Stratégies efficaces pour réduire le fluage et la relaxation des contraintes dans les pièces élastomères

Dans l'univers des matériaux de fabrication, les élastomères sont des polymères caractérisés par de faibles forces intermoléculaires. Cette faiblesse est utile en ce qu'elle permet au matériau de changer de forme lorsqu'il est soumis à une force externe, puis de revenir à sa forme originale lorsque la force n'est plus appliquée. Cette caractéristique rend les élastomères idéaux pour la production de joints, garnitures et ressorts de divers types lors de l'utilisation du moulage par injection ou de l'impression 3D.

Fonctionnant comme un joint ou une garniture, une pièce en élastomère change de forme sous l'effet de la force. Elle prend le jeu entre les pièces adjacentes, comblant les espaces ou irrégularités sous la pression et empêche un gaz ou un liquide de fuir. Un élastique est un exemple familier d'élastomère soumis à des forces de traction. Un autre est le pare-chocs en plastique souple sur un étui de téléphone, qui, soumis à une force de compression d'une chute ou d'un choc, se déforme pour protéger le téléphone du choc, puis revient à son état « libre » ou non contraint. Dans les applications de ressort en compression et en traction, une pièce en élastomère agit très exactement comme un ressort hélicoïdal ou à lames en métal.

Les pièces élastomères peuvent être utilisées dans des applications statiques ou dynamiques. Un joint torique utilisé comme joint anti-poussière ou aide à l'alignement est généralement une application statique dans la mesure où, une fois l'assemblage terminé, il n'y a pas de mouvement du joint torique ou des pièces adjacentes.

Dans une application dynamique — le joint de couvercle d'une cocotte-minute par exemple — l'élastomère est comprimé et relâché répétitivement pendant l'utilisation normale. Dans un cas encore plus extrême, la semelle élastomère d'une chaussure de course est comprimée et relâchée à chaque pas. Les durées de vie de ces pièces varient, mais elles sont toutes sujettes au fluage.

Fluage : quand la récupération est imparfaite

Ce n'est pas toujours évident, mais les pièces élastomères perdront progressivement leur élasticité et ne parviendront pas à revenir (ou tenter de revenir) à leur état non contraint. Le fluage, cette perte progressive d'élasticité, peut commencer dès la première utilisation de la pièce et se poursuivre tout au long de sa vie utile.

Un exemple familier est l'élastique qui ne retrouve pas pleinement ses dimensions d'origine quand on le relâche. C'est du fluage dû à une contrainte mécanique, mais ce n'est pas la seule façon dont le fluage peut se produire. Pensez à l'élastique que vous trouvez sur une pile de photos dans une vieille boîte à chaussures dans le grenier. Le simple vieillissement et l'exposition à l'environnement l'ont laissé mou ; il peut même s'effriter quand on le manipule.

L'ampleur de cette perte d'élasticité et la rapidité avec laquelle elle se produit dépendent de plusieurs facteurs. La contrainte mécanique répétitive est la raison pour laquelle les coureurs actifs doivent remplacer leurs chaussures périodiquement quand les semelles perdent la capacité d'absorber les chocs. Le joint de culasse de votre moteur de voiture est une application purement statique ; néanmoins, il aura besoin d'un remplacement périodique en raison de la dégradation du matériau causée par la chaleur de la combustion et l'expansion et la contraction qui en résultent. Au fil du temps, cela crée de l'usure, et finalement, la défaillance du joint. Les minuscules élastomères dans votre télécommande TV peuvent être dégradés par les rayonnements UV entrant par une fenêtre ensoleillée. Et les joints d'une cocotte-minute sont affectés par la contrainte mécanique, la chaleur élevée de la cuisson sous pression, les acides dans certains aliments et les impuretés dans l'eau de cuisson. Cela peut prendre des ans, mais chacune de ces pièces finira par subir une relaxation des contraintes.

Relaxation des contraintes : la fin de la ligne

Une pièce élastomère bien conçue peut subir du fluage tout au long de sa vie. La relaxation des contraintes, en revanche, se produit lorsque le fluage cumulatif rend la pièce non plus fonctionnelle. Quand votre tuyau d'arrosage commence à fuir au robinet, c'est probablement parce que le petit joint à l'intérieur du raccord de tuyau ne remplit plus complètement l'espace entre le métal du robinet et le raccord de tuyau en métal. Quand le couvercle de soupape de votre moteur commence à fuir de l'huile, la relaxation des contraintes a probablement compromis la capacité du joint de couvercle de soupape à sceller l'articulation entre le couvercle et la culasse.

Mais l'utilisation n'est pas la seule cause de relaxation des contraintes. L'élasticité peut être perdue par sous-utilisation. En fait, les pièces élastomères en stock peuvent devenir cassantes simplement en restant sur une étagère.

La relaxation des contraintes se produit quand un joint ou une garniture ne remplit plus complètement l'espace entre les surfaces d'assemblage. L'air ou d'autres gaz seront les plus enclins à fuir autour d'un joint, et peuvent passer à travers un espace aussi petit que 0,0254 mm (0,001 po). Les liquides, étant plus visqueux, auront besoin d'un espace plus large pour fuir, bien que le carburant fuit à travers un espace plus étroit que l'eau. De même, un ressort élastomère approchant un état de relaxation des contraintes s'affaiblira et perdra la capacité de fonctionner sur toute sa plage de mouvement prévue.

Minimiser l'impact du fluage

Le fluage est une réalité pour les polymères élastomères, mais il existe plusieurs façons de réduire les conséquences potentielles.

• Choisir le meilleur élastomère pour le travail. Évaluer l'application et déterminer si la pièce sera fléchie répétitivement. Sera-t-elle soumise à des variations de température extrêmes répétées, chaleur et froid ? Le matériau sera-t-il exposé à des produits chimiques corrosifs ou aux rayonnements UV ?
• Concevoir les pièces pour gérer les contraintes anticipées. Un élastomère typique dans une application statique peut supporter 20 % de compression sans raccourcir indûment sa durée de vie utile ; le même élastomère, dans une application dynamique, devrait généralement être maintenu en dessous de 10 % de compression. Vous pouvez vouloir augmenter la taille d'une pièce pour maintenir son degré de compression dans une plage acceptable pour l'application.
• Connaître l'espérance de vie de votre pièce élastomère. Inclure le remplacement de l'élastomère dans le calendrier de maintenance du produit et proposer des kits de remplacement.
• Si possible, éviter le stockage à long terme des pièces de rechange pour prévenir l'usure en rayon qui peut raccourcir la durée de vie de la pièce. La production à la demande peut rendre les pièces disponibles quand nécessaire sans gaspiller une partie de leur vie utile en stockage.

Réflexions finales sur les élastomères

Les élastomères peuvent être des composants simples et efficaces dans une variété d'applications de ressort et d'étanchéité. Soyez conscient que, malgré l'absence de pièces mobiles, ils peuvent s'user. Une conception réfléchie et des tests soigneux peuvent maximiser leur durée de vie utile. En connaissant l'espérance de vie de ces pièces et en proposant des pièces de rechange, vous pouvez récolter tous les avantages de ces composants simples et efficaces tout en maximisant la durée de vie et la fonctionnalité de votre produit fini.

Notre Guide de comparaison des matériaux fournit des informations plus détaillées sur les matériaux élastomères.

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