Minimiser le fluage et la relaxation des contraintes dans les pièces en élastomère

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 reprendre sa forme d'origine lorsque la force n'est plus appliquée. Cette caractéristique rend les élastomères idéaux pour la production de joints, de joints et de ressorts de toutes sortes lors de l'utilisation du moulage par injection ou de l'impression 3D.

Fonctionnant comme un joint ou un joint, une pièce en élastomère change de forme au fur et à mesure que la force est appliquée. Il prend le jeu entre les pièces adjacentes, comble les lacunes ou les irrégularités lorsque la pression est appliquée 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 portable, qui, lorsqu'il est soumis à une force de compression d'une chute ou d'un coup, se déforme pour protéger le téléphone des chocs, puis revient à son état "libre" ou non contraint. Dans les applications de ressorts de compression et de traction, une pièce en élastomère agit à peu près comme un ressort hélicoïdal ou à lames en métal.

Les élastomères sont idéaux pour les joints, les joints et les ressorts de toutes sortes, mais attention, les pièces en élastomère sont sujettes au fluage et relaxation du stress.

Les pièces en élastomère 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 en ce sens qu'une fois l'assemblage terminé, il n'y a aucun mouvement du joint torique ou des pièces adjacentes.

Dans une application dynamique - le joint de couvercle d'un autocuiseur par exemple - l'élastomère est comprimé et relâché à plusieurs reprises lors d'une utilisation normale. Dans un cas encore plus extrême, la semelle élastomère d'une chaussure de course est comprimée et relâchée à chaque pas. La durée de vie de ces pièces varie, mais elles sont toutes sujettes au fluage.

Creep :lorsque la récupération est loin d'être parfaite

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

Un exemple familier est l'élastique qui ne retrouve pas complètement ses dimensions d'origine lorsqu'il est relâché. Il s'agit d'un fluage dû à une contrainte mécanique, mais ce n'est pas la seule manière 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. L'âge simple et l'exposition à l'environnement l'ont laissé mou; il peut même s'effriter lorsqu'il est manipulé.

L'ampleur et la rapidité de cette perte d'élasticité dépendent d'un certain nombre de facteurs. Les contraintes mécaniques répétitives sont la raison pour laquelle les coureurs actifs doivent remplacer périodiquement leurs chaussures lorsque les semelles perdent leur capacité à absorber les chocs. Le joint de culasse de votre moteur de voiture est une application purement statique; néanmoins, il devra être remplacé périodiquement en raison de la dégradation du matériau causée par la chaleur de combustion et de la dilatation et de la contraction qui en résultent. Au fil du temps, cela crée une usure, et finalement une défaillance, du joint. Les minuscules élastomères de la télécommande de votre téléviseur peuvent être endommagés par les rayons UV entrant dans une fenêtre ensoleillée. Et les joints d'un autocuiseur sont affectés par les contraintes mécaniques, la chaleur élevée de la cuisson sous pression, les acides de certains aliments et les impuretés de l'eau de cuisson. Cela peut prendre des années, mais chacune de ces parties connaîtra éventuellement une relaxation du stress.

Les pièces en élastomère peuvent être utilisées dans des applications dynamiques ou statiques. Ce joint est un exemple d'application statique :Une fois l'assemblage terminé, il n'y a aucun mouvement du joint torique ou des composants adjacents.

Relaxation du stress :la fin de la ligne

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

Mais l'utilisation n'est pas la seule cause de relaxation du stress. L'élasticité peut être perdue en raison d'une sous-utilisation . En fait, les pièces en élastomère en stock peuvent devenir cassantes simplement sur une étagère.

La relaxation des contraintes se produit lorsqu'un joint ou un joint ne remplit plus complètement l'espace entre les surfaces de contact. L'air ou d'autres gaz seront les plus susceptibles de fuir autour d'un joint et peuvent passer à travers un espace aussi petit que 0,001 po (25,4 mm). Les liquides, étant plus visqueux, auront besoin d'un espace plus large pour s'écouler, bien que le carburant fuie à travers un espace plus étroit que l'eau. De même, un ressort en élastomère s'approchant d'un état de relaxation des contraintes s'affaiblira et perdra la capacité de travailler 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 d'en réduire les conséquences potentielles.

• Choisissez le meilleur élastomère pour le travail. Évaluez l'application et déterminez si la pièce sera fléchie à plusieurs reprises. Sera-t-il soumis à des variations de températures extrêmes répétées, à la fois chaudes et froides ? Le matériau sera-t-il exposé à des produits chimiques corrosifs ou à des rayons UV ?
• Concevoir des pièces pour gérer les contraintes anticipées. Un élastomère typique dans une application statique peut supporter une compression de 20 % sans réduire indûment sa durée de vie utile; le même élastomère, dans une application dynamique, doit généralement être maintenu en dessous de 10 % de compression. Vous pouvez augmenter la taille d'une pièce pour maintenir son degré de compression dans une plage acceptable pour l'application.
• Connaissez la durée de vie de votre pièce en élastomère. Inclure le remplacement de l'élastomère dans le calendrier de maintenance du produit et proposer des kits de remplacement.
• Si possible, évitez le stockage à long terme de pièces de rechange pour éviter l'usure des étagères qui peut raccourcir la durée de vie des pièces. La production à la demande peut rendre les pièces disponibles selon les besoins sans gaspiller une partie de leur durée de vie utile en stockage.

Réflexions finales sur les élastomères

Les élastomères peuvent être des composants simples et efficaces dans une variété d'applications de ressorts et d'étanchéité. Sachez que, malgré l'absence de pièces mobiles, ils peuvent s'user. Une conception réfléchie et des tests minutieux peuvent maximiser leur durée de vie utile. En connaissant la durée de vie de ces pièces et en proposant des pièces de rechange, vous pouvez tirer pleinement parti 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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