Estratégias Eficazes para Reduzir Fluência e Relaxamento de Tensão em Peças Elastoméricas

No universo de materiais de manufatura, elastômeros são polímeros caracterizados por forças intermoleculares fracas. Essa fraqueza é útil pois permite que o material mude de forma quando submetido a força externa e então retorne à sua forma original quando a força não é mais aplicada. Esta característica torna os elastômeros ideais para a produção de vedações, gaxetas e molas de vários tipos quando usando injeção de plástico ou impressão 3D.

Funcionando como uma vedação ou gaxeta, uma peça feita de elastômero muda de forma à medida que a força é aplicada. Ela toma a folga entre peças adjacentes, preenchendo lacunas ou irregularidades conforme a pressão é aplicada e mantém um gás ou líquido de vazar. Um elástico é um exemplo familiar de um elastômero submetido a forças de tração. Outro é o para-choque de plástico macio em uma capa de celular, que quando submetido a uma força compressiva de uma queda ou impacto deforma para proteger o telefone do choque, e então retorna ao seu estado "livre" ou sem tensão. Em aplicações de mola tanto compressivas quanto de tração, uma peça feita de elastômero age muito como uma mola helicoidal ou de lâmina feita de metal.

Peças elastoméricas podem ser usadas em aplicações estáticas ou dinâmicas. Um O-ring usado como vedação de poeira ou auxílio de alinhamento tipicamente é uma aplicação estática, pois uma vez que a montagem foi completada, não há movimento do O-ring ou 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 liberada a cada passo. As vidas úteis dessas peças variam, mas todas estão sujeitas à fluência.

Fluência (Creep): Quando a Recuperação é Menos que Perfeita

Pode não ser óbvio, mas peças elastoméricas gradualmente perdem sua elasticidade e falham em retornar (ou tentar retornar) ao seu estado sem tensão. Fluência, esta perda progressiva de elasticidade, pode começar com o primeiro uso da peça e continuar durante sua vida útil.

Um exemplo familiar é o elástico que não recupera totalmente suas dimensões originais quando liberado. Isso é fluência devido a tensão mecânica, mas não é a única maneira que a fluência pode ocorrer. Pense no elástico que você encontra em uma pilha de fotos em uma caixa de sapatos velha no sótão. A simples idade e exposição ao ambiente o deixaram frouxo; ele pode até desmanchar quando manuseado.

O quão extrema essa perda de elasticidade é e quão rapidamente ocorre depende de vários fatores. Tensão mecânica repetitiva é a razão pela qual corredores ativos têm que substituir seus tênis periodicamente quando as solas perdem a capacidade de absorver choque. A junta do cabeçote 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 a resultante expansão e contração. Com o tempo, isso cria desgaste e, em última análise, falha da vedação. Os minúsculos elastômeros no seu controle remoto de TV podem ser degradados pela radiação UV entrando por uma janela ensolarada. E as gaxetas em uma panela de pressão são afetadas por tensão mecânica, o alto calor da cozinha sob pressão, os ácidos em alguns alimentos e impurezas na água de cozimento. Pode levar anos, mas cada uma dessas peças eventualmente experimentará relaxamento de tensão.

Relaxamento de Tensão: O Fim da Linha

Uma peça elastomérica bem projetada pode experimentar fluência durante toda sua vida. Relaxamento de 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 gaxeta dentro do conector da mangueira não preenche mais completamente a folga entre o metal da torneira e o encaixe da extremidade da mangueira. Quando a tampa de válvulas do seu motor começa a vazar óleo, o relaxamento de tensão provavelmente comprometeu a capacidade da gaxeta da tampa de válvulas de vedar a junta entre a tampa de válvulas e o cabeçote.

Mas o uso não é a única causa de relaxamento de tensão. A elasticidade pode ser perdida devido ao subuso. De fato, peças elastoméricas em estoque podem realmente se tornar quebradiças apenas ficando em uma prateleira.

O relaxamento de tensão ocorre quando uma vedação ou gaxeta não preenche mais completamente o espaço entre superfícies conjugadas. Ar ou outros gases serão mais propensos a vazamento ao redor de uma vedação, e são capazes de passar por uma folga tão pequena quanto 0,0254 mm (0,001 pol.). Líquidos, sendo mais viscosos, precisarão de uma folga mais larga para vazar, embora combustível vaze por uma folga mais estreita que água. Similarmente, uma mola elastômera se aproximando de um estado de relaxamento de tensão enfraquecerá e perderá a capacidade de trabalhar através de toda sua amplitude de movimento pretendida.

Minimizando o Impacto da Fluência

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

• Escolha o melhor elastômero para o trabalho. Avalie a aplicação e determine se a peça será flexionada repetidamente. Será submetida a variações repetidas de temperatura extrema, 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% de compressão sem encurtamento indevido de sua vida útil; o mesmo elastômero, em uma aplicação dinâmica, deve tipicamente ser mantido abaixo de 10% de compressão. Você pode querer aumentar o tamanho de uma peça para manter seu grau de compressão dentro de uma faixa aceitável para a aplicação.
• Conheça a expectativa de vida da sua peça elastomérica. Inclua a substituição do elastômero no cronograma de manutenção do produto e ofereça kits de substituição.
• Se possível, evite estocagem de longo prazo de substituições para prevenir desgaste de prateleira que pode encurtar a vida da peça. Produção sob demanda pode tornar peças disponíveis conforme necessário sem desperdiçar parte de sua vida útil no armazenamento.

Considerações Finais sobre Elastômeros

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, eles podem se desgastar. Design cuidadoso e testes criteriosos 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 enquanto maximiza a vida e funcionalidade do seu produto acabado.

Nosso Guia de Comparação de Materiais fornece informações mais detalhadas sobre materiais elastoméricos.

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