Estrategias Efectivas para Reducir Fluencia y Relajación de Tensión en Piezas Elastoméricas

En el universo de materiales de fabricación, los elastómeros son polímeros caracterizados por fuerzas intermoleculares débiles. Esta debilidad es útil en que permite que el material cambie de forma cuando se somete a fuerza externa y luego regrese a su forma original cuando la fuerza ya no se aplica. Esta característica hace que los elastómeros sean ideales para la producción de sellos, juntas y resortes de varios tipos al usar moldeo por inyección o impresión 3D.

Funcionando como sello o junta, una pieza hecha de elastómero cambia de forma a medida que se aplica fuerza. Toma el juego entre piezas adyacentes, llenando huecos o irregularidades a medida que se aplica presión y mantiene un gas o líquido sin fugas. Una banda elástica es un ejemplo familiar de un elastómero sometido a fuerzas de tracción. Otro es el parachoques de plástico blando en una funda de celular, que cuando se somete a una fuerza de compresión de una caída o golpe se deforma para proteger el teléfono del impacto, y luego regresa a su estado "libre" o sin tensión. En aplicaciones de resorte tanto de compresión como de tracción, una pieza hecha de elastómero actúa muy parecido a un resorte helicoidal o de lámina hecho de metal.

Las piezas elastoméricas se pueden usar en aplicaciones estáticas o dinámicas. Un anillo O usado como sello de polvo o ayuda de alineación típicamente es una aplicación estática en el sentido de que una vez completado el ensamblaje, no hay movimiento del anillo O o piezas adyacentes.

En una aplicación dinámica —el sello de la tapa de una olla a presión, por ejemplo— el elastómero se comprime y libera repetidamente durante el uso normal. En un caso aún más extremo, la suela elastomérica de un zapato para correr se comprime y libera con cada paso. Las vidas útiles de estas piezas varían, pero todas están sujetas a fluencia.

Fluencia: Cuando la Recuperación es Menos que Perfecta

Puede no ser obvio, pero las piezas elastoméricas perderán gradualmente su elasticidad y fallarán en regresar (o intentar regresar) a su estado sin tensión. La fluencia, esta pérdida progresiva de elasticidad, puede comenzar con el primer uso de la pieza y continuar a lo largo de su vida útil.

Un ejemplo familiar es la banda elástica que no recupera completamente sus dimensiones originales cuando se suelta. Esta es fluencia debido a estrés mecánico, pero no es la única forma en que puede ocurrir la fluencia. Piense en la banda elástica que encuentra en una pila de fotos en una vieja caja de zapatos en el ático. La simple edad y la exposición al ambiente la han dejado flácida; incluso puede desmoronarse al manipularla.

Qué tan extrema es esta pérdida de elasticidad y qué tan rápido ocurre depende de varios factores. El estrés mecánico repetitivo es la razón por la que los corredores activos tienen que reemplazar sus zapatos periódicamente cuando las suelas pierden la capacidad de absorber impactos. La junta de culata del motor de su auto es una aplicación puramente estática; sin embargo, necesitará reemplazo periódico debido a la degradación del material causada por el calor de la combustión y la resultante expansión y contracción. Con el tiempo esto crea desgaste y, en última instancia, fallo del sello. Los pequeños elastómeros en su control remoto de TV pueden descomponerse por radiación UV entrando por una ventana soleada. Y las juntas en una olla a presión se ven afectadas por estrés mecánico, el alto calor de la cocción a presión, los ácidos en algunos alimentos e impurezas en el agua de cocción. Puede tomar años, pero cada una de estas piezas eventualmente experimentará relajación de tensión.

Relajación de Tensión: El Final del Camino

Una pieza elastomérica bien diseñada puede experimentar fluencia durante toda su vida. La relajación de tensión, por otro lado, ocurre cuando la fluencia acumulada hace que la pieza ya no sea funcional. Cuando su manguera de jardín comienza a gotear en el grifo, probablemente es porque la pequeña junta dentro del conector de la manguera ya no llena completamente el espacio entre el metal del grifo y el accesorio de metal de la manguera. Cuando la tapa de válvulas de su motor comienza a perder aceite, la relajación de tensión probablemente ha comprometido la capacidad de la junta de la tapa de válvulas para sellar la unión entre la tapa de válvulas y la culata.

Pero el uso no es la única causa de relajación de tensión. La elasticidad puede perderse por subuso. De hecho, las piezas elastoméricas en inventario pueden volverse frágiles simplemente sentadas en un estante.

La relajación de tensión ocurre cuando un sello o junta ya no llena completamente el espacio entre superficies de acoplamiento. El aire u otros gases serán más propensos a fugas alrededor de un sello y pueden pasar a través de un hueco tan pequeño como 0,0254 mm (0,001 pulg.). Los líquidos, siendo más viscosos, necesitarán un hueco más ancho para filtrarse, aunque el combustible filtrará a través de un hueco más estrecho que el agua. De manera similar, un resorte elastomérico que se acerca a un estado de relajación de tensión se debilitará y perderá la capacidad de trabajar a través de todo su rango de movimiento previsto.

Minimizando el Impacto de la Fluencia

La fluencia es un hecho de la vida para los polímeros elastoméricos, pero hay varias formas de reducir las consecuencias potenciales.

• Elija el mejor elastómero para el trabajo. Evalúe la aplicación y determine si la pieza se flexionará repetidamente. ¿Estará sujeta a variaciones extremas de temperatura repetidas incluyendo tanto calor como frío? ¿El material estará expuesto a químicos corrosivos o radiación UV?
• Diseñe piezas para manejar tensiones anticipadas. Un elastómero típico en una aplicación estática puede manejar 20% de compresión sin acortar indebidamente su vida útil; el mismo elastómero, en una aplicación dinámica, típicamente debería mantenerse por debajo del 10% de compresión. Puede querer aumentar el tamaño de una pieza para mantener su grado de compresión dentro de un rango aceptable para la aplicación.
• Conozca la expectativa de vida de su pieza elastomérica. Incluya el reemplazo del elastómero en el programa de mantenimiento del producto y ofrezca kits de reemplazo.
• Si es posible, evite el almacenamiento a largo plazo de reemplazos para prevenir el desgaste en estante que puede acortar la vida de la pieza. La producción bajo demanda puede hacer que las piezas estén disponibles según se necesiten sin desperdiciar parte de su vida útil en almacenamiento.

Reflexiones Finales sobre Elastómeros

Los elastómeros pueden ser componentes simples y efectivos en una variedad de aplicaciones de resorte y sellado. Esté consciente de que, a pesar de no tener partes móviles, pueden desgastarse. Un diseño cuidadoso y pruebas meticulosas pueden maximizar su vida útil. Al conocer la expectativa de vida de esas piezas y ofrecer piezas de reemplazo, puede cosechar los beneficios completos de estos componentes simples y efectivos mientras maximiza la vida y funcionalidad de su producto terminado.

Nuestra Guía de Comparación de Materiales proporciona información más detallada sobre materiales elastoméricos.

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