Minimizando a fluência e o relaxamento da tensão em peças elastoméricas

No universo dos materiais de fabricação, os elastômeros são polímeros caracterizados por forças intermoleculares fracas. Essa fraqueza é útil porque permite que o material mude de forma quando submetido a uma força externa e depois retorne à sua forma original quando a força não for mais aplicada. Essa característica torna os elastômeros ideais para a produção de vedações, gaxetas e molas de vários tipos ao usar moldagem por injeção ou impressão 3D.

Funcionando como uma vedação ou gaxeta, uma peça feita de elastômero muda de forma conforme a força é aplicada. Ele ocupa a folga entre as partes adjacentes, preenchendo lacunas ou irregularidades conforme a pressão é aplicada e evita que um gás ou líquido vaze. Um elástico é um exemplo familiar de um elastômero submetido a forças de tração. Outro é o protetor de plástico macio em uma caixa de celular, que quando submetido a uma força compressiva de uma queda ou golpe se deforma para proteger o telefone de choque e, em seguida, retorna ao seu estado “livre” ou não estressado. Tanto em aplicações de mola de compressão quanto de tração, uma peça feita de elastômero age muito como uma bobina ou mola de lâmina feita de metal.
Elastômeros são ideais para vedações, gaxetas e molas de vários tipos, mas tenha cuidado porque as peças elastoméricas estão sujeitas a fluência e relaxamento do estresse.
As peças elastoméricas podem ser usadas em aplicações estáticas ou dinâmicas. Um O-ring usado como vedação contra poeira ou auxiliar de alinhamento normalmente é uma aplicação estática em que, uma vez concluída a montagem, não há movimento do O-ring ou das peças adjacentes.

Em uma aplicação dinâmica – a vedação da tampa de uma panela de pressão, por exemplo – o elastômero é comprimido e liberado repetidamente durante o uso normal. Em um caso ainda mais extremo, a sola elastomérica de um tênis de corrida é comprimida e solta a cada passo. A vida útil dessas peças varia, mas todas estão sujeitas a fluência.

Creep:quando a recuperação não é perfeita

Pode não ser óbvio, mas as peças elastoméricas perderão gradualmente sua elasticidade e não retornarão (ou tentarão retornar) ao seu estado não tensionado. A fluência, essa perda progressiva de elasticidade, pode começar logo no primeiro uso de uma peça e continuar ao longo de sua vida útil.

Um exemplo familiar é o elástico que não recupera totalmente suas dimensões originais quando solto. Isso é fluência devido ao estresse mecânico, mas não é a única maneira pela qual a fluência pode ocorrer. Pense no elástico que você encontra em uma pilha de fotos em uma velha caixa de sapatos no sótão. A simples idade e a exposição ao meio ambiente o deixaram flácido; pode até desmoronar quando manuseado.

O quão extrema é essa perda de elasticidade e a rapidez com que ocorre depende de vários fatores. O estresse mecânico repetitivo é a razão pela qual os corredores ativos precisam substituir seus tênis periodicamente quando as solas perdem a capacidade de absorver o choque. A junta da cabeça do motor do seu carro é uma aplicação puramente estática; no entanto, precisará de substituição periódica devido à quebra do material causada pelo calor da combustão e pela expansão e contração resultantes. Com o tempo, isso cria desgaste e, por fim, falha da vedação. Os minúsculos elastômeros do controle remoto da TV podem ser decompostos pela radiação UV que entra em uma janela ensolarada. E as juntas de uma panela de pressão são afetadas pelo estresse mecânico, pelo alto calor do cozimento sob pressão, pelos ácidos de alguns alimentos e pelas impurezas da água de cozimento. Pode levar anos, mas cada uma dessas partes acabará experimentando um relaxamento do estresse.
As peças elastoméricas podem ser usadas em aplicações dinâmicas ou estáticas. Esta junta é um exemplo de aplicação estática:Uma vez concluída a montagem, não há movimento do O-ring ou dos componentes adjacentes.

Relaxamento do estresse:o fim da linha

Uma peça elastomérica bem projetada pode sofrer fluência durante toda a sua vida útil. O relaxamento da tensão, por outro lado, ocorre quando a fluência cumulativa torna a peça não mais funcional. Quando sua mangueira de jardim começa a vazar na torneira, provavelmente é porque a pequena junta dentro do conector da mangueira não preenche mais totalmente o espaço entre o metal da torneira e o encaixe metálico da ponta da mangueira. Quando a tampa da válvula do seu motor começa a vazar óleo, o relaxamento da tensão provavelmente comprometeu a capacidade da junta da tampa da válvula de vedar a junta entre a tampa da válvula e o cabeçote.

Mas o uso não é a única causa de relaxamento do estresse. A elasticidade pode ser perdida devido à subutilização . Na verdade, as peças elastoméricas no estoque podem realmente se tornar quebradiças apenas paradas em uma prateleira.

O relaxamento da tensão ocorre quando uma vedação ou gaxeta não preenche mais totalmente o espaço entre as superfícies de contato. O ar ou outros gases são mais propensos a vazamentos ao redor de uma vedação e podem passar por uma abertura tão pequena quanto 0,001 pol. (25,4 mm). Líquidos, sendo mais viscosos, precisarão de uma abertura maior para vazar, embora o combustível vaze por uma abertura mais estreita do que a água. Da mesma forma, uma mola de elastômero que se aproxima de um estado de relaxamento de tensão enfraquecerá e perderá a capacidade de trabalhar em toda a amplitude de movimento pretendida.

Minimizando o impacto da fluência

A fluência é um fato da vida para os polímeros elastoméricos, mas existem várias maneiras de reduzir possíveis consequências.

• Escolha o melhor elastômero para o trabalho. Avalie a aplicação e determine se a peça será flexionada repetidamente. Estará sujeito a repetidas variações extremas de temperatura, incluindo calor e frio? O material será exposto a produtos químicos corrosivos ou radiação UV?
• Projete peças para lidar com tensões antecipadas. Um elastômero típico em uma aplicação estática pode lidar com 20 por cento de compressão sem redução indevida de sua vida útil; o mesmo elastômero, em uma aplicação dinâmica, normalmente deve ser mantido abaixo de 10 por cento de compressão. Você pode querer aumentar o tamanho de uma peça para manter seu grau de compressão dentro de um intervalo aceitável para o aplicativo.
• Conheça a expectativa de vida de sua peça elastomérica. Inclua a substituição do elastômero no cronograma de manutenção do produto e ofereça kits de reposição.
• Se possível, evite o armazenamento de longo prazo de peças de reposição para evitar o desgaste na prateleira que pode reduzir a vida útil da peça. A produção sob demanda pode disponibilizar as peças conforme a necessidade sem desperdiçar parte de sua vida útil em armazenamento.

Considerações finais sobre elastômeros

Os elastômeros podem ser componentes simples e eficazes em uma variedade de aplicações de mola e vedação. Esteja ciente de que, apesar de não terem partes móveis, elas podem se desgastar. Um design cuidadoso e testes cuidadosos podem maximizar sua vida útil. Conhecendo a expectativa de vida dessas peças e oferecendo peças de reposição, você pode colher todos os benefícios desses componentes simples e eficazes, maximizando a vida útil e a funcionalidade de seu produto acabado.

Nosso Guia de comparação de materiais fornece informações mais detalhadas sobre materiais elastoméricos.

Para começar seu próximo projeto de design hoje no Protolabs, basta carregar um modelo CAD 3D para obter uma cotação interativa em algumas horas.