komprimiert und freigegeben. Extremfall: Elastomersohle eines Laufschuhs wird bei jedem Schritt komprimiert und freigegeben. Lebensdauern variieren, aber alle unterliegen Kriechen.

Kriechen: Wenn Erholung unvollkommen bleibt

Nicht offensichtlich, aber Elastomerteile verlieren allmählich Elastizität und kehren nicht (oder nicht vollständig) in den unbelasteten Zustand zurück. Kriechen – dieser fortschreitende Elastizitätsverlust – kann ab dem ersten Einsatz beginnen und über die Nutzungsdauer andauern.

Bekanntes Beispiel: Gummiband, das beim Loslassen nicht vollständig Originalmaße zurückgewinnt. Das ist Kriechen durch mechanische Spannung, aber nicht der einzige Weg. Denken Sie an das Gummiband auf einem Foto-Stapel in einer alten Schuhkarton auf dem Dachboden. Reines Alter und Umwelteinwirkung haben es schlaff gemacht; es krümelt vielleicht beim Anfassen.

Wie extrem und wie schnell dieser Elastizitätsverlust eintritt, hängt von diversen Faktoren ab. Wiederholte mechanische Belastung ist der Grund, warum aktive Läufer Schuhe regelmäßig ersetzen müssen, wenn Sohlen die Stoßdämpfung verlieren. Der Zylinderkopfdichtung Ihres Auto-Motors ist rein statisch; dennoch periodischer Austausch nötig durch Materialabbau durch Verbrennungswärme und resultierende Ausdehnung/Kontraktion. Über Zeit entsteht Verschleiß, letztlich Versiegelungsversagen. Winzige Elastomere in Ihrer TV-Fernbedienung können durch UV-Strahlung durch sonniges Fenster abgebaut werden. Dichtungen im Schnellkochtopf sind mechanischer Spannung, hoher Hitze, Säuren in Lebensmitteln, Verunreinigungen im Kochwasser ausgesetzt. Es dauert Jahre, aber jedes dieser Teile erfährt letztlich Spannungsrelaxation.

Spannungsrelaxation: Das Ende der Fahnenstange

Ein gut designtes Elastomerteil kann über seine gesamte Lebensdauer Kriechen erfahren. Spannungsrelaxation tritt ein, wenn kumulatives Kriechen das Teil nicht mehr funktionsfähig macht. Wenn Ihr Gartenschlauch am Wasserhahn leckt, liegt es wahrscheinlich am kleinen Dichtring im Schlauchanschluss, der den Spalt zwischen Wasserhahn-Metall und Schlauchende nicht mehr vollständig füllt. Wenn die Ventildeckeldichtung Ihres Motors Öl verliert, hat Spannungsrelaxation vermutlich die Dichtfähigkeit der Ventildeckeldichtung zwischen Ventildeckel und Zylinderkopf beeinträchtigt.

Aber Nutzung ist nicht die einzige Ursache. Elastizität geht auch durch Unterlast verloren. Tatsächlich können Elastomerteile im Lager durch bloßes Liegen spröde werden.

Spannungsrelaxation tritt ein, wenn Dichtung oder Dichtring den Raum zwischen Passflächen nicht mehr vollständig füllt. Luft/Gase lecken am ehesten an einer Dichtung vorbei – schon durch 0,001 Zoll (0,0254 mm) Spalt. Flüssigkeiten, viskoser, brauchen breiteren Spalt, aber Kraftstoff leckt durch schmaleren Spalt als Wasser. Ebenso wird eine Elastomerfeder nahe Spannungsrelaxation schwächer und verliert die Fähigkeit, den gesamten vorgesehenen Bewegungsbereich durchzuarbeiten.

Auswirkungen von Kriechen minimieren

Kriechen ist Realität für elastomere Polymere, aber es gibt Wege, potenzielle Folgen zu reduzieren:

• Bestes Elastomer für den Job wählen. Anwendung bewerten: Wird das Teil wiederholt gebeugt? Wiederholten extremen Temperaturschwankungen (Hitze & Kälte) ausgesetzt? Korrosiven Chemikalien oder UV-Strahlung ausgesetzt?
• Teile für erwartete Spannungen designen. Typisches Elastomer in statischer Anwendung verträgt 20 % Kompression ohne nennenswerte Lebensdauerkürzung; in dynamischer Anwendung typisch unter 10 % Kompression halten. Teilgröße erhöhen, um Kompressionsgrad im akzeptablen Bereich zu halten.
• Lebenserwartung des Elastomerteils kennen. Elastomeraustausch in Wartungsplan des Produkts aufnehmen, Ersatzkits anbieten.
• Langzeitbevorratung von Ersatzteilen vermeiden (Lageralterung verkürzt Lebensdauer). On-Demand-Fertigung stellt Teile bedarfsgerecht bereit, ohne nutzlose Lebenszeit im Lager.

Abschließende Gedanken zu Elastomeren

Elastomere können einfache, effektive Komponenten in diversen Feder- und Dichtungsanwendungen sein. Beachten Sie: Trotz fehlender bewegter Teile können sie verschleißen. Durchdachtes Design und sorgfältige Tests maximieren ihre Nutzungsdauer. Indem Sie die Lebenserwartung kennen und Ersatzteile anbieten, schöpfen Sie den vollen Nutzen dieser einfachen, effektiven Komponenten aus und maximieren Leben und Funktionalität Ihres Endprodukts.

Unser Materialvergleichsguide bietet detailliertere Infos zu elastomeren Materialien.

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