Minimización de la fluencia y relajación de la tensión en piezas elastoméricas

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

Funcionando como un sello o junta, una pieza hecha de elastómero cambia de forma cuando se aplica la fuerza. Elimina la holgura entre las piezas contiguas, llena los huecos o las irregularidades a medida que se aplica presión y evita que se produzcan fugas de gas o líquido. Una banda de goma es un ejemplo familiar de un elastómero sometido a fuerzas de tracción. Otro es el protector de plástico blando de la carcasa de un teléfono celular, que cuando se somete a la fuerza de compresión de una caída o golpe se deforma para proteger el teléfono de un golpe y luego vuelve a su estado "libre" o sin tensión. Tanto en las aplicaciones de resortes de compresión como de tracción, una pieza hecha de elastómero actúa de manera muy parecida a un resorte helicoidal o de hoja hecho de metal.

Los elastómeros son ideales para sellos, juntas y resortes de varios tipos, pero tenga cuidado porque las piezas elastoméricas están sujetas a la fluencia y relajación del estrés.

Las piezas elastoméricas se pueden utilizar en aplicaciones estáticas o dinámicas. Una junta tórica utilizada como sello contra el polvo o como ayuda para la alineación suele ser una aplicación estática en la que una vez que se ha completado el ensamblaje, no hay movimiento de la junta tórica ni de las piezas adyacentes.

En una aplicación dinámica, por ejemplo, el sello de la tapa de una olla a presión, el elastómero se comprime y libera repetidamente durante el uso normal. En un caso aún más extremo, la suela elastomérica de una zapatilla para correr se comprime y se suelta con cada paso. La vida útil de estas piezas varía, pero todas están sujetas a la fluencia.

Creep:cuando la recuperación es menos que perfecta

Puede que no sea obvio, pero las piezas elastoméricas perderán gradualmente su elasticidad y no volverán (o intentarán volver) a su estado libre de tensión. Creep, esta pérdida progresiva de elasticidad, puede comenzar con el primer uso de una 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 la fluencia debido a la tensión mecánica, pero no es la única forma en que puede ocurrir la fluencia. Piensa en la banda elástica que encuentras en una pila de fotos en una vieja caja de zapatos en el ático. La simple edad y la exposición al medio ambiente lo han dejado fláccido; incluso puede desmoronarse cuando se manipula.

Qué tan extrema es esta pérdida de elasticidad y qué tan rápido ocurre depende de una serie de 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 los golpes. La junta de la cabeza del motor de su automóvil es una aplicación puramente estática; sin embargo, necesitará un reemplazo periódico debido a la descomposición del material causada por el calor de la combustión y la expansión y contracción resultantes. Con el tiempo, esto genera desgaste y, en última instancia, fallas en el sello. Los diminutos elastómeros en el control remoto de su televisor pueden descomponerse por la radiación ultravioleta que entra por una ventana soleada. Y las juntas de una olla a presión se ven afectadas por el estrés mecánico, el alto calor de la cocción a presión, los ácidos de algunos alimentos y las impurezas del agua de cocción. Puede tomar años, pero cada una de estas partes eventualmente experimentará una relajación del estrés.

Las piezas elastoméricas se pueden usar en aplicaciones dinámicas o estáticas. Esta junta es un ejemplo de una aplicación estática:una vez que se ha completado el montaje, no hay movimiento de la junta tórica ni de los componentes adyacentes.

Relajación del estrés:el final de la línea

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

Pero el uso no es la única causa de la relajación del estrés. La elasticidad se puede perder debido a la infrautilización . De hecho, las piezas elastoméricas en el inventario pueden volverse quebradizas con solo dejarlas en un estante.

La relajación de la tensión se produce cuando un sello o junta ya no llena por completo el espacio entre las superficies de contacto. El aire u otros gases serán más propensos a fugas alrededor de un sello y pueden pasar a través de un espacio tan pequeño como 0,001 pulg. (25,4 mm). Los líquidos, al ser más viscosos, necesitarán un espacio más amplio para filtrarse, aunque el combustible se filtrará a través de un espacio más estrecho que el agua. De manera similar, un resorte de elastómero que se acerque a un estado de relajación de la tensión se debilitará y perderá la capacidad de funcionar en todo su rango de movimiento previsto.

Minimizar el impacto de la fluencia

La fluencia es una realidad para los polímeros elastoméricos, pero hay varias formas de reducir las posibles consecuencias.

• Elija el mejor elastómero para el trabajo. Evalúe la aplicación y determine si la pieza se flexionará repetidamente. ¿Estará sujeto a variaciones extremas de temperatura repetidas, tanto de calor como de frío? ¿El material estará expuesto a productos químicos corrosivos o radiación ultravioleta?
• Diseñe piezas para manejar las tensiones anticipadas. Un elastómero típico en una aplicación estática puede soportar una compresión del 20 por ciento sin acortar indebidamente su vida útil; el mismo elastómero, en una aplicación dinámica, normalmente debe mantenerse por debajo del 10 por ciento de compresión. Es posible que desee aumentar el tamaño de una pieza para mantener su grado de compresión dentro de un rango aceptable para la aplicación.
• Conozca la esperanza 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 repuestos para evitar el desgaste de almacenamiento que puede acortar la vida útil de la pieza. La producción bajo demanda puede hacer que las piezas estén disponibles según sea necesario sin desperdiciar parte de su vida útil en el almacenamiento.

Reflexiones finales sobre elastómeros

Los elastómeros pueden ser componentes simples y efectivos en una variedad de aplicaciones de resortes y sellado. Tenga en cuenta que, a pesar de no tener partes móviles, pueden desgastarse. El diseño cuidadoso y las pruebas cuidadosas pueden maximizar su vida útil. Al conocer la vida útil esperada de esas piezas y ofrecer piezas de repuesto, puede aprovechar todos los beneficios de estos componentes simples y efectivos mientras maximiza la vida útil y la funcionalidad de su producto terminado.

Nuestra Guía de comparación de materiales proporciona información más detallada sobre los materiales elastoméricos.

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